Как радиоволна переносит энергию

Передатчик расходует электрическую энергию, а приёмная антенна получает её без проводника между станциями. Энергия проходит через пространство в электромагнитном поле радиоволны.

В дальней от антенны области электрическое поле $\vec E$ и магнитное поле $\vec H$ перпендикулярны друг другу. Поток энергии направлен поперёк обоих полей. Его направление и величину описывает вектор Пойнтинга (нем. Poynting-Vektor, англ. Poynting vector):

Стрелка $\vec S$ показывает, куда движется энергия, а её величина — сколько мощности проходит через единицу площади.

Энергия распределяется по всё большей площади

Представим идеальную антенну, излучающую одинаково во все стороны. На расстоянии одного метра её мощность распределена по поверхности небольшой сферы. На расстоянии двух метров радиус удвоился, а площадь сферы выросла в четыре раза. Та же мощность теперь приходится на вчетверо большую площадь.

Поэтому в свободном пространстве плотность потока мощности (нем. Leistungsflussdichte, англ. power flux density) уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния:

Напряжённость электрического и магнитного поля уменьшается медленнее — как $1/r$. Это согласуется с мощностью, потому что плотность потока зависит от произведения двух полей.

Если расстояние удвоить, напряжённость поля станет вдвое меньше, а плотность мощности — в четыре раза меньше. В логарифмической форме это соответствует дополнительным 6 дБ потерь.

Свободное пространство не поглощает эти три четверти

Фраза «мощность потерялась с расстоянием» может создать неверную картину. В идеальном свободном пространстве энергия не исчезает: она распределяется по большей поверхности. Маленькая приёмная антенна просто перехватывает всё меньшую долю общего потока.

Направленная передающая антенна меняет распределение: концентрирует больше энергии в одних направлениях и меньше в других. Направленная приёмная антенна эффективнее извлекает энергию из волны, приходящей с нужного направления. Но ни одна пассивная антенна не создаёт дополнительную мощность — усиление антенны всегда связано с перераспределением по углам.

Как поле превращается обратно в сигнал

Приходящее электрическое поле действует на заряды в проводнике приёмной антенны и создаёт переменное напряжение. Если к антенне подключена нагрузка, возникает ток и часть энергии волны передаётся в линию и приёмник.

Количество полученной мощности зависит не только от уровня поля. Важны поляризация, направление прихода, эффективная площадь антенны, согласование с линией и потери. Поэтому «сильное поле рядом» ещё не гарантирует, что приёмник получит максимум доступной энергии.

Эта простая картина относится к дальней зоне

Вблизи антенны электрическое и магнитное поля имеют более сложную связь. Часть энергии периодически возвращается к антенне и снова уходит от неё; поле сильно зависит от геометрии самой антенны. Эту область называют ближней зоной.

Достаточно далеко формируется дальняя зона (нем. Fernfeld, англ. far field), где поля ведут себя как распространяющаяся волна, их отношение стабильно, а закон обратных квадратов становится хорошей моделью. Точная граница зависит от размера антенны и длины волны, поэтому у неё нет одного универсального расстояния для всех систем.