基于射频识别物联网电磁场原理的研究

刘秉安

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

无线通信传输的基础是电磁场。无线射频识别技术属于无线通信传输技术之一，其信息交互的媒介自然也离不开电磁场。要深入挖掘射频识别技术的潜能，要解决射频识别系统在实际应用中遇到的困难与阻碍，首先必须了解和透析射频识别技术的电磁场本质。电磁场是无形无色的，但却是物质地存在于人类生活的空间。早在1864年英国科学家麦克斯韦（J..GMxawell，1831-1879）集以往电磁学的实验和理论之大成建立了电磁学的完整理论一麦克斯韦方程，从理论上预言了电磁波的存在，并在1887年被赫兹所证实。该方程被认为是电磁学之经典理论基础。由该方程所导出的一些关于电磁场的基本关系及相关结论是求解电磁学问题的理论[1]。

式（1）是全电流定律，式（2）是电磁感应定律，式（3）是磁通连续性原理，式（4）是高斯通量定理[2]。

在自由空间，本构关系为在静止、线性各同向性媒质中本构 关系为其 中 ，为电场作用下导电媒质中的传导电流，和为局外场及其产生的相应电流，局外场是指既非库仑电场又非感应电场的等效电场。和 ρ为产生电磁场和的源，通常→和 ρ之间的关系为:

1 电磁场基本关系

无线通信中，信息通过电磁波进行传输，交变的电场产生磁场，交变的磁场产生电场，麦克斯韦方程描述了空间每一点上每个时刻的电场和磁场情况。交变的电磁场用矢量方程微分形式或积分形式来表示时，可以得到以下的关系:同性的物质电磁性质方程，而对线性各向异性和非线性介质不讨论。己知麦克斯韦方程组的微分形式

式（5）为电流连续方程[3]。

2 能量传输关系

式（6）表示的密度应是空间位置和时间的函数，因此时变场的能量也必定伴随着场量的波动而在空间运动和转移，这种运动和转移必须遵守能量守恒定律。在没有外源的线性各向同性媒质中，设媒质的电导率为σ，则坡印亭定理表示如下:

等号左边是单位时间里V体积内电磁场减少的储能；右边第一项是单位时间里用于维持传导电流j而转换为焦耳热的能量，而第二项的单位是 W （瓦特），表示单位时间里穿出表面S的能量。其中是S面上的功率面密度，即坡印亭矢量，也称为能流密度矢量[4]。

3 天线场强模型

3.1 电流元模型

实际应用中的天线，一般可认为是由若干电流元或磁流元所构成。所谓电流元，是长度dl≤λ，并载有高频电流i（t）=Icosωt=Re「Iejωt」的一段导体，以 Idl标记。 设电流元如图 1所示。

图1 电流元模型Fig.1 Current metamodel

由于电流元分布的轴对称性，其周围空间的电磁场分布也应该是轴对称的，即与φ无关。可得电流元的电磁场在球坐标下的分量表示如下：

图2 电流元周围空间的电磁场分布Fig.2 Current space distribution of electromagnetic field around the yuan

1）近场（感应场）区

当距离很近而满βr《1时，电磁场主要由r-2和r-3项决定，e-jβr≈1，从而得到

结论1：近场区的近似表达:

由于电场与磁场的相位相差90°，这代表电磁能流的坡印亭矢量是纯虚数，没有能流向外，该区域能量的振荡占了绝对优势。这种似稳场又称为感应场，故近场区又称为感应场区[6]。

2）远场（辐射场）区

当βr》1时，电流元的场主要由r-1项决定，这种似稳场又称为感应场，从而得远场区的近似表达:

结论:2：

由（11）可得出远场区的几个重要特性:第一远场区只有Eθ和Hφ，两个分量，两者在空间上互相垂直，在时间上同相位，并与激发场的电流有的相位差。因此代表能流的坡印亭矢量为实数，并指向尸方向。这说明远区内沿矢径方向传播的电磁波占了绝对优势，电磁场沿矢径方向向外传播且不再返回，即是电磁辐射。这种场称为辐射场，该场区称为辐射场区。不同频段的射频识别系统采用不同的电磁场通信机制。目前射频识别系统采用的典型频率有13.56 MHz（HF频段）和915 MHZ（UHF频段）附近，分别工作于近场和远场模式。HF射频识别系统工作模式为近场，采用磁场祸合的方式进行通信；UHF射频识别系统工作模式为远场[7]。

2）环形天线模型

环形天线的边长为a，环的中心位于坐标的原点，环面在x-y平面。坐标方向如图3所示。图中p（x，y，z）为观察点，用球坐标表示为 P（r，θ，φ），而天线上的源点表示为[8]P′（r′，θ′，φ′）。

图3 直角坐标下的环形天线Fig.3 Circular antenna in the cartesian coordinates

环中电流为I，电流方向为沿环逆时针方向。矢量位可写为：

柱坐标分量与直角坐标分量的转换关系：

经过变换并进行简化计算可得到一个有用结论

4 结 论

通过分析和推到我们得到以下有用结论，对于直线近场（感应场）电磁辐射关系和直线远场（辐射场）区得到电磁辐射关系、对于环形辐射得到的电磁辐射关系，在不同场合可用不同的近似表达进行计算，对于准确估算电磁辐射量，对物联网具体的技术应用有一定的借鉴作用。

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