근거리장과 원거리장

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1. 개요
2. 전자기장 영역 구분
3. 전자기적 길이에 따른 영역 구분
- 3.1. 전자기적으로 짧은 안테나
- 3.2. 전자기적으로 긴 안테나
4. 회절 거동에 따른 영역 구분
- 4.1. 원거리장 회절 (프라운호퍼 회절)
- 4.2. 근거리장 회절 (프레넬 회절)
5. 근거리장 특성
- 5.1. 반응성 근거리장 특성
- 5.2. 방사성 근거리장 특성
6. 임피던스
참조

1. 개요

근거리장과 원거리장은 안테나에서 방출되는 전자기장을 거리에 따라 구분하는 개념이다. 근거리장은 안테나 근처 영역으로, 전기장과 자기장이 독립적으로 존재하며 매질과의 상호작용이 크다. 원거리장은 전자기파가 안정적으로 전파되는 영역으로, 전기장과 자기장이 서로 밀접하게 관련되어 있으며, 방사 전력은 거리의 제곱에 반비례하여 감소한다. 전이 영역은 근거리장과 원거리장 사이의 중간 영역이다.

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근거리장과 원거리장
개요
정의	전자기장의 영역
구분 기준	안테나 또는 방사 구조로부터의 거리
관련 개념	프레넬 영역 프라운호퍼 회절
근거리장 (가까운 시야)
다른 이름	유도장, 비방사 영역
특징	전자기장 성분(E, B) 간의 위상 관계가 복잡함 에너지의 저장 및 반환이 우세 전자기장의 세기가 거리에 따라 급격하게 변함
주요 현상	유도 결합 근거리 무선 통신 (NFC)
원거리장 (먼 시야)
다른 이름	방사 영역
특징	전자기장 성분(E, B)이 서로 수직이며, 진행 방향에도 수직인 전자기파의 형태로 전파됨 에너지의 방사가 우세 전자기장의 세기가 거리에 따라 비교적 완만하게 변함 (거리에 반비례)
주요 현상	전파 무선 통신 레이더
경계 구분 (정확한 기준은 아님)
일반적인 기준	파장(λ)에 따라 결정됨
근거리장 범위	안테나로부터 대략 1 파장(λ) 이내
원거리장 범위	안테나로부터 대략 1 파장(λ) 이상
응용 분야
근거리장 활용	RFID NFC 무선 전력 전송
원거리장 활용	방송 통신 레이더
수학적 표현
근거리장 근사	복잡한 계산이 필요할 수 있음
원거리장 근사	더 간단한 형태로 표현 가능

2. 전자기장 영역 구분

정상적으로 작동하는 안테나에서 양전하와 음전하는 금속 표면을 벗어날 수 없으며, 여기 "신호" 전압(송신기 또는 기타 전자기장 여기 전위)에 의해 서로 분리된다. 이는 근접장과 원거리장 모두에 영향을 미치는 진동(또는 반전) 전기 쌍극자를 생성한다.

"근접장"과 "원거리장" 영역 간의 경계는 모호하게 정의되며, 소스에서 방출되는 지배적인 파장과 방사 요소의 크기에 따라 달라진다.^[1] ''원거리장''은 장(field)이 "정상적인" 전자기파로 정착된 영역으로, 쌍극자 특성을 갖는 횡 전기장 또는 자기장이 지배적이다.

전기장과 자기장을 구성 요소로 분리하는 것은 물리적 구분이 명확하다기보다는 수학적인 구분이며, 복사 요소로부터의 거리가 증가함에 따라 전기장 및 자기장 방정식의 다양한 항의 진폭이 감소하는 상대적인 속도에 기반한다.^[1] 원거리장 성분의 진폭은 $1/r$ 로 감소하고, ''방사성'' 근거리장 진폭은 $1/r^2$ 로 감소하며, ''반응성'' 근거리장 진폭은 $1/r^3$ 로 감소한다. ''영역''의 정의는 연관된 장 ''성분''의 활동이 가장 강한 위치를 특징짓는 것을 시도한다. 수학적으로 ''장 성분'' 간의 구분은 매우 명확하지만, 공간적 ''장 영역''의 경계는 주관적이다. 모든 장 성분은 모든 곳에서 겹치므로, 가장 가까운 근거리장 반응성 영역에는 항상 상당한 원거리장 및 방사성 근거리장 성분이 존재한다.

이러한 영역의 경계는 대략적인 경험 법칙이며, 정확한 경계가 없기 때문에 거리에 따른 모든 거동 변화는 부드러운 변화이다. 안테나 유형과 크기에 따라 정확한 경계를 정의할 수 있더라도, 전문가들은 영역을 설명하기 위한 명명법 사용에 차이를 보일 수 있다. 따라서 원거리장 및 근거리장 영역을 논의하는 기술 문헌을 해석할 때는 특별한 주의가 필요하다.

전파 안테나의 방사부 중심으로부터 떨어진 거리를 파장의 고정된 수치(분수)로 정의하는 것이 가장 편리하다. 선택된 값은 대략적인 값이며, 다양한 환경에서 서로 다른 안테나에는 다소 부적절할 수 있다는 점을 분명히 이해해야 한다. 이 컷오프 숫자의 선택은 일반적인 상황에서 관찰되는 전계 성분 진폭의 상대적인 세기를 기반으로 한다.

2. 1. 근거리장 (Near Field)

근거리장은 안테나 도체 근처나 주변의 분극 가능한 매질 내부를 포함하며, 이곳에서 전자기파 생성 및 방출이 간섭을 받을 수 있다. 전계선은 전기적으로 안테나에 부착된 상태를 유지하며, 인접한 전도 물체에 의한 복사 흡수는 송신기 부하에 영향을 미친다.

근거리장 효과는 "토끼 귀" TV 안테나에 사람이 가까이 갈 때 잡음 수준 변화나, 안테나 근처에서 움직일 때 FM 라디오 음질 변화 등으로 관찰할 수 있다.

근거리장은 고정된 위상 관계를 가진 다중극 형식 전계에 의해 지배된다. 일반 안테나는 원거리 통신을 목적으로 하며, 단순 안테나의 경우 근거리장 효과는 무시할 수 있다.

근거리장은 정전 용량 감지 기술 개발에 중요하며, 근거리 통신 특화 장치도 존재한다. 전자기 유도를 이용하는 변압기는 근거리 상호작용의 예시이다. RFID, 무선 충전, 유도 가열 코일도 근거리장 현상을 이용하지만, "안테나" 분류는 논쟁의 여지가 있다.

근거리장은 다시 반응성 근거리장과 방사성 근거리장으로 나뉜다.

2. 1. 1. 반응성 근거리장 (Reactive Near Field)

''근접 전계''는 안테나 도체 근처 또는 주변의 분극 가능한 매체 내부를 지칭하며, 이곳에서 전자기파의 생성 및 방출이 간섭을 받을 수 있고, 전계선은 전기적으로 안테나에 부착된 상태를 유지한다. 근접 전계에서 인접한 전도 물체에 의한 복사 흡수는 신호 발생기(송신기)의 부하에 감지 가능한 영향을 미친다. 근접 전계에서는 전기장과 자기장이 서로 독립적으로 존재할 수 있으며, 서로 다른 하위 영역에서 한 종류의 전계가 다른 전계보다 불균형적으로 클 수 있다.

근접 전계 효과를 쉽게 관찰할 수 있는 예로, 사람이 "토끼 귀" TV 안테나에 가까이 가면 안테나가 감지하는 잡음 수준이 변하거나, 사람이 안테나에서 팔 길이 이내에서 움직일 때 FM 라디오 음질이 변하는 현상 등이 있다.^[1]

근접 전계는 고정된 위상 관계를 가진 다중극 형식 전계에 의해 지배된다.^[2] 일반 안테나의 목적은 원거리 전계까지 무선으로 장거리 통신을 하는 것이며, 단순한 안테나의 복사 및 수신 계산을 위해 근접 전계의 복잡한 효과는 무시할 수 있다.^[3] 매체와의 상호 작용(예: 신체 정전 용량)은 안테나에 전원을 공급하는 소스로 에너지를 반사시킬 수 있으며, 이는 ''반응성'' 근거리장에서 발생한다.^[4] 이 구역은 가장 가까운 안테나 표면에서 대략 파장의 이내이다.^[4]

근거리장은 특히 스마트폰과 태블릿 컴퓨터의 터치스크린에 사용되는 정전 용량 감지 기술 개발에 큰 관심을 받고 있다.^[5] 원거리장은 안테나 기능의 일반적인 영역이지만, 근거리 통신을 위해 특화된 ''안테나'' 장치도 존재한다.^[5] 전자기 유도에서 볼 수 있는 변압기는 근거리 전자기적 상호 작용의 간단한 예시이다.^[5] RFID의 송/수신 코일과 무선 충전 및 유도 가열의 방출 코일이 있지만, "안테나"로서의 기술적 분류는 논쟁의 여지가 있다.^[5]

2. 1. 2. 방사성 근거리장 (Radiative Near Field)

매질과의 상호 작용은 에너지를 소스(source)로 다시 되돌리지 못할 수 있지만, 자유 공간에서 발견되는 것과 크게 다른 전자기파의 왜곡을 유발할 수 있으며, 이는 다소 더 멀리 떨어진 '''방사성''' 근거리장 영역을 나타낸다. 야기-우다 안테나의 경우처럼 수동 반사 요소를 이 영역에 배치하여 빔 형성을 할 수 있다. 또는 여러 개의 능동 소자를 결합하여 안테나 배열을 형성할 수도 있으며, 이때 로브(lobe)의 모양은 소자 간 거리와 여기 위상의 요소가 된다.

2. 2. 전이 영역 (Transition Zone)

정상적으로 작동하는 안테나에서 양전하와 음전하는 금속 표면을 벗어날 수 없으며, 여기 "신호" 전압(송신기 또는 기타 전자기장 여기 전위)에 의해 서로 분리된다. 이는 근접장과 원거리장 모두에 영향을 미치는 진동(또는 반전) 전기 쌍극자를 생성한다.

또 다른 중간 영역인 '''전이 영역'''은 안테나 기하학 및 여기 파장을 기준으로 다소 다르게 정의된다. 안테나로부터 대략 1파장 거리에 있으며, 방사파의 전기장과 자기장이 처음으로 균형을 이루는 곳이다. 선형 안테나의 전기장은 해당하는 자기장을 얻고, 루프 안테나의 자기장은 전기장을 얻는다. 이 영역은 근거리장의 가장 먼 부분 또는 원거리장의 가장 가까운 부분으로 간주될 수 있다. 이 지점 이후부터 전자기파는 자체적으로 전파된다. 파동의 전기장 및 자기장 부분은 파동이 전파되는 매질의 특성 임피던스에 의해 정의된 비율로 서로 비례한다.

이 근거리장과 원거리장 영역 사이의 '''전이 영역'''은 안테나로부터 1~2 파장 거리에 걸쳐 있으며, 근거리장 효과와 원거리장 효과가 모두 중요한 중간 영역이다. 이 영역에서 근거리장 거동은 사라져 중요성을 잃고, 원거리장 효과가 지배적인 상호 작용으로 남게 된다.

2. 3. 원거리장 (Far Field)

전자기파가 "정상적인" 전자기파로 정착되는 영역으로, 횡 전기장 또는 자기장이 지배적이다. 이 영역에서는 쌍극자 특성을 갖는다. 안테나의 원거리장 영역에서 방사 전력은 역제곱 법칙에 따라 감소하며, 전자기파 흡수는 송신기로 다시 피드백되지 않는다.^[1]

원거리장 영역에서 EM 장의 각 전기적 및 자기적 부분은 서로의 변화에 의해 "생성"되며(또는 관련됨), 전기장과 자기장 세기의 비율은 매질 내의 파동 임피던스와 같다.

''방사 구역''이라고도 알려진 원거리장은 비교적 균일한 파동 패턴을 전달한다. 방사 구역은 원거리장이 일반적으로 진폭이

\ \tfrac{1}{r}\

로 감소하기 때문에 중요하다. 이는 거리

r

에서의 단위 면적당 총 에너지가

\ \tfrac{1}{r^2}\

에 비례한다는 것을 의미한다. 구의 면적은

r^2

에 비례하므로, 구를 통과하는 총 에너지는 일정하다. 이는 원거리장 에너지가 실제로 무한대로 도달하여 사라진다(즉, ''방사된다'')는 것을 의미한다.

맥스웰 방정식을 균질한 물질(일반적으로 진공 또는 공기)로 둘러싸인 국소적인 진동원(예: 안테나)에 대한 전기장과 자기장에 대해 풀면, 멀리 떨어진 곳에서 소스에서 거리에 비례하여

1/r

로 감소하는 장이 생성된다. 이것이 방사장이며, 이러한 장이 지배적인

r

이 충분히 큰 영역을 원거리장이라고 한다.

광선이 무한대로 초점이 맞춰진 경우, 원거리장 영역을 때때로 ''프라운호퍼 영역''이라고 부른다. 다른 동의어로는 ''원거리장'', ''원거리 영역'', ''방사장''이 있다. 모든 전자기파는 전기장 성분

\mathbf{E}

와 자기장 성분

\mathbf{H}

로 구성된다. 원거리장에서 전기장 성분

\mathbf{E}

와 자기장 성분

\mathbf{H}

사이의 관계는 자유롭게 전파되는 모든 파동의 특징이며, 여기서

\mathbf{E}

와

\mathbf{H}

는 공간의 임의의 지점에서 동일한 크기를 갖는다(여기서는

c

= 1을 단위로 측정).

진동하는 전류가 어떤 종류의 전도성 구조에 가해지면, 그 구조 주변 공간에 전기장과 자기장이 나타난다. 이러한 장들이 전파 공간파로 손실되면, 그 구조를 흔히 안테나라고 부른다. 이러한 안테나는 전도체의 집합으로, 라디오 장치에서 흔히 볼 수 있거나, 마이크로파 또는 광학 장치에서 흔히 볼 수 있는 것처럼 주어진 전류 분포로 공간에 방사하는 개구일 수 있다. 안테나 주변 공간의 실제 장 값은 대개 매우 복잡하며, 안테나로부터의 거리에 따라 다양한 방식으로 변할 수 있다.

그러나 많은 실용적인 응용 분야에서, 관찰자로부터 안테나까지의 거리가 송신 안테나의 가장 큰 치수보다 훨씬 큰 경우의 효과에만 관심이 있다. 안테나 주변에 생성된 장을 설명하는 방정식은 거리가 멀다고 가정하고 최종 장에 미미한 기여만 하는 모든 항을 제거하여 단순화할 수 있다. 이러한 단순화된 분포를 "원거리장"이라고 하며, 일반적으로 에너지의 각도 분포가 거리와는 무관하게 변하지 않는다는 속성을 갖는다. 비록 에너지 레벨은 여전히 거리와 시간에 따라 변하지만 말이다. 이러한 각도 에너지 분포를 일반적으로 안테나 패턴이라고 한다.

상호성의 원리에 따라, 특정 안테나가 송신할 때 관찰되는 패턴은 동일한 안테나가 수신에 사용될 때 측정되는 패턴과 동일하다. 일반적으로 안테나 원거리장 패턴을 설명하는 간단한 관계를 찾을 수 있으며, 종종 삼각 함수를 포함하거나 최악의 경우 안테나 전류 분포와 관찰된 원거리장 패턴 사이의 푸리에 변환 또는 한켈 변환 관계를 포함한다. 원거리장 단순화는 공학 계산에 매우 유용하지만, 이는 근거리장 함수를 계산할 수 없다는 의미는 아니다. 특히 현대적인 컴퓨터 기술을 사용하여 말이다. 안테나 구조 주변의 근거리장이 어떻게 형성되는지를 조사하면 이러한 장치의 작동에 대한 깊은 통찰력을 얻을 수 있다.

3. 전자기적 길이에 따른 영역 구분

근거리장과 원거리장을 구분하는 편리한 방법은 전파 안테나의 방사부 중심으로부터 떨어진 거리를 파장의 고정된 수치(분수)로 정의하는 것이다. 이 값은 대략적인 값이며, 다양한 환경과 안테나에 따라 다소 부적절할 수 있다. 이러한 구분은 일반적인 상황에서 관찰되는 전계 성분 진폭의 상대적인 세기를 기반으로 한다.

안테나의 크기에 따라 전자기적 길이를 다르게 구분할 수 있다. 안테나가 방출하는 전자기파 파장의 절반보다 짧은 안테나는 '전자기적으로 짧은 안테나'로, 그 반대는 '전자기적으로 긴 안테나'로 구분한다.

3. 1. 전자기적으로 짧은 안테나

Antenna field regions for antennas that are equal to, or shorter than, one-half wavelength of the radiation they emit, such as the whip antenna of a citizen's band radio, or the antenna in an AM radio broadcast tower. — 안테나의 전자기파 방출 파장의 절반 이하인 안테나의 필드 영역(예: 시민 밴드 라디오의 채찍 안테나 또는 AM 라디오 방송 타워의 안테나).

안테나가 방출하는 전자기파 파장의 절반보다 짧은 안테나(전자기적으로 "짧은" 안테나)의 경우, 근거리장과 원거리장의 경계는 방사원으로부터의 거리와 방사선의 파장의 간단한 비율로 측정된다. 근거리장은 반경 $r \ll \lambda$ 이내, 원거리장은 $r \gg 2\lambda$인 영역이다. 전이 영역은 $r = \lambda$와 $r = 2\lambda$ 사이이다.

안테나 길이 $D$는 중요하지 않으며, 모든 짧은 안테나( ''점 안테나''로 이상화됨)에 대해 근사값은 동일하다. 이러한 안테나에서 짧은 길이는 안테나 각 부분의 전하와 전류가 임의의 시간에 동일함을 의미한다. RF 송신기 전압이 안테나 전체 길이에 걸쳐 전하와 전류에 영향을 주기 전에 반전되기에는 너무 짧기 때문이다.

3. 2. 전자기적으로 긴 안테나

요제프 폰 프라운호퍼의 이름을 딴 프라운호퍼 거리는 다음 공식으로 계산된다.^[2]

:

d_\text{F} \; = \; \frac{2 D^2}{\lambda} \, ,

여기서 D^영어는 방사체의 가장 큰 치수(또는 안테나의 직경)이고, λ^영어는 무선 파동의 파장이다. 다음 두 관계식은 동일하며, 파장 또는 직경 D로 표현된 영역의 크기를 강조한다.

:

d_\text{F} \; = \; 2 { \left( { D \over \lambda } \right) }^2 \lambda \; = \; 2 { \left( { D \over \lambda } \right) } D

이 거리는 근거리장과 원거리장 사이의 경계를 제공한다. 매개변수 D^영어는 안테나의 물리적 길이 또는 반사기("접시") 안테나의 직경에 해당한다.

안테나가 방출되는 지배적인 파장의 절반보다 전자기적으로 길면 근거리장 효과, 특히 초점 안테나의 효과가 상당히 확장된다. 반대로, 주어진 안테나가 고주파 방사선을 방출하면 저주파수(즉, 더 긴 파장)에서 암시되는 것보다 더 큰 근거리 영역을 갖게 된다.

또한 원거리장 영역 거리 d_F^영어는 다음 두 조건을 충족해야 한다.^[2]

:

d_\text{F} \gg D\,

:

d_\text{F} \gg \lambda\,

여기서 D^영어는 안테나의 가장 큰 물리적 선형 치수이고, d_F^영어는 원거리장 거리이다. 원거리장 거리는 송신 안테나에서 프라운호퍼 영역 또는 원거리장의 시작점까지의 거리이다.

4. 회절 거동에 따른 영역 구분

회절은 전자기파가 장애물을 만났을 때 휘어지는 현상으로, 근거리장과 원거리장에서 다르게 나타난다.

방출하는 복사 파장보다 큰 (지름 또는 길이 D) 안테나의 근거리 및 원거리 영역, D/λ >> 1인 경우. 예시는 레이더 접시, 위성 안테나, 전파 망원경 및 기타 고도로 지향적인 안테나이다.

4. 1. 원거리장 회절 (프라운호퍼 회절)

음향파 발생원의 경우, 발생원의 최대 전체 치수 또는 개구 폭()이 파장()에 비해 클 때, 프레넬 매개변수

S

가 1보다 크면 원거리장 영역이 존재한다고 일반적으로 간주한다.^[3]

:

S = {4\lambda \over D^2} r > 1, \text{ for } r > r_\text{F} = {D^2 \over 4\lambda}.

광선이 무한대로 초점이 맞춰진 경우, 원거리장 영역을 때때로 ''프라운호퍼 영역''이라고 부른다. 다른 동의어로는 ''원거리장'', ''원거리 영역'', ''방사장''이 있다. 모든 전자기파는 전기장 성분 와 자기장 성분 로 구성된다. 원거리장에서 전기장 성분 와 자기장 성분 사이의 관계는 자유롭게 전파되는 모든 파동의 특징이며, 여기서 와 는 공간의 임의의 지점에서 동일한 크기를 갖는다(여기서는 1을 단위로 측정).

4. 2. 근거리장 회절 (프레넬 회절)

원거리장과 달리 근거리장의 회절 패턴은 일반적으로 무한대에서 관찰되는 것과 크게 다르며, 소스로부터의 거리에 따라 달라진다. 근거리장에서는 '''E'''와 '''H''' 사이의 관계가 매우 복잡해진다. 또한, 전자기파가 일반적으로 단일 편광 유형(수평, 수직, 원형 또는 타원형)으로 특징지어지는 원거리장과 달리, 근거리장에는 네 가지 편광 유형이 모두 존재할 수 있다.^[4]

5. 근거리장 특성

근거리장은 안테나 도체 근처나 주변의 분극 가능한 매체 내부에서 나타나며, 전자기파의 생성 및 방출에 간섭을 받는다. 이곳에서 전계선은 전기적으로 안테나에 부착된 상태를 유지하며, 주변 전도 물체에 의한 복사 흡수는 송신기의 부하에 영향을 미친다.^[1] 근거리장에서는 전기장과 자기장이 서로 독립적으로 존재하며, 특정 하위 영역에서는 한 종류의 전계가 다른 전계보다 더 강하게 나타날 수 있다.

근거리장 효과의 예로는 "토끼 귀" TV 안테나에 신체 부위를 가까이 할 때 잡음 수준이 변하는 것이나, FM 라디오 청취 중 안테나 근처에서 움직일 때 음질이 변하는 현상이 있다.

근거리장은 고정된 위상 관계를 가진 다중극 형식 전계에 의해 지배된다. 일반 안테나는 주로 원거리 전계로 무선 통신을 하지만, 근거리장의 복잡한 효과는 단순 안테나의 복사 및 수신 계산에서 무시될 수 있다.

전기장과 자기장은 구성 요소로 분리되어 분석될 수 있는데, 이는 수학적인 구분이며, 거리에 따라 각 항의 진폭이 감소하는 속도에 기반한다. 원거리장 성분은 $1/r$ 로, 방사성 근거리장 성분은 $1/r^2$ 로, 반응성 근거리장 성분은 $1/r^3$ 로 감소한다. 영역의 정의는 각 장 성분의 활동이 가장 강한 위치를 나타내지만, 공간적 경계는 주관적이며, 모든 장 성분은 겹쳐서 나타난다.

근거리장은 안테나 근처 영역에서 각도 장 분포가 안테나로부터의 거리에 따라 달라지는 영역을 의미한다. 또한, 프라운호퍼 거리보다 짧은 거리의 방사된 장의 부분을 포함하며,^[1] 이는 회절 가장자리나 안테나의 직경 에서 $d_\text{F} = \frac{2 D^2}{\lambda}$ 로 주어진다. 광섬유 통신에서는 레일리 길이보다 가까운 소스 또는 개구 근처 영역을 의미한다.

근거리장은 '반응성' 근거리장과 '복사성' 근거리장으로 더 세분된다. 반응성 근거리장은 안테나 표면에서 파장의 $\frac{1}{2\pi}$ 배(약 0.159λ) 거리 내에 존재하며, '유도성' 근거리장이라고도 한다. 복사성 근거리장은 $\frac{\lambda}{2\pi}$ 에서 프라운호퍼 거리까지의 영역이다.^[4]

근거리장은 고전적인 전자기 유도 및 전하 효과를 재현하며, 이는 거리가 멀어짐에 따라 소멸된다. 전기장과 위상 직교하는 자기장 성분은 거리의 세제곱의 역수( $1/r^3$ )에 비례하고, 전기장 세기는 거리의 제곱의 역수( $1/r^2$ )에 비례하여 감소한다. 이는 고전적인 방사 원거리장(E 및 B 필드, 거리의 역수( $1/r$ )에 비례)보다 훨씬 빠른 감소이다.

근거리장 효과는 안테나 근처 수신기에 직접 결합되는 에너지 전달 효과를 포함하며, 수신기에 결합될 때 송신기의 전력 출력에 영향을 미친다. 이는 변압기나 금속 탐지기에서 유도 결합을 통해 에너지가 전달되는 것과 유사하며, 단거리 효과를 가진다.

맥스웰 방정식을 통해 균질한 물질로 둘러싸인 진동원(안테나)의 전기장과 자기장을 풀면, 원거리에서는 거리에 비례하여 $1/r$ 로 감소하는 방사장이 생성된다. 근접장에서는 $1/r^2$ 에 비례하는 "유도 항"^[6]과 $1/r^3$ 에 비례하는 "정전기장 항"이 중요해진다.

5. 1. 반응성 근거리장 특성

근접 전계에서 전기장()과 자기장()의 세기 간의 관계는 예측하기가 매우 복잡하고 측정하기 어렵다. 어느 한 필드 성분( 또는 )이 한 지점에서 우세할 수 있으며, 불과 가까운 거리에서 반대 관계가 우세할 수 있다.^[4] 이 때문에 이 영역에서 실제 전력 밀도를 구하는 것은 어려운 문제이다. 전력을 계산하려면 와 를 모두 측정해야 할 뿐만 아니라, 와 사이의 위상 관계와 두 벡터 사이의 각도도 공간의 모든 지점에서 알아야 하기 때문이다.^[4]

이 반응성 영역에서는 전자기파가 먼 공간으로 방사될 뿐만 아니라, 전자기장에 반응성 성분이 존재한다. 즉, 안테나 주변의 전기장과 자기장의 세기, 방향, 위상이 이 영역의 전자기파 흡수 및 재방사에 민감하며 이에 반응한다.

안테나에 매우 가까운 반응성 영역에서, 일정량의 에너지는 수신기에 흡수되지 않으면 보류되어 안테나 표면 근처에 저장된다. 이 에너지는 정전기 및 정자장 효과를 서서히 변화시키는 유형의 전자기 방사에 의해 안테나에서 반응성 근거리장으로 왕복한다. 예를 들어, 안테나에서 흐르는 전류는 근거리장에 순수한 자기 성분을 생성하고, 안테나 전류가 반전되기 시작하면 붕괴되어 변화하는 자기장이 안테나에 자체 유도 효과를 일으켜 자기장의 자기 에너지를 안테나의 전자로 다시 전달한다. 이는 에너지를 재생 방식으로 안테나로 되돌려 손실되지 않게 한다. 유사한 과정이 신호 전압의 압력 하에 안테나의 한 부분에 전하가 축적되어, 안테나의 자기 커패시턴스로 인해 해당 안테나 부분 주변에 국부적인 전기장을 생성할 때 발생한다. 신호가 반전되어 전하가 이 영역에서 다시 흐르도록 허용되면, 축적된 전기장이 모든 단극성 커패시터의 방전과 마찬가지로 전자가 새로운 흐름 방향으로 다시 밀려나도록 돕는다. 이는 다시 에너지를 안테나 전류로 전달한다.

이러한 에너지 저장 및 반환 효과 때문에, 반응성 근거리장의 유도 또는 정전기 효과가 다른 (인근) 도체의 전자로 필드 에너지를 전달하면, 이 에너지는 기본 안테나로 손실된다. 이 경우, 반응성 근거리장 에너지가 반환되지 않아 송신기에 추가적인 부하가 발생한다. 이 효과는 송신기가 볼 때 안테나의 임피던스 변화로 나타난다.

근거리장의 반응성 성분은 이 영역에서 측정을 시도할 때 모호하거나 불확실한 결과를 줄 수 있다. 다른 영역에서는 전력 밀도가 안테나로부터의 거리의 제곱에 반비례한다. 그러나 안테나에 매우 가까운 근접 영역에서는, 안테나를 향한 거리가 약간만 감소해도 에너지 수준이 급격히 상승할 수 있다. 이 에너지는 관련된 높은 전력 때문에 인체와 측정 장비 모두에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.^[4]

5. 2. 방사성 근거리장 특성

방사성 근접장(때로는 '''프레넬 영역'''이라고도 함)은 소스 안테나로부터 반응성 전계 성분을 포함하지 않는다. 이 영역에서는 전계의 역결합이 안테나 신호와 위상이 어긋나 안테나 전류나 전하로부터 유도성 또는 용량성 에너지를 효율적으로 반환할 수 없을 정도로 안테나로부터 충분히 멀리 떨어져 있다.^[4] 따라서 방사성 근접장의 에너지는 모두 복사에너지이지만, 자기 및 전기 성분의 혼합은 여전히 원거리장과 다르다. 방사성 근접장으로 더 멀리(소스에서 반 파장~1파장) 이동하면 E와 H 전계 관계는 더 예측 가능해지지만, E 대 H 관계는 여전히 복잡하다. 그러나 방사성 근접장은 여전히 근접장의 일부이므로 예상치 못한 상황이 발생할 수 있다.

예를 들어, 강철 빔과 같은 금속 물체는 유도적으로 에너지를 수신한 다음 방사성 근접장의 일부를 "재방사"하여 고려해야 할 새로운 방사 표면을 형성함으로써 안테나 역할을 할 수 있다. 안테나 특성 및 주파수에 따라 이러한 결합은 훨씬 더 먼 원거리장의 단순한 안테나 수신보다 훨씬 더 효율적일 수 있으므로, 이 영역에서 2차 "안테나"로 더 많은 전력이 전달될 수 있다. 따라서 2차 방사 안테나 표면이 활성화되면 자체 근접장 영역을 생성하지만, 동일한 조건이 해당 영역에도 적용된다.^[4]

6. 임피던스

원거리장에서 자유 공간 임피던스는 저항성이며 약 377Ω이다.

근거리장에서는 안테나 종류에 따라 임피던스가 달라진다. 전기적으로 작은 코일 안테나는 낮은 유도성 임피던스를 가지며, 전기적으로 짧은 막대 안테나는 높은 용량성 임피던스를 갖는다.

전기적으로 작은 코일 안테나의 근거리장 영역의 전자기장은 주로 자기적이다. 값이 작을 때 자기 루프의 임피던스는 낮고 유도성이며, 단거리에서 다음 값에 근접한다.

:

|Z_\mathsf{W}| \approx \pi^2\,240\ \mathsf{\Omega}\,\frac{r}{\,\lambda\,} \approx 2\,370\ \mathsf{\Omega}\,\frac{r}{\,\lambda\,} ~.

전기적으로 짧은 막대 안테나의 근거리장 영역의 전자기장은 주로 전기적이다. 값이 작을 때 임피던스는 높고 용량성이며, 단거리에서 다음 값에 근접한다.

:

|Z_\mathsf{W}| \approx 60\ \mathsf{\Omega} \, \frac{\,\lambda\,}{r} ~.

두 경우 모두, 파동 임피던스는 거리가 원거리장에 가까워짐에 따라 자유 공간의 임피던스로 수렴한다.

참조

_[1] 서적 Antenna Theory: Analysis and Design
_[2] 서적 Wireless Communications Principles and Practice Prentice-Hall
_[3] 서적 Acoustic Waves: Devices, imaging, and analog signal processing Prentice Hall
_[4] 웹사이트 Electromagnetic Radiation and How It Affects Your Instruments. Near field vs. Far field. https://www.osha.gov[...] U.S. Dept of Labor 1990-05-20
_[5] 서적 Classical Electrodynamics Wiley: New York
_[6] 웹사이트 EMC of Telecommunication Lines http://www.dannex.se[...]
_[7] 문서 한국천문학회 편 천문학용어집 247쪽 우단 11째줄

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