【题目编号】MC1-0786
【题目】在电磁场理论中,“强度与距辐射源的距离的平方成反比”的说法适用于:
【答案】A
[A]相距辐射源 10 倍及以上波长的“远区场”
[B]相距辐射源一定距离内的“远区场”
[C]辐射源周围空间中的任意点
[D]LF 至 UHF 的频率范围
考点速览
这道题考"电磁场强度与距离平方成反比"这条反平方定律(inverse-square law)的适用条件。正确答案是 A:它只在相距辐射源 10 倍及以上波长的远区场(far field,Fraunhofer 区)里成立。近区场里场随距离的衰减规律完全不同,不能用反平方律,这是理解天线测量、链路预算的基础。
原理与依据
辐射源周围的空间按距离可分为近区场与远区场。远区场又称夫琅禾费区(Fraunhofer region),在这个区域里,电磁波已经形成稳定的平面波前,电场与磁场同相、比值固定(自由空间约 377 Ω),能流密度(坡印廷矢量,Poynting vector)沿径向向外传播。
反平方定律说的是:一个各向同性辐射源的功率均匀分布在以源为球心的球面上,球面面积随半径平方增长,因此单位面积上的功率密度(W/m²)随距离平方反比下降,即 S ∝ 1/r²。电场强度 E 与功率密度的平方根成正比(S = E²/Z₀),所以 E ∝ 1/r,场强随距离一次方反比、功率随距离二次方反比。这条规律只有在远区场、波前已充分展开时才成立。
工程上把远区场的起点约定为 10 倍波长,更严格的判据是 2D²/λ(D 为天线最大尺寸,λ 为波长);对电小尺寸天线,10λ 是常用简化。在近区场,场分量里含有随 1/r³、1/r² 高次衰减的感应场成分,反平方律不再适用,场结构复杂且与源的具体分布有关。近区场还可以再细分为无功近区场与辐射近区场,前者紧贴源、能量以源为中心反复吞吐,后者是向远区过渡的地带。
逐项辨析
正确选项是"相距辐射源 10 倍及以上波长的远区场"。它同时点明了两个要件:一是"远区场",二是距离量级"10 倍及以上波长"。反平方律恰恰在这个范围内成立。
"相距辐射源一定距离内的远区场"错在含糊。"一定距离内"没有给出距离与波长的量化关系,而远区场是有明确距离门槛的,笼统说"一定距离内"既可能涵盖近区,也没说清门槛,不能作为反平方律的成立条件。
"辐射源周围空间中的任意点"错得最明显。近区场(含感应场)里场强不按 1/r² 衰减,说"任意点"直接越界,把只属于远区的规律推广到了全空间。
"LF 至 UHF 的频率范围"把适用条件说成了频率范围,方向完全错了。反平方律的成立与否取决于距离与波长的相对关系(即是否进入远区),跟具体落在哪个频段无关。低频波长长,进入远区所需的绝对距离也远;高频波长短,10λ 的距离就近,但判据始终是"10 倍及以上波长"这个相对量,不是某个固定频段。
易混淆点
远区场与近区场是本题的核心对立面。近区场(reactive near field)里能量以源为中心反复吞吐,电场与磁场存在相位差,场强随距离高次幂衰减,不能简单套反平方律;远区场里能量真正向外辐射,E、H 同相且随 1/r 衰减(功率随 1/r²)。判断口径很简单:离源 10λ 以上才谈"辐射场、反平方律",10λ 以内要按近场处理。
还要分清"场强 E 与距离关系"和"功率密度与距离关系"。E ∝ 1/r,功率密度 ∝ 1/r²,两者别记反。题目里的"强度"若指功率密度就是平方反比,若指场强就是一次方反比,但本题问的是"平方反比"这一表述的适用空间,对应的是功率密度的远场规律。反平方律与弗里斯传输公式是同一个物理事实的两种写法。
应试要点
反平方律只在远区场成立,远区场起点 ≈ 10λ。记一句判据:离源 10 倍波长之外,场强随距离一次方反比、功率随距离平方反比。本题选 A。