Nahfeld und Fernfeld - Warum sich Funk mit der Entfernung verändert

Die Physik hinter dem Radio – Kapitel 2

Im ersten Kapitel haben wir die Idee der elektromagnetischen Welle verfolgt: von Faradays Feldlinien über Maxwells Theorie bis zu Hertz’ Laborversuchen. Diese Geschichte gab uns das zentrale Bild: Funk ist kein Schall in der Luft, und er ist auch kein geheimnisvolles Signal, das ohne Struktur durch den leeren Raum reist. Funk ist ein elektromagnetisches Feld, das sich zeitlich ändert und sich durch den Raum ausbreitet.

Aber dieses Bild verbirgt noch eine wichtige Frage.

Wann wird ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld eigentlich zu einer frei laufenden Radiowelle?

Das klingt zunächst wie ein Detail für Antenneningenieure, ist aber eine der wichtigsten Unterscheidungen in der gesamten Funkphysik. Sehr nahe an einer Quelle — einem kurzen Dipol, einer Schleifenantenne, einer Transformatorwicklung, einer Leiterbahn, einer Ladespule oder sogar einer Hand nahe an einer Antenne — können elektrische und magnetische Felder noch stark an die Quelle gebunden sein, die sie erzeugt hat. Sie können Energie lokal speichern, sie im nächsten Teil der Schwingung wieder zurückgeben und sehr empfindlich auf nahe Objekte reagieren.

Weiter entfernt geht diese komplizierte lokale Struktur allmählich in eine einfachere laufende Welle über. In diesem Bereich sind elektrisches und magnetisches Feld fest miteinander gekoppelt, ihr Verhältnis nähert sich dem Wellenwiderstand des freien Raumes an, und Energie fließt als Strahlung nach außen [1], [9].

Das ist die Unterscheidung zwischen Nahfeld und Fernfeld.

Das Nahfeld ist nicht „fast Funk“. Das Fernfeld ist nicht „stärkerer Funk“. Es sind unterschiedliche Bereiche desselben Maxwell-Feldes. Der Unterschied ist keine Frage der Wortwahl, sondern der Physik: lokale Feldenergie und Kopplung auf der einen Seite, frei laufende Strahlung auf der anderen.

Und es gibt eine sehr praktische Art, diesen Unterschied zu verstehen:

Im Nahfeld kann ein nahegelegenes Objekt Teil des elektromagnetischen Systems des Senders werden.

Im Fernfeld ist ein Empfänger normalerweise nur ein Zuhörer.

Deshalb kann eine Hand nahe an einer kleinen Antenne einen Sender verstimmen, während es einem Rundfunksender praktisch egal ist, ob ein Radioempfänger oder eine Million Radioempfänger eingeschaltet sind.

Die drei Bereiche um eine Antenne

In der Alltagssprache sprechen wir oft vom „Nahfeld“ und vom „Fernfeld“, als gäbe es eine einzige klare Grenze zwischen beiden. In der Praxis teilt die Antennentheorie den Raum um eine strahlende Struktur meist in drei Bereiche ein:

• das reaktive Nahfeld,
• das strahlende Nahfeld, auch Fresnel-Bereich genannt,
• das Fernfeld, auch Fraunhofer-Bereich genannt [2], [6], [7].

Das reaktive Nahfeld ist der Bereich direkt an der Quelle. Hier werden die Felder stark von der Geometrie der Antenne, der Stromverteilung, nahegelegenen Leitern, dielektrischen Materialien, dem menschlichen Körper, dem Gerätegehäuse und sogar vom Speisekabel beeinflusst. Ein großer Teil der Energie wird noch nicht dauerhaft fortgetragen. Stattdessen wird sie während eines Teils der Schwingung elektrisch oder magnetisch gespeichert und anschließend wieder zur Quelle zurückgegeben.

Deshalb kann eine kleine Änderung nahe an einer Antenne eine große Wirkung haben. Eine Hand, eine Metallplatte, eine nahe Spule oder eine Messsonde „beobachtet“ das Feld nicht nur. Sie kann das lokale Feld verändern, die vom Sender gesehene Impedanz verschieben und das System verstimmen.

Das strahlende Nahfeld ist bereits wellenartiger, aber noch nicht das saubere Fernfeldbild, das in einfachen Funkstreckenberechnungen verwendet wird. Strahlung ist vorhanden, aber die Wellenfront ist noch gekrümmt, und das Feldmuster ändert sich noch mit der Entfernung. Das ist der Fresnel-Bereich.

Das Fernfeld ist der Bereich, in dem der Strahlungsterm dominiert. Die lokalen elektrischen und magnetischen Felder stehen quer zur Ausbreitungsrichtung, sind im Wesentlichen in Phase, und ihr Verhältnis nähert sich dem Wellenwiderstand des Mediums. Im freien Raum beträgt dieser Wert näherungsweise:

Z0 = E / H ≈ 376,73 Ω

Das ist kein versteckter Widerstand im Raum. Es ist das Verhältnis zwischen elektrischer Feldstärke und magnetischer Feldstärke für eine frei laufende elektromagnetische Welle im Vakuum [9]. Sobald sich dieses Verhältnis eingestellt hat, verhält sich das Feld lokal wie eine laufende Radiowelle.

Für elektrisch kleine Antennen legt eine gebräuchliche praktische Faustregel die Grenze des reaktiven Nahfeldes ungefähr bei:

r ≈ λ / 2π

Hier ist λ die Wellenlänge. Diese Faustregel ist sehr nützlich, aber kein universelles Naturgesetz [1], [2]. Sie passt am besten für kleine Strahler.

Bei großen Antennen, Reflektoren, Hörnern, langen Yagis und Phased Arrays wird die physische Aperturgröße ebenso wichtig wie die Wellenlänge. Ein gebräuchliches Fernfeldkriterium für große Aperturen ist die Fraunhofer-Distanz:

r ≳ 2D² / λ

Hier ist D die größte Abmessung der Antennenapertur [7]. Das erklärt, warum das Fernfeld einer großen Radarantenne, einer Schüsselantenne oder eines Phased Arrays viel weiter entfernt beginnen kann, als es die einfache λ/2π-Regel vermuten ließe.

Dieser Punkt ist in der praktischen Funktechnik wichtig. Eine kleine Handfunkantenne im VHF-Bereich und eine große Mikrowellenschüssel arbeiten auf sehr unterschiedlichen Skalen, folgen aber derselben Feldphysik. Die Frage lautet nicht einfach: „Wie viele Meter bin ich entfernt?“ Die eigentliche Frage lautet: Wie groß ist die Quelle im Vergleich zur Wellenlänge, und welche Näherung möchte ich verwenden?

Warum sich das Feld mit der Entfernung verändert

Die Unterscheidung zwischen Nahfeld und Fernfeld wird klarer, wenn man betrachtet, wie verschiedene Anteile des elektromagnetischen Feldes mit der Entfernung abnehmen.

Für lokalisierte, zeitlich veränderliche Quellen kann das Feld qualitativ durch Terme beschrieben werden, die mit der Entfernung etwa so abfallen:

1/r³, 1/r² und 1/r

Der 1/r³-Term ist mit quasistatischem Nahfeldverhalten verbunden. Er hängt eng mit lokaler elektrischer oder magnetischer Energiespeicherung zusammen. Der 1/r²-Term wird oft als Induktions- oder Übergangsterm interpretiert. Der 1/r-Term ist der Strahlungsterm. Weil 1/r langsamer abnimmt als 1/r² oder 1/r³, dominiert er schließlich in großer Entfernung. Deshalb wird das Fernfeld von Strahlung bestimmt [3].

Das erklärt auch eine bekannte Funktatsache. Im Fernfeld fällt die Feldamplitude näherungsweise mit 1/r, während die Leistungsdichte näherungsweise mit 1/r² abnimmt. Die Leistung verteilt sich über die Oberfläche einer wachsenden Kugel. Verdoppelt man die Entfernung, verteilt sich dieselbe Sendeleistung über die vierfache Fläche.

Nahe an der Quelle ist das Bild jedoch nicht so einfach. Die starken 1/r³- und 1/r²-Terme können dominieren. Ihre Anwesenheit bedeutet, dass nahe Objekte stark mit der Quelle wechselwirken können. Eine Hand nahe an einer tragbaren Funkantenne, ein Metallgehäuse um einen Sender, eine nahe PCB-Massefläche oder eine Spule in der Nähe einer anderen Spule können alle das lokale Feld verändern und damit auch das Verhalten der Quelle selbst.

Das ist die praktische Bedeutung des reaktiven Nahfeldes: Die Quelle und ihre Umgebung können noch elektromagnetisch aufeinander zurückwirken.

Energie, die geht — und Energie, die zurückkommt

Der Poynting-Vektor beschreibt den Fluss elektromagnetischer Energie. Für reale, zeitabhängige Felder lautet seine momentane Form:

S = E × H

Er zeigt in die Richtung, in der elektromagnetische Energie fließt. Diese Idee wird im nächsten Kapitel zentral werden, wenn wir genauer betrachten, wo die Energie in Leitungen und Übertragungsleitungen tatsächlich fließt. Aber schon hier hilft sie uns.

Im Fernfeld ist der zeitlich gemittelte Poynting-Vektor hauptsächlich radial und nach außen gerichtet. Energie verlässt die Antenne und breitet sich weiter als Strahlung im Raum aus. Das ist der Bereich normaler Funkkommunikation: Ein Sender speist Leistung in das Feld ein, und ein entfernter Empfänger fängt einen winzigen Teil davon auf [11], [22].

Im reaktiven Nahfeld kann der momentane Energiefluss groß sein, aber die zeitlich gemittelte nach außen laufende Leistung klein. Energie kann zwischen Quelle und umgebendem Feld hin- und herschwingen. In der Schaltungssprache würden wir dieses Verhalten „reaktiv“ nennen. In der Feldsprache bedeutet es, dass die elektrische und magnetische Energiespeicherung nahe an der Quelle nicht einfach dasselbe ist wie abgestrahlte Leistung [4], [11].

Deshalb bedeuten hohe Feldstärken nahe an einer Spule, einem Resonator oder einer kleinen Antenne nicht automatisch effiziente Strahlung. Ein Transformator kann starke magnetische Felder besitzen und große Leistung auf eine Sekundärwicklung übertragen, während er dennoch so konstruiert ist, dass er nicht nennenswert strahlt. Ein Nahfeld-Kommunikationsgerät kann über wenige Zentimeter Daten austauschen, ohne wie ein kleiner Rundfunksender zu wirken. Ein drahtloses Ladegerät kann über einen kleinen Luftspalt nutzbare Leistung übertragen und Fernfeldstrahlung dabei vor allem als unerwünschten Verlust behandeln [12], [14], [15].

Das Nahfeld ist daher kein misslungenes Fernfeld. Es ist ein nützlicher physikalischer Bereich mit eigener Bedeutung.

Wenn der Empfänger Teil des Systems ist

Damit lässt sich der Unterschied zwischen Nahfeldkopplung und Fernfeldempfang sehr anschaulich verstehen.

Im reaktiven Nahfeld kann ein nahegelegenes Objekt Teil des elektromagnetischen Systems des Senders werden. Eine Empfangsspule, eine Hand, ein Metallgehäuse oder eine andere Antenne kann das lokale Feld verändern, die Antennenimpedanz verschieben und die Quelle sogar verstimmen. Das Feld hat sich noch nicht vollständig von der Struktur gelöst, die es erzeugt hat.

Ein Transformator ist das offensichtlichste Beispiel. Die Sekundärwicklung „empfängt“ nicht einfach eine Welle. Sie ist magnetisch mit der Primärwicklung gekoppelt. Ändert sich die Last auf der Sekundärseite, sieht die Primärseite diese Änderung. Der Empfänger wird Teil des gekoppelten elektromagnetischen Systems [12].

Dasselbe gilt, in etwas lockerer Form, für NFC, RFID und induktives Laden. Die Lesespule und die Tag- oder Empfängerspule sind nahe genug beieinander, dass sich ihre Felder stark überlappen. Energie kann effizient übertragen werden, weil die beiden Systeme über das Nahfeld gekoppelt sind [14], [15].

Im Fernfeld ist die Situation anders. Der Sender hat die Energie bereits in eine frei laufende Welle eingespeist. Ein Empfänger kann einen winzigen Teil dieser Welle absorbieren, verhält sich aber normalerweise nicht wie eine zusätzliche Last, die auf den Sender zurückgekoppelt ist. Deshalb ist es einem Rundfunksender praktisch egal, ob ein Radioempfänger oder eine Million Radioempfänger zuhören. Die Empfänger entnehmen Energie aus dem bereits abgestrahlten Feld; sie ziehen nicht nennenswert Energie durch den Sender zurück.

Natürlich ist das keine absolute Regel. Ein großer Reflektor, ein Flugzeug, eine Wand oder eine große absorbierende Struktur im Fernfeld kann Energie zum Sender zurückstreuen oder zurückreflektieren. Radar beruht genau auf solcher zurückkehrender Strahlung. Aber das ist eine verzögerte Wellenwechselwirkung. Das reflektierte Feld muss zum Sender zurücklaufen. Es ist nicht die unmittelbare Quelle-Feld-Kopplung, die das reaktive Nahfeld kennzeichnet.

Eine nützliche Kurzfassung lautet:

Im Nahfeld kann ein Empfänger Teil der Senderlast sein. Im Fernfeld ist ein Empfänger normalerweise nur ein Zuhörer für Energie, die bereits entkommen ist.

Dieser Satz fasst einen großen Teil der Physik zusammen.

Elektrisches Nahfeld und magnetisches Nahfeld

Ein häufiges Missverständnis lautet: Nahfeld bedeutet magnetisches Feld, Fernfeld bedeutet elektromagnetische Welle. Das ist zu einfach.

Der Charakter des Nahfeldes hängt stark von der Quelle ab.

Ein kurzer elektrischer Dipol ist das klassische Beispiel für ein elektrisch dominiertes Nahfeld. An den Enden des Leiters sammeln sich Ladungen, und das nahe Feld hängt stark mit dieser zeitlich veränderlichen Ladungstrennung zusammen. Im Nahfeld ist das Verhältnis E/H hoch. Das Feld verhält sich weitgehend kapazitiv.

Eine kleine Schleife ist der Gegenpol dazu. Ihr Strom umläuft eine Fläche und erzeugt einen starken lokalen magnetischen Fluss. Das nahe Feld ist daher magnetisch dominiert. Im Nahfeld ist das Verhältnis E/H niedrig. Das Feld verhält sich weitgehend induktiv [1], [10].

Für einen kurzen elektrischen Dipol wird die Nahfeld-Wellenimpedanz oft näherungsweise proportional beschrieben durch:

E/H ≈ 60 λ/r Ω

Für eine kleine magnetische Schleife ist das entsprechende Nahfeldverhalten ungefähr:

E/H ≈ 2370 r/λ Ω

Diese Ausdrücke sollten nicht als universelle Antennengesetze für jede Geometrie gelesen werden. Ihr Zweck ist es, den Trend zu zeigen. Der elektrisch kurze Dipol hat eine hohe Nahfeldimpedanz; die kleine Schleife hat eine niedrige Nahfeldimpedanz. Mit zunehmender Entfernung nähern sich beide dem Freiraumwert von etwa 377 Ω an [1], [9].

Das ist ein schönes Ergebnis. Im Fernfeld verschwindet die anfängliche Asymmetrie weitgehend. Ob die Antenne als elektrischer Dipol oder als magnetische Schleife begann: Die abgestrahlte Welle wird schließlich zu einer elektromagnetischen Welle mit fest gekoppeltem elektrischem und magnetischem Feld.

Die Quelle bleibt für Strahlungsdiagramm, Wirkungsgrad und Polarisation wichtig. Aber lokal ist die Welle im Fernfeld nicht mehr „hauptsächlich elektrisch“ oder „hauptsächlich magnetisch“. Sie ist beides.

Niedrige Frequenz bedeutet nicht automatisch magnetisches Feld

Eine weitere verbreitete Abkürzung lautet: „Bei niedrigen Frequenzen dominiert das magnetische Feld.“

Das ist im Allgemeinen nicht richtig.

Richtig ist: Niedrige Frequenz bedeutet lange Wellenlänge. Eine längere Wellenlänge macht den Bereich r ≲ λ/2π in Metern größer. Bei 100 kHz beträgt die Wellenlänge etwa 3 km, und λ/2π liegt ungefähr bei 477 m. Bei 2,4 GHz beträgt die Wellenlänge etwa 12,5 cm, und λ/2π liegt nur bei ungefähr 2 cm.

Niedrige Frequenz macht quasistatisches Denken also oft über größere Entfernungen nützlich. Aber sie entscheidet nicht, ob das Nahfeld hauptsächlich elektrisch oder magnetisch ist. Das hängt vor allem von der Geometrie der Quelle ab. Eine kleine elektrische Struktur bleibt in ihrem Nahfeld elektrisch dominiert. Eine kleine Schleife bleibt in ihrem Nahfeld magnetisch dominiert, solange sie klein gegenüber der Wellenlänge ist [1].

Die Frequenz setzt die Skala. Die Quelle setzt den Charakter.

Die Tabelle verwendet:

λ = c / f

mit:

c = 299.792.458 m/s

als definierter Lichtgeschwindigkeit im Vakuum [20].

Die praktische Lehre ist einfach: Das Nahfeld verschwindet bei hoher Frequenz nicht, und es wird bei niedriger Frequenz nicht automatisch magnetisch. Es ändert seine Skala.

Transformatoren, Motoren, NFC und drahtloses Laden

Der Transformator ist die klarste Alltagserinnerung daran, dass elektromagnetische Energieübertragung nicht automatisch Fernfeld-Funk bedeutet. Ein zeitlich veränderlicher Strom in der Primärwicklung erzeugt einen zeitlich veränderlichen magnetischen Fluss, der meist durch einen Eisen- oder Ferritkern geführt wird. Dieser Fluss verknüpft die Sekundärwicklung und induziert dort eine Spannung. Die Sekundärwicklung „empfängt“ nicht einfach eine Welle; sie ist Teil eines gekoppelten Nahfeldsystems [12].

Dieselbe Ideenfamilie erscheint in Induktionsmotoren, NFC, HF-RFID und drahtlosen Ladegeräten [13], [14], [15]. NFC arbeitet bei 13,56 MHz, wo die Wellenlänge etwa 22 m und λ/2π etwa 3,5 m beträgt. Ein Telefon und eine kontaktlose Karte, die nur wenige Zentimeter voneinander entfernt sind, befinden sich daher tief im reaktiven Nahfeld. Auch ein Qi-Ladegerät nutzt nahe magnetische Kopplung zwischen Spulen, oft mit Resonanz, statt Fernfeldstrahlung als nützlichen Kanal zu verwenden [14], [15].

Dieses Kapitel braucht nur die Unterscheidung: Nahfeldsysteme koppeln lokal und können einander belasten; Fernfeld-Funk speist Energie in eine Welle ein, die sich dann unabhängig ausbreitet. Kapitel 6 wird auf Transformatoren, Motoren, NFC und drahtloses Laden genauer zurückkommen und erklären, warum solche Systeme Energie effizient übertragen können, während sie kaum strahlen.

Antennen, Aperturen und das Problem „weit genug“

Kleine Antennen machen die Geschichte von Nahfeld und Fernfeld leicht zugänglich. Große Antennen machen sie interessanter.

Ein kurzer Dipol oder eine kleine Schleife lässt sich oft mit der λ/2π-Regel für das reaktive Nahfeld diskutieren. Große Antennen haben jedoch ein zusätzliches Problem: Die Wellenfront muss über die gesamte Apertur hinweg ausreichend eben werden. Wenn eine Antenne eine große physische Abmessung D hat, haben verschiedene Teile der Apertur leicht unterschiedliche Weglängen zum Beobachtungspunkt. Diese Weglängenunterschiede erzeugen Phasenunterschiede. Erst wenn diese Phasenfehler klein genug werden, ist die Fernfeldnäherung gültig [7].

Deshalb enthält die Fraunhofer-Distanz D²:

r ≳ 2D² / λ

Das ist nicht nur theoretische Buchhaltung. Es betrifft Antennenmessungen. Wenn eine große Schüssel, ein Horn, eine Radarantenne oder ein Phased Array im echten Fernfeld gemessen werden soll, kann die erforderliche Messstrecke unpraktisch lang werden. Daher messen Ingenieure das Feld oft viel näher an der Antenne auf einer Ebene, einem Zylinder oder einer Kugel und transformieren das gemessene Nahfeld anschließend mathematisch in ein Fernfeld-Strahlungsdiagramm. Das nennt man Nahfeld-Fernfeld-Transformation [6], [16].

Die moderne Kommunikationsforschung hat dieses Thema neu wichtig gemacht. Große Antennenarrays für Millimeterwellen, Sub-THz-Systeme und vorgeschlagene 6G-Systeme können in Wellenlängen so groß sein, dass Benutzer zwar viele Wellenlängen entfernt sind, aber dennoch nicht im klassischen Fernfeld des gesamten Arrays liegen. In solchen Systemen muss man die Wellenfront manchmal als kugelförmig statt eben behandeln, und Nahfeld-Beamforming wird zu einem echten Systemdesign-Thema statt zu einer Lehrbuchkuriosität [8], [21].

Funkamateure kennen eine einfachere Version derselben Lehre. Eine kleine Handfunkantenne, eine lange Yagi, ein Schüsselfeed und ein Parabolreflektor erreichen ihr Fernfeldverhalten nicht alle in derselben physischen Entfernung. Die Wellenlänge ist wichtig, aber die Antennengröße ebenfalls.

Übertragungsleitungen sollen nicht strahlen

Es gibt noch einen wichtigen Fall: Leitungen, die elektromagnetische Energie führen sollen, statt sie abzustrahlen.

Ein ideales Koaxialkabel schließt das elektromagnetische Feld hauptsächlich im dielektrischen Bereich zwischen Innenleiter und Innenseite des Schirms ein. Die Energie wird durch die Feldstruktur entlang des Kabels geführt. Außerhalb des Schirms löschen sich die Felder idealerweise aus. Eine symmetrische Zweidrahtleitung funktioniert anders, beruht aber ebenfalls auf Symmetrie: Gleiche und entgegengesetzte Ströme erzeugen Felder, die sich im Fernfeld weitgehend aufheben, wenn die Leitung gut symmetrisch ist [11].

Wenn diese Symmetrie gebrochen wird, kann die Leitung zu einer unerwünschten Antenne werden. Gleichtaktströme auf einem Koaxialkabel, abrupte Geometrieänderungen, schlechte Schirmung, schlechte Erdung oder unsymmetrische Übergänge können alle eine Speiseleitung zu einem Teil des Strahlers machen.

Deshalb ist Nahfelddenken auch in der EMV-Arbeit wesentlich. Ingenieure verwenden kleine E-Feld- und H-Feld-Sonden, um Leiterplatten, Kabel und integrierte Schaltungen in Millimeterabständen abzutasten. Sie versuchen dabei nicht, ein sauberes Fernfeld-Strahlungsdiagramm zu messen. Sie suchen nach lokalen Feldquellen, Kopplungspfaden und Hotspots [16].

Eine Nahfeldsonde ist fast das Gegenteil einer entfernten Empfangsantenne. Die entfernte Antenne fragt: „Welche Welle ist schließlich entkommen?“ Die Nahfeldsonde fragt: „Welches lokale Feld entsteht hier, bevor es zu einem Strahlungsproblem auf Systemebene wird?“

Exposition des Menschen und die Grenzen einfacher Leistungsdichte

Die Unterscheidung zwischen Nahfeld und Fernfeld ist auch für die Bewertung menschlicher Exposition wichtig.

Im Fernfeld ist es oft sinnvoll, mit Leistungsdichte im freien Raum zu rechnen. Die Welle ist lokal gut ausgebildet, E und H haben ein festes Verhältnis, und einfache Beziehungen können zur Abschätzung des Feldes verwendet werden.

In der Nähe eines am Körper getragenen oder in der Hand gehaltenen Senders kann diese Vereinfachung versagen. Der Körper ist nicht nur ein passives Objekt in einer ebenen Welle. Er kann mit dem lokalen Feld wechselwirken, Energie geometrieabhängig absorbieren und die Umgebung der Quelle verändern. Deshalb wird die spezifische Absorptionsrate, SAR, bei Geräten wichtig, die nahe am Körper verwendet werden [17].

Dieselbe Sendeleistung kann zu unterschiedlicher lokaler Absorption führen, abhängig von Antennenposition, Frequenz, Körpergeometrie und Feldverteilung. Das ist eine weitere Erinnerung daran, dass „nah“ und „fern“ nicht nur Entfernungen sind. Sie beschreiben, ob das Feld als frei laufende Welle behandelt werden kann oder ob die lokale Wechselwirkung zwischen Quelle, Feld und Objekt noch wesentlich ist.

Historische Wurzeln: Faraday, Maxwell und Hertz

Die Unterscheidung zwischen Nahfeld und Fernfeld ist eine spätere technische Verfeinerung, aber ihre Wurzeln reichen zurück zur Entstehung der Feldtheorie.

Michael Faraday schrieb nicht Maxwells Gleichungen, aber er veränderte die Art, wie Physiker elektrische und magnetische Wirkung dachten. Sein Feldlinienbild ersetzte die ältere Idee der unmittelbaren Fernwirkung durch die Vorstellung, dass im Raum um Ladungen, Ströme und Magnete etwas physikalisch Bedeutungsvolles existiert [5].

James Clerk Maxwell verwandelte diese Feldintuition in eine mathematische Theorie. In seiner Arbeit über physikalische Kraftlinien und in „A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field“ zeigte Maxwell, dass Elektrizität, Magnetismus und Licht zu einem einheitlichen Rahmen gehören. Seine Gleichungen sagten Wellen voraus, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Licht selbst wurde zu einem elektromagnetischen Phänomen [18].

Heinrich Hertz wies elektromagnetische Wellen anschließend experimentell nach. Seine Funkensender und Resonatoren zeigten Reflexion, Brechung, Interferenz und Polarisation — dieselben optikähnlichen Eigenschaften, die Maxwells Theorie erwarten ließ [19].

Aus heutiger Sicht sind Hertz’ Experimente besonders interessant, weil sie beide Welten enthalten. Nahe an seiner Apparatur gab es starke lokale Felder, Kopplung und Resonanz. Weiter entfernt gab es abgestrahlte Energie, die sich wie eine Welle verhielt. Die spätere Funktechnik machte daraus eine praktische Unterscheidung: Nahfeldkopplung auf der einen Seite, Fernfeldstrahlung auf der anderen.

Häufige Missverständnisse

Mehrere hartnäckige Missverständnisse lassen sich leichter korrigieren, sobald die Unterscheidung zwischen Nahfeld und Fernfeld klar ist.

Das erste lautet: „Jedes elektromagnetische Feld ist bereits eine Radiowelle.“
Nicht wirklich. Nahe an einer zeitlich veränderlichen Quelle können starke reaktive Feldanteile existieren, die man nicht als frei laufende Welle beschreiben sollte. Das Fernfeld ist der Bereich, in dem der Strahlungsterm dominiert [1], [3].

Das zweite lautet: „Bei niedriger Frequenz dominiert das magnetische Feld.“
Die Frequenz ändert die Wellenlänge und damit die physische Skala des Nahfeldes. Ob aber der elektrische oder magnetische Anteil dominiert, hängt hauptsächlich von der Quelle ab. Ein kurzer Dipol und eine kleine Schleife haben nicht dasselbe Nahfeld [1], [10].

Das dritte lautet: „Das Nahfeld endet bei einer exakt bestimmten Entfernung.“
Nein. Die üblichen Grenzen sind technische Kriterien. Sie hängen von Wellenlänge, Antennengröße, zulässigem Phasenfehler, Beobachtungswinkel und Anwendung ab. Die λ/2π-Regel ist für kleine Antennen nützlich; die Fraunhofer-Distanz ist für große Aperturen geeigneter [2], [7], [8], [21].

Das vierte lautet: „Drahtlose Energieübertragung und Funkkommunikation sind derselbe Mechanismus.“
Nur im weiten Sinn, dass beide elektromagnetisch sind. Induktives Laden und NFC verwenden lokale Nahfeldkopplung. Rundfunk, Satellitenverbindungen und normale Funkkommunikation verwenden Fernfeldstrahlung [14], [15].

Das fünfte lautet: „Im Fernfeld gibt es entweder ein elektrisches oder ein magnetisches Feld.“
Nein. Im Fernfeld sind beide untrennbare Teile der laufenden elektromagnetischen Welle. Sie stehen quer zur Ausbreitungsrichtung, sind in Phase und durch den Wellenwiderstand des Mediums miteinander verknüpft [9].

Das sechste lautet: „Ein Sender muss stärker arbeiten, wenn mehr Empfänger zuhören.“
Für normalen Fernfeld-Funkempfang: nein. Ein entfernter Empfänger absorbiert nur einen winzigen Teil einer bereits abgestrahlten Welle. Zusätzliche normale Empfänger ändern die Last des Senders nicht nennenswert. Das ist ganz anders als im Nahfeld, wo eine nahe Spule, Antenne oder ein nahegelegenes Objekt in die Quelle zurückkoppeln und ihre Impedanz verändern kann [1], [11], [12].

Warum das für Funk wichtig ist

Funktechnik lebt vom kontrollierten Übergang zwischen lokalen Feldern und abgestrahlten Wellen.

Ein Transformator versucht, Energie in einem lokalen magnetischen Kopplungspfad zu halten. Ein Koaxialkabel versucht, das Feld zu führen, ohne es entweichen zu lassen. Eine Antenne ist für das Gegenteil konstruiert: Sie wandelt geführte oder lokalisierte elektromagnetische Energie in Strahlung um. Eine Nahfeldsonde tastet absichtlich das unordentliche lokale Feld ab, bevor daraus ein sauberes Fernfeldmuster wird. Eine Fernfeld-Antennenmessung versucht, die endgültige abgestrahlte Welle zu beobachten, nachdem die lokalen Komplikationen abgeklungen sind.

Deshalb sind Antennen subtile Geräte. Sie sind keine magischen Metallstäbe, die „Elektronen in den Raum werfen“. Sie sind Strukturen, die elektrische und magnetische Felder so formen, dass ein Teil der Energie nicht mehr zur Quelle zurückkehrt, sondern sich als Strahlung nach außen fortsetzt.

Im Nahfeld bleibt die Quelle eng beteiligt. Ein Empfänger, eine Hand, eine Metallplatte oder ein nahegelegener Resonator kann Teil desselben gekoppelten Systems werden.

Im Fernfeld ist die Welle unabhängig genug geworden, um zu reisen. Sie fragt nicht mehr, ob jemand zuhört.

Das ist die stille Grenze im Herzen des Funks.

Quellen und weiterführende Literatur

[1] Near and far field
https://en.wikipedia.org/wiki/Near_and_far_field

[2] Nahfeld und Fernfeld (Antennen)
https://de.wikipedia.org/wiki/Nahfeld_und_Fernfeld_(Antennen)

[3] Jefimenko’s equations
https://en.wikipedia.org/wiki/Jefimenko%27s_equations

[4] Evanescent field
https://en.wikipedia.org/wiki/Evanescent_field

[5] Michael Faraday
https://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Faraday

[6] Antenna measurement
https://en.wikipedia.org/wiki/Antenna_measurement

[7] Fraunhofer distance
https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_distance

[8] Emil Björnson, Özlem Tuğfe Demir, Luca Sanguinetti, “A Primer on Near-Field Beamforming for Arrays and Reconfigurable Intelligent Surfaces”
https://arxiv.org/abs/2110.06661

[9] Wellenwiderstand des Vakuums
https://de.wikipedia.org/wiki/Wellenwiderstand_des_Vakuums

[10] Loop antenna
https://en.wikipedia.org/wiki/Loop_antenna

[11] Poynting vector
https://en.wikipedia.org/wiki/Poynting_vector

[12] Transformer
https://en.wikipedia.org/wiki/Transformer

[13] Induction motor
https://en.wikipedia.org/wiki/Induction_motor

[14] Near-field communication
https://en.wikipedia.org/wiki/Near-field_communication

[15] Qi standard
https://en.wikipedia.org/wiki/Qi_(standard)

[16] Near-field scanner
https://en.wikipedia.org/wiki/Near-field_scanner

[17] Specific absorption rate
https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_absorption_rate

[18] A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field
https://en.wikipedia.org/wiki/A_Dynamical_Theory_of_the_Electromagnetic_Field

[19] Heinrich Hertz
https://en.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Hertz

[20] CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2022
https://arxiv.org/abs/2409.03787

[21] Mehdi Monemi et al., “A Study on Characterization of Near-Field Sub-Regions For Phased-Array Antennas”
https://arxiv.org/abs/2411.02425

[22] J. David Jackson, “How an antenna launches its input power into radiation: the pattern of the Poynting vector at and near an antenna”
https://arxiv.org/abs/physics/0506053