stringtranslate.com

Campo cercano y lejano

Orden de las regiones de difracción de Fraunhofer (campo cercano interno, reactivo ) y difracción de Fresnel ( campo cercano externo, radiativo ), en relación con el campo lejano .

El campo cercano y el campo lejano son regiones del campo electromagnético (EM) alrededor de un objeto, como una antena transmisora , o el resultado de la dispersión de la radiación de un objeto. Los comportamientos de campo cercano no radiativos dominan cerca de la antena o el dispersor, mientras que los comportamientos de campo lejano de radiación electromagnética predominan a distancias mayores.

Las intensidades de los campos de radiación de campo lejano E (eléctrico) y B (magnético) disminuyen a medida que aumenta la distancia desde la fuente, lo que da como resultado una ley del cuadrado inverso para la intensidad de potencia de la radiación electromagnética en la señal transmitida. Por el contrario, las intensidades E y B del campo cercano disminuyen más rápidamente con la distancia: el campo radiativo disminuye según la distancia inversa al cuadrado , el campo reactivo según una ley del cubo inverso , lo que resulta en una potencia disminuida en las partes del campo cercano. campo eléctrico mediante una cuarta y sexta potencia inversas, respectivamente. La rápida caída de la potencia contenida en el campo cercano garantiza que los efectos debidos al campo cercano esencialmente desaparezcan a unas pocas longitudes de onda de la parte radiante de la antena y, a la inversa, garantiza que a distancias una pequeña fracción de una longitud de onda de la antena, los efectos del campo cercano abruman el campo lejano radiante.

Resumen de regiones y sus interacciones.

Campo cercano : este patrón dipolar muestra un campo magnético B en rojo. La energía potencial almacenada momentáneamente en este campo magnético es indicativa del campo cercano reactivo.
Campo lejano: el patrón de radiación puede extenderse al campo lejano, donde la energía reactiva almacenada no tiene una presencia significativa.

En una antena que funciona normalmente, las cargas positivas y negativas no tienen forma de salir de la superficie metálica y están separadas entre sí por el voltaje de "señal" de excitación (un transmisor u otro potencial de excitación EM). Esto genera un dipolo eléctrico oscilante (o inverso), que afecta tanto al campo cercano como al campo lejano.

El límite entre las regiones del campo cercano y del campo lejano está vagamente definido y depende de la longitud de onda dominante ( λ ) emitida por la fuente y del tamaño del elemento radiante.

Campo cercano

El campo cercano se refiere a lugares cercanos a los conductores de la antena, o dentro de cualquier medio polarizable que los rodee, donde se puede interferir con la generación y emisión de ondas electromagnéticas mientras las líneas de campo permanecen conectadas eléctricamente a la antena, por lo tanto, la absorción de radiación en el campo cercano. por objetos conductores adyacentes afecta de manera detectable la carga en el generador de señal (el transmisor). Los campos eléctrico y magnético pueden existir independientemente uno de otro en el campo cercano, y un tipo de campo puede ser desproporcionadamente mayor que el otro, en diferentes subregiones.

Un ejemplo fácil de observar de un efecto de campo cercano es el cambio de los niveles de ruido captados por un conjunto de antenas de TV con orejas de conejo cuando una parte del cuerpo humano se acerca a las "oídos". Asimismo, el cambio en la calidad del sonido de una radio FM sintonizada en una estación distante cuando una persona camina en el área dentro del alcance de un brazo de su antena.

El campo cercano está regido por campos de tipo multipolar , que pueden considerarse como conjuntos de dipolos con una relación de fase fija . El propósito general de las antenas convencionales es comunicarse de forma inalámbrica a largas distancias, dentro de sus campos lejanos, y para los cálculos de radiación y recepción de muchas antenas simples, la mayoría de los efectos complicados en el campo cercano pueden ignorarse convenientemente.

Campo cercano reactivo

La interacción con el medio (por ejemplo, la capacitancia del cuerpo) puede hacer que la energía se desvíe hacia la fuente que alimenta la antena, como ocurre en el campo cercano reactivo . Esta zona se encuentra aproximadamente dentro1/6de una longitud de onda de la superficie de la antena más cercana.

El campo cercano ha sido de creciente interés, particularmente en el desarrollo de tecnologías de detección capacitiva como las utilizadas en las pantallas táctiles de teléfonos inteligentes y tabletas. Aunque el campo lejano es la región habitual de función de la antena, existen ciertos dispositivos que se denominan antenas pero que están especializados para la comunicación de campo cercano . La inducción magnética vista en un transformador puede verse como un ejemplo muy simple de este tipo de interacción electromagnética de campo cercano. Por ejemplo, bobinas de envío/recepción para RFID y bobinas de emisión para carga inalámbrica y calentamiento inductivo ; sin embargo, su clasificación técnica como "antenas" es polémica.

Campo cercano radiativo

La interacción con el medio puede no devolver la energía a la fuente, pero causar una distorsión en la onda electromagnética que se desvía significativamente de la que se encuentra en el espacio libre, y esto indica la región radiativa del campo cercano, que está algo más lejos. En esta zona se pueden colocar elementos reflectantes pasivos con el fin de formar el haz, como en el caso de la antena Yagi-Uda . Alternativamente, también se pueden combinar múltiples elementos activos para formar un conjunto de antenas, siendo la forma del lóbulo un factor de las distancias de los elementos y la fase de excitación.

Zona de transición

Otra región intermedia, llamada zona de transición , se define sobre una base algo diferente, es decir, la geometría de la antena y la longitud de onda de excitación. Está aproximadamente a una longitud de onda de la antena y es donde las partes eléctrica y magnética de las ondas radiadas se equilibran por primera vez: el campo eléctrico de una antena lineal gana su campo magnético correspondiente y el campo magnético de una antena de cuadro gana su campo eléctrico. . Puede considerarse la parte más alejada del campo cercano o la parte más cercana del campo lejano. Es a partir de este punto que la onda electromagnética se autopropaga. Las porciones del campo eléctrico y magnético de la onda son proporcionales entre sí en una relación definida por la impedancia característica del medio a través del cual se propaga la onda.

Campo lejano

Por el contrario, el campo lejano es la región en la que el campo se ha asentado en radiación electromagnética "normal" . En esta región, están dominados por campos eléctricos o magnéticos transversales con características de dipolo eléctrico . En la región de campo lejano de una antena, la potencia radiada disminuye con el cuadrado de la distancia y la absorción de la radiación no se devuelve al transmisor.

En la región del campo lejano, cada una de las partes eléctrica y magnética del campo EM es "producida por" (o asociada con) un cambio en la otra parte, y la relación entre las intensidades de los campos eléctrico y magnético es simplemente la impedancia de onda en la médium.

También conocido como zona de radiación , el campo lejano tiene un patrón de onda relativamente uniforme. La zona de radiación es importante porque los campos lejanos en general disminuyen en amplitud. Esto significa que la energía total por unidad de área a una distancia r es proporcional a El área de la esfera es proporcional a , por lo que la energía total que pasa a través de la esfera es constante . Esto significa que la energía del campo lejano en realidad se escapa a una distancia infinita (irradia ) .

Definiciones

La separación de los campos eléctrico y magnético en componentes es matemática, más que claramente física, y se basa en las velocidades relativas a las que la amplitud de los diferentes términos de las ecuaciones del campo eléctrico y magnético disminuye a medida que aumenta la distancia desde el elemento radiante. Las amplitudes de los componentes del campo lejano disminuyen como , las amplitudes radiativas del campo cercano disminuyen como y las amplitudes reactivas del campo cercano disminuyen como . [a] Las definiciones de las regiones intentan caracterizar los lugares donde la actividad de los componentes de campo asociados es más fuerte. Matemáticamente, la distinción entre los componentes del campo es muy clara, pero la demarcación de las regiones espaciales del campo es subjetiva. Todos los componentes del campo se superponen en todas partes, por lo que, por ejemplo, siempre hay importantes componentes de campo lejano y de campo cercano radiativo en la región reactiva de campo cercano más cercana.

Las regiones definidas a continuación categorizan comportamientos de campo que son variables, incluso dentro de la región de interés. Por lo tanto, los límites de estas regiones son reglas generales aproximadas , ya que no existen límites precisos entre ellas: todos los cambios de comportamiento con la distancia son cambios suaves. Incluso cuando en algunos casos se pueden definir límites precisos, basándose principalmente en el tipo y tamaño de la antena, los expertos pueden diferir en el uso de la nomenclatura para describir las regiones. Debido a estos matices, se debe tener especial cuidado al interpretar la literatura técnica que analiza las regiones de campo lejano y cercano.

El término región de campo cercano (también conocida como campo cercano o zona cercana ) tiene los siguientes significados con respecto a diferentes tecnologías de telecomunicaciones :

Regiones según longitud electromagnética.

La práctica más conveniente es definir el tamaño de las regiones o zonas en términos de números fijos (fracciones) de longitudes de onda distantes del centro de la parte radiante de la antena, en el claro entendimiento de que los valores elegidos son sólo aproximados y serán algo inapropiado para diferentes antenas en diferentes entornos. La elección de los números de corte se basa en las intensidades relativas de las amplitudes de los componentes de campo que normalmente se ven en la práctica habitual.

Antenas electromagnéticamente cortas

Regiones de campo de antena para antenas que son iguales o más cortas que la mitad de la longitud de onda de la radiación que emiten, como la antena de látigo de una radio de banda ciudadana o la antena de una torre de transmisión de radio AM.
Regiones de campo para antenas iguales o más cortas que la mitad de la longitud de onda de la radiación que emiten, como la antena de látigo de una radio de banda ciudadana o una torre de transmisión de radio AM.

Para antenas de longitud inferior a la mitad de la longitud de onda de la radiación que emiten (es decir, antenas electromagnéticamente "cortas"), los límites regionales lejanos y cercanos se miden en términos de una relación simple entre la distancia r desde la fuente radiante y la longitud de onda λ de la radiación. Para una antena de este tipo, el campo cercano es la región dentro de un radio rλ , mientras que el campo lejano es la región para la cual r ≫ 2 λ . La zona de transición es la región entre r = λ y r = 2 λ .

La longitud de la antena, D , no es importante y la aproximación es la misma para todas las antenas más cortas (a veces idealizadas como las llamadas antenas puntuales ). En todas estas antenas, la longitud corta significa que las cargas y corrientes en cada subsección de la antena son las mismas en un momento dado, ya que la antena es demasiado corta para que el voltaje del transmisor de RF se invierta antes de que se eliminen sus efectos sobre las cargas y las corrientes. se siente en toda la longitud de la antena.

Antenas electromagnéticamente largas

Para antenas físicamente mayores que media longitud de onda de la radiación que emiten, los campos cercano y lejano se definen en términos de la distancia de Fraunhofer . La siguiente fórmula, que lleva el nombre de Joseph von Fraunhofer , da la distancia de Fraunhofer :

donde D es la dimensión más grande del radiador (o el diámetro de la antena ) y λ es la longitud de onda de la onda de radio . Cualquiera de las dos relaciones siguientes es equivalente, enfatizando el tamaño de la región en términos de longitudes de onda λ o diámetros D :

Esta distancia proporciona el límite entre el campo cercano y lejano. El parámetro D corresponde a la longitud física de una antena o al diámetro de una antena reflectora ("parabólica").

Tener una antena electromagnéticamente más larga que la mitad de la longitud de onda dominada emitida extiende considerablemente los efectos del campo cercano, especialmente el de las antenas enfocadas. Por el contrario, cuando una antena determinada emite radiación de alta frecuencia, tendrá una región de campo cercano mayor que la que implicaría una frecuencia más baja (es decir, una longitud de onda más larga).

Además, una distancia de región de campo lejano d F debe satisfacer estas dos condiciones. [2] [ se necesita aclaración ]

donde D es la dimensión lineal física más grande de la antena y d F es la distancia de campo lejano. La distancia de campo lejano es la distancia desde la antena transmisora ​​hasta el comienzo de la región de Fraunhofer, o campo lejano.

Zona de transición

La zona de transición entre estas regiones de campo cercano y lejano, que se extiende a lo largo de una distancia de una a dos longitudes de onda desde la antena, [ cita necesaria ] es la región intermedia en la que tanto los efectos de campo cercano como los de campo lejano son importantes. En esta región, el comportamiento de campo cercano desaparece y deja de ser importante, dejando los efectos de campo lejano como interacciones dominantes. (Vea la imagen del "Campo lejano" arriba).

Regiones según el comportamiento de difracción.

Regiones de campo cercano y lejano para una antena mayor (diámetro o longitud D) que la longitud de onda de la radiación que emite, de modo que D⁄λ ≫ 1. Algunos ejemplos son las antenas parabólicas y otras antenas altamente direccionales.
Regiones de campo cercano y lejano para una antena mayor (diámetro o longitud D ) que la longitud de onda de la radiación que emite, de modo que Dλ ≫ 1 . Algunos ejemplos son antenas parabólicas, antenas parabólicas, radiotelescopios y otras antenas altamente direccionales.

Difracción de campo lejano

En lo que respecta a las fuentes de ondas acústicas, si la fuente tiene una dimensión total máxima o un ancho de apertura ( D ) que es grande en comparación con la longitud de onda λ , comúnmente se considera que la región de campo lejano existe a distancias, cuando el parámetro de Fresnel es mayor que 1: [3]

Para un haz enfocado al infinito, la región de campo lejano a veces se denomina región de Fraunhofer . Otros sinónimos son campo lejano , zona lejana y campo de radiación . Cualquier radiación electromagnética consta de un componente de campo eléctrico E y un componente de campo magnético H. En el campo lejano, la relación entre el componente del campo eléctrico E y el componente magnético H es la característica de cualquier onda que se propaga libremente, donde E y H tienen magnitudes iguales en cualquier punto del espacio (cuando se miden en unidades donde c = 1).

Difracción de campo cercano

A diferencia del campo lejano, el patrón de difracción en el campo cercano normalmente difiere significativamente del observado en el infinito y varía con la distancia a la fuente. En el campo cercano, la relación entre E y H se vuelve muy compleja. Además, a diferencia del campo lejano, donde las ondas electromagnéticas suelen caracterizarse por un único tipo de polarización (horizontal, vertical, circular o elíptica), los cuatro tipos de polarización pueden estar presentes en el campo cercano. [4]

El campo cercano es una región en la que existen fuertes efectos inductivos y capacitivos de las corrientes y cargas en la antena que provocan componentes electromagnéticos que no se comportan como radiación de campo lejano. Estos efectos disminuyen su potencia mucho más rápidamente con la distancia que los efectos de la radiación de campo lejano. Los campos no propagantes (o evanescentes) se extinguen muy rápidamente con la distancia, lo que hace que sus efectos se sientan casi exclusivamente en la región del campo cercano.

Además, en la parte del campo cercano más cercana a la antena (llamada campo cercano reactivo , ver más abajo), la absorción de energía electromagnética en la región por un segundo dispositivo tiene efectos que retroalimentan al transmisor, aumentando la carga en el transmisor. que alimenta la antena disminuyendo la impedancia de la antena que el transmisor "ve". Por lo tanto, el transmisor puede detectar cuando la energía está siendo absorbida en la zona de campo cercano más cercana (por una segunda antena o algún otro objeto) y se ve obligado a suministrar energía adicional a su antena y a extraer energía adicional de su propia fuente de alimentación. mientras que si allí no se absorbe energía, el transmisor no tiene que suministrar energía adicional.

Características de campo cercano

Diferencias entre difracción de Fraunhofer y difracción de Fresnel .

El campo cercano en sí se divide a su vez en campo cercano reactivo y campo cercano radiativo . Las designaciones de campo cercano reactivo y radiativo también son función de la longitud de onda (o distancia). Sin embargo, estas regiones límite son una fracción de una longitud de onda dentro del campo cercano. Comúnmente se considera que el límite exterior de la región reactiva de campo cercano es una distancia multiplicada por la longitud de onda (es decir, o aproximadamente 0,159λ ) desde la superficie de la antena. El campo cercano reactivo también se llama campo cercano inductivo . El campo cercano radiativo (también llamado región de Fresnel ) cubre el resto de la región del campo cercano, desde afuera hasta la distancia de Fraunhofer. [4]

Campo cercano reactivo, o la parte más cercana del campo cercano

En el campo cercano reactivo (muy cerca de la antena), la relación entre las intensidades de los campos E y H es a menudo demasiado complicada para predecirla fácilmente y difícil de medir. Cualquiera de los componentes del campo ( E o H ) puede dominar en un punto, y la relación opuesta dominar en un punto que se encuentra a poca distancia. Esto hace que sea problemático encontrar la verdadera densidad de potencia en esta región. Esto se debe a que para calcular la potencia, no solo se deben medir E y H , sino que también se debe conocer la relación de fase entre E y H , así como el ángulo entre los dos vectores en cada punto del espacio. [4]

En esta región reactiva, no solo se irradia una onda electromagnética hacia el espacio lejano, sino que también hay un componente reactivo en el campo electromagnético, lo que significa que la fuerza, dirección y fase de los campos eléctricos y magnéticos alrededor de la antena son sensibles a los EM. absorción y reemisión en esta región, y responder a ello. Por el contrario, la absorción lejos de la antena tiene un efecto insignificante en los campos cercanos a la antena y no provoca ninguna reacción inversa en el transmisor.

Muy cerca de la antena, en la región reactiva, una cierta cantidad de energía , si no es absorbida por un receptor, se retiene y se almacena muy cerca de la superficie de la antena. Esta energía es transportada de un lado a otro desde la antena al campo cercano reactivo mediante radiación electromagnética del tipo que cambia lentamente los efectos electrostáticos y magnetostáticos. Por ejemplo, la corriente que fluye en la antena crea un componente puramente magnético en el campo cercano, que luego colapsa cuando la corriente de la antena comienza a revertirse, provocando la transferencia de la energía magnética del campo de regreso a los electrones de la antena a medida que el campo magnético cambiante causa una autodescarga. -efecto inductivo sobre la antena que lo generó. Este devuelve energía a la antena de forma regenerativa, para que no se pierda. Un proceso similar ocurre cuando la carga eléctrica se acumula en una sección de la antena bajo la presión del voltaje de la señal y provoca un campo eléctrico local alrededor de esa sección de la antena, debido a la autocapacitancia de la antena . Cuando la señal se invierte de modo que se permite que la carga fluya fuera de esta región nuevamente, el campo eléctrico creado ayuda a empujar a los electrones de regreso en la nueva dirección de su flujo, como ocurre con la descarga de cualquier capacitor unipolar. Esto nuevamente transfiere energía de regreso a la corriente de la antena.

Debido a este efecto de almacenamiento y retorno de energía, si cualquiera de los efectos inductivos o electrostáticos en el campo cercano reactivo transfiere cualquier energía de campo a electrones en un conductor diferente (cercano), entonces esta energía se pierde en la antena primaria. Cuando esto sucede, se observa un drenaje adicional en el transmisor, como resultado de la energía reactiva del campo cercano que no se devuelve. Este efecto se muestra como una impedancia diferente en la antena, vista por el transmisor.

El componente reactivo del campo cercano puede dar resultados ambiguos o indeterminados al intentar realizar mediciones en esta región. En otras regiones, la densidad de potencia es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde la antena. Sin embargo, en las proximidades de la antena, el nivel de energía puede aumentar drásticamente con sólo una pequeña disminución en la distancia hacia la antena. Esta energía puede afectar negativamente tanto a las personas como a los equipos de medición debido a las altas potencias involucradas. [4]

Campo cercano radiativo (región de Fresnel), o parte más lejana del campo cercano

El campo cercano radiativo (a veces llamado región de Fresnel ) no contiene componentes de campo reactivo de la antena fuente, ya que está lo suficientemente lejos de la antena como para que el retroacoplamiento de los campos se desfase con la señal de la antena y, por lo tanto, no pueda ser eficiente. devolver energía inductiva o capacitiva de las corrientes o cargas de la antena. La energía en el campo cercano radiativo es, por tanto, toda energía radiante , aunque su mezcla de componentes magnéticos y eléctricos sigue siendo diferente a la del campo lejano. Más lejos en el campo cercano radiativo (media longitud de onda a 1 longitud de onda de la fuente), la relación de los campos E y H es más predecible, pero la relación E a H sigue siendo compleja. Sin embargo, dado que el campo cercano radiativo sigue siendo parte del campo cercano, existe la posibilidad de que se produzcan condiciones imprevistas (o adversas).

Por ejemplo, los objetos metálicos, como las vigas de acero, pueden actuar como antenas al recibir inductivamente y luego "reirradiar" parte de la energía en el campo cercano radiativo, formando una nueva superficie radiante a considerar. Dependiendo de las características y frecuencias de la antena, dicho acoplamiento puede ser mucho más eficiente que la simple recepción de una antena en el campo lejano aún más distante, de modo que se puede transferir mucho más potencia a la "antena" secundaria en esta región que en el caso de una antena más distante. Cuando se activa así una superficie de antena radiante secundaria, ésta crea sus propias regiones de campo cercano, pero se aplican a ellas las mismas condiciones. [4]

Comparado con el campo lejano

El campo cercano es notable por reproducir la inducción electromagnética clásica y los efectos de carga eléctrica en el campo EM, lo que produce una "extinción" al aumentar la distancia desde la antena: el componente del campo magnético que está en cuadratura de fase con respecto a los campos eléctricos es proporcional a la inversa. cubo de la distancia ( ) y la intensidad del campo eléctrico proporcional al inverso del cuadrado de la distancia ( ). Esta caída es mucho más rápida que los campos clásicos de campo lejano radiado ( E y B , que son proporcionales a la distancia inversa simple ( ). Por lo general, los efectos de campo cercano no son importantes más allá de unas pocas longitudes de onda de la antena. .

Los efectos de campo cercano más distantes también implican efectos de transferencia de energía que se acoplan directamente a los receptores cerca de la antena, afectando la potencia de salida del transmisor si se acoplan, pero no de otro modo. En cierto sentido, el campo cercano ofrece energía que está disponible para un receptor sólo si se aprovecha la energía, y esto es detectado por el transmisor respondiendo a los campos electromagnéticos cercanos que emanan del receptor. Nuevamente, este es el mismo principio que se aplica en los dispositivos acoplados por inducción , como un transformador , que consume más energía en el circuito primario, si la energía se extrae del circuito secundario. Esto es diferente con el campo lejano, que constantemente extrae la misma energía del transmisor, ya sea que se reciba inmediatamente o no.

La amplitud de otros componentes (no radiativos/no dipolos) del campo electromagnético cerca de la antena puede ser bastante potente, pero, debido a una caída más rápida con la distancia que con el comportamiento, no irradian energía a distancias infinitas. En cambio, sus energías permanecen atrapadas en la región cercana a la antena, sin extraer energía del transmisor a menos que exciten a un receptor en el área cercana a la antena. Por lo tanto, los campos cercanos sólo transfieren energía a receptores muy cercanos y, cuando lo hacen, el resultado se siente como un consumo extra de energía en el transmisor. Como ejemplo de tal efecto, la energía se transfiere a través del espacio en un transformador común o detector de metales por medio de fenómenos de campo cercano (en este caso acoplamiento inductivo ), en un efecto de alcance estrictamente corto (es decir, el rango dentro de una longitud de onda de la señal).

Modelado EM clásico

Un " patrón de radiación " para una antena que, por definición, muestra sólo el campo lejano.

Resolver las ecuaciones de Maxwell para los campos eléctricos y magnéticos de una fuente oscilante localizada, como una antena, rodeada por un material homogéneo (típicamente vacío o aire ), produce campos que, muy lejos, decaen en proporción a donde r es la distancia desde el fuente. Estos son los campos radiantes, y la región donde r es lo suficientemente grande como para que estos campos dominen es el campo lejano.

En general, los campos de una fuente en un medio isotrópico homogéneo se pueden escribir como una expansión multipolar . [5] Los términos en esta expansión son armónicos esféricos (que dan la dependencia angular) multiplicados por funciones esféricas de Bessel (que dan la dependencia radial). Para r grande , las funciones esféricas de Bessel decaen como , dando el campo radiado arriba. A medida que uno se acerca más y más a la fuente ( r más pequeña ), acercándose al campo cercano, otras potencias de r se vuelven significativas.

El siguiente término que se vuelve significativo es proporcional y a veces se le llama término de inducción . [6] Puede considerarse como la energía principalmente magnética almacenada en el campo y devuelta a la antena en cada medio ciclo, mediante autoinducción. Para r aún más pequeños , los términos proporcionales se vuelven significativos; A esto a veces se le llama término de campo electrostático y se puede considerar que proviene de la carga eléctrica en el elemento de la antena.

Muy cerca de la fuente, la expansión multipolar es menos útil (se requieren demasiados términos para una descripción precisa de los campos). Más bien, en el campo cercano, a veces es útil expresar las contribuciones como una suma de campos radiantes combinados con campos evanescentes , donde estos últimos decaen exponencialmente con r . Y en la propia fuente, o tan pronto como se entra en una región de materiales no homogéneos, la expansión multipolar ya no es válida y generalmente se requiere la solución completa de las ecuaciones de Maxwell.

Antenas

Si se aplica una corriente eléctrica oscilante a una estructura conductora de algún tipo, aparecerán campos eléctricos y magnéticos en el espacio alrededor de esa estructura. Si esos campos se pierden debido a una onda espacial que se propaga, la estructura a menudo se denomina antena. Una antena de este tipo puede ser un conjunto de conductores en el espacio típico de los dispositivos de radio o puede ser una abertura con una distribución de corriente determinada que irradia hacia el espacio como es típico de los dispositivos ópticos o de microondas . Los valores reales de los campos en el espacio alrededor de la antena suelen ser bastante complejos y pueden variar de varias maneras con la distancia a la antena.

Sin embargo, en muchas aplicaciones prácticas, sólo nos interesan los efectos en los que la distancia entre la antena y el observador es mucho mayor que la dimensión más grande de la antena transmisora. Las ecuaciones que describen los campos creados alrededor de la antena se pueden simplificar suponiendo una separación grande y eliminando todos los términos que proporcionan sólo contribuciones menores al campo final. Estas distribuciones simplificadas se han denominado "campo lejano" y normalmente tienen la propiedad de que la distribución angular de energía no cambia con la distancia, aunque los niveles de energía todavía varían con la distancia y el tiempo. Esta distribución de energía angular suele denominarse patrón de antena .

Tenga en cuenta que, según el principio de reciprocidad , el patrón observado cuando una antena particular está transmitiendo es idéntico al patrón medido cuando se usa la misma antena para la recepción. Normalmente se encuentran relaciones simples que describen los patrones de campo lejano de la antena, que a menudo involucran funciones trigonométricas o, en el peor de los casos, relaciones de transformada de Fourier o Hankel entre las distribuciones de corriente de la antena y los patrones de campo lejano observados. Si bien las simplificaciones de campo lejano son muy útiles en los cálculos de ingeniería, esto no significa que las funciones de campo cercano no puedan calcularse, especialmente utilizando técnicas informáticas modernas. Un examen de cómo se forman los campos cercanos alrededor de la estructura de una antena puede brindar una gran comprensión del funcionamiento de dichos dispositivos.

Impedancia

El campo electromagnético en la región del campo lejano de una antena es independiente de los detalles del campo cercano y de la naturaleza de la antena. La impedancia de onda es la relación entre la intensidad de los campos eléctrico y magnético que en el campo lejano están en fase entre sí. Así, la " impedancia del espacio libre " del campo lejano es resistiva y viene dada por:

Con la aproximación habitual para la velocidad de la luz en el espacio libre c 0 ≈ 2,9979 × 108 m/s, esto da la expresión utilizada frecuentemente:

El campo electromagnético en la región del campo cercano de una antena de bobina eléctricamente pequeña es predominantemente magnético. Para valores pequeños der/ λ  La impedancia de un bucle magnético es baja e inductiva, siendo asintótica a corto alcance para:

El campo electromagnético en la zona del campo cercano de una antena de varilla eléctricamente corta es predominantemente eléctrico. Para valores pequeños der/ λ  la impedancia es alta y capacitiva, siendo asintótica a corto alcance para:

En ambos casos, la impedancia de la onda converge con la del espacio libre a medida que el alcance se acerca al campo lejano.

Ver también

Efectos locales

Otro

Notas

  1. ^ La caída de amplitud no debe confundirse con la caída de potencia ; la potencia disminuye a medida que la amplitud se eleva al cuadrado.

Referencias

Citas

  1. ^ Balanis, Constantino A. (2005). Teoría de las antenas: análisis y diseño (3ª ed.). Capítulo 2, página 34.
  2. ^ Rappaport, Theodore S. (2010). Principios y prácticas de las comunicaciones inalámbricas (19.ª impresión, 2.ª ed.). Prentice Hall. pag. 108.
  3. ^ Kino, G., ed. (2000). Ondas acústicas: dispositivos, imágenes y procesamiento de señales analógicas . Prentice Hall. Capítulo 3, página 165.
  4. ^ abcde Administración de Salud y Seguridad Ocupacional, Centro Técnico de Cincinnati (20 de mayo de 1990). "Radiación electromagnética y cómo afecta a sus instrumentos. Campo cercano frente a campo lejano". Departamento de Trabajo de EE. UU . Consultado el 9 de mayo de 2010 .Departamento de Trabajo: contenido de dominio público. La mayor parte del contenido al que se hace referencia en este trabajo en este artículo se copia de un documento de dominio público. Además, este artículo ha proporcionado referencias.
  5. ^ John David Jackson, Electrodinámica clásica , tercera edición (Wiley: Nueva York, 1998)
  6. ^ Johansson, J.; Lundgren, U. "EMC de líneas de telecomunicaciones".

Dominio publico

Dominio publico Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).

Dominio publico Este artículo incorpora material de dominio público de sitios web o documentos del gobierno de los Estados Unidos . Administración de Seguridad y Salud Ocupacional .

Patentes