基于射頻識別物聯(lián)網(wǎng)電磁場原理的研究

劉秉安

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

無線通信傳輸?shù)幕A(chǔ)是電磁場。無線射頻識別技術(shù)屬于無線通信傳輸技術(shù)之一，其信息交互的媒介自然也離不開電磁場。要深入挖掘射頻識別技術(shù)的潛能，要解決射頻識別系統(tǒng)在實際應(yīng)用中遇到的困難與阻礙，首先必須了解和透析射頻識別技術(shù)的電磁場本質(zhì)。電磁場是無形無色的，但卻是物質(zhì)地存在于人類生活的空間。早在1864年英國科學(xué)家麥克斯韋（J..GMxawell，1831-1879）集以往電磁學(xué)的實驗和理論之大成建立了電磁學(xué)的完整理論一麥克斯韋方程，從理論上預(yù)言了電磁波的存在，并在1887年被赫茲所證實。該方程被認(rèn)為是電磁學(xué)之經(jīng)典理論基礎(chǔ)。由該方程所導(dǎo)出的一些關(guān)于電磁場的基本關(guān)系及相關(guān)結(jié)論是求解電磁學(xué)問題的理論[1]。

式（1）是全電流定律，式（2）是電磁感應(yīng)定律，式（3）是磁通連續(xù)性原理，式（4）是高斯通量定理[2]。

在自由空間，本構(gòu)關(guān)系為在靜止、線性各同向性媒質(zhì)中本構(gòu) 關(guān)系為其 中 ，為電場作用下導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳導(dǎo)電流，和為局外場及其產(chǎn)生的相應(yīng)電流，局外場是指既非庫侖電場又非感應(yīng)電場的等效電場。和 ρ為產(chǎn)生電磁場和的源，通?！?ρ之間的關(guān)系為:

1 電磁場基本關(guān)系

無線通信中，信息通過電磁波進(jìn)行傳輸，交變的電場產(chǎn)生磁場，交變的磁場產(chǎn)生電場，麥克斯韋方程描述了空間每一點上每個時刻的電場和磁場情況。交變的電磁場用矢量方程微分形式或積分形式來表示時，可以得到以下的關(guān)系:同性的物質(zhì)電磁性質(zhì)方程，而對線性各向異性和非線性介質(zhì)不討論。己知麥克斯韋方程組的微分形式

式（5）為電流連續(xù)方程[3]。

2 能量傳輸關(guān)系

式（6）表示的密度應(yīng)是空間位置和時間的函數(shù)，因此時變場的能量也必定伴隨著場量的波動而在空間運動和轉(zhuǎn)移，這種運動和轉(zhuǎn)移必須遵守能量守恒定律。在沒有外源的線性各向同性媒質(zhì)中，設(shè)媒質(zhì)的電導(dǎo)率為σ，則坡印亭定理表示如下:

等號左邊是單位時間里V體積內(nèi)電磁場減少的儲能；右邊第一項是單位時間里用于維持傳導(dǎo)電流j而轉(zhuǎn)換為焦耳熱的能量，而第二項的單位是 W （瓦特），表示單位時間里穿出表面S的能量。其中是S面上的功率面密度，即坡印亭矢量，也稱為能流密度矢量[4]。

3 天線場強模型

3.1 電流元模型

實際應(yīng)用中的天線，一般可認(rèn)為是由若干電流元或磁流元所構(gòu)成。所謂電流元，是長度dl≤λ，并載有高頻電流i（t）=Icosωt=Re「Iejωt」的一段導(dǎo)體，以 Idl標(biāo)記。 設(shè)電流元如圖 1所示。

圖1 電流元模型Fig.1 Current metamodel

由于電流元分布的軸對稱性，其周圍空間的電磁場分布也應(yīng)該是軸對稱的，即與φ無關(guān)?？傻秒娏髟碾姶艌鲈谇蜃鴺?biāo)下的分量表示如下：

圖2 電流元周圍空間的電磁場分布Fig.2 Current space distribution of electromagnetic field around the yuan

1）近場（感應(yīng)場）區(qū)

當(dāng)距離很近而滿βr《1時，電磁場主要由r-2和r-3項決定，e-jβr≈1，從而得到

結(jié)論1：近場區(qū)的近似表達(dá):

由于電場與磁場的相位相差90°，這代表電磁能流的坡印亭矢量是純虛數(shù)，沒有能流向外，該區(qū)域能量的振蕩占了絕對優(yōu)勢。這種似穩(wěn)場又稱為感應(yīng)場，故近場區(qū)又稱為感應(yīng)場區(qū)[6]。

2）遠(yuǎn)場（輻射場）區(qū)

當(dāng)βr》1時，電流元的場主要由r-1項決定，這種似穩(wěn)場又稱為感應(yīng)場，從而得遠(yuǎn)場區(qū)的近似表達(dá):

結(jié)論:2：

由（11）可得出遠(yuǎn)場區(qū)的幾個重要特性:第一遠(yuǎn)場區(qū)只有Eθ和Hφ，兩個分量，兩者在空間上互相垂直，在時間上同相位，并與激發(fā)場的電流有的相位差。因此代表能流的坡印亭矢量為實數(shù)，并指向尸方向。這說明遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)沿矢徑方向傳播的電磁波占了絕對優(yōu)勢，電磁場沿矢徑方向向外傳播且不再返回，即是電磁輻射。這種場稱為輻射場，該場區(qū)稱為輻射場區(qū)。不同頻段的射頻識別系統(tǒng)采用不同的電磁場通信機制。目前射頻識別系統(tǒng)采用的典型頻率有13.56 MHz（HF頻段）和915 MHZ（UHF頻段）附近，分別工作于近場和遠(yuǎn)場模式。HF射頻識別系統(tǒng)工作模式為近場，采用磁場禍合的方式進(jìn)行通信；UHF射頻識別系統(tǒng)工作模式為遠(yuǎn)場[7]。

2）環(huán)形天線模型

環(huán)形天線的邊長為a，環(huán)的中心位于坐標(biāo)的原點，環(huán)面在x-y平面。坐標(biāo)方向如圖3所示。圖中p（x，y，z）為觀察點，用球坐標(biāo)表示為 P（r，θ，φ），而天線上的源點表示為[8]P′（r′，θ′，φ′）。

圖3 直角坐標(biāo)下的環(huán)形天線Fig.3 Circular antenna in the cartesian coordinates

環(huán)中電流為I，電流方向為沿環(huán)逆時針方向。矢量位可寫為：

柱坐標(biāo)分量與直角坐標(biāo)分量的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

經(jīng)過變換并進(jìn)行簡化計算可得到一個有用結(jié)論

4 結(jié) 論

通過分析和推到我們得到以下有用結(jié)論，對于直線近場（感應(yīng)場）電磁輻射關(guān)系和直線遠(yuǎn)場（輻射場）區(qū)得到電磁輻射關(guān)系、對于環(huán)形輻射得到的電磁輻射關(guān)系，在不同場合可用不同的近似表達(dá)進(jìn)行計算，對于準(zhǔn)確估算電磁輻射量，對物聯(lián)網(wǎng)具體的技術(shù)應(yīng)用有一定的借鑒作用。

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