Campo cercano y 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 radiación de un objeto. Los comportamientos de campo cercano no radiativo dominan cerca de la antena o del objeto dispersor, mientras que los comportamientos de radiación electromagnética campo lejano dominan a mayores distancias.

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

Resumen de regiones y sus interacciones

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 la 'señal' de excitación. voltaje (un transmisor u otro potencial de excitación EM). Esto genera un dipolo eléctrico oscilante (o inversor), que afecta tanto al campo cercano como al campo lejano.

El límite entre las regiones campo cercano y campo lejano está vagamente definido y depende de la longitud de onda dominante (λ) emitido por la fuente y el 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 lo rodee, donde la generación y emisión de ondas electromagnéticas pueden verse interferidas 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 del 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 cerca del campo es el cambio de niveles de ruido recogidos por un conjunto de antenas de conejos cuando una parte del cuerpo humano se mueve cerca de los "tierros". Del mismo modo el cambio en la calidad de sonido de una radio FM sintonizada a una estación distante cuando una persona camina alrededor en el área dentro de la longitud de un brazo de su antena.

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

Reactiva cerca del campo

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 está aproximadamente dentro de 1/6 de una longitud de onda de la superficie de la antena más cercana.

El campo cercano ha despertado un interés cada vez mayor, especialmente en el desarrollo de tecnologías de detección capacitiva, como las que se utilizan en las pantallas táctiles de los teléfonos inteligentes y las tabletas. Aunque el campo lejano es la región habitual de la función de antena, existen ciertos dispositivos que se denominan antenas pero que están especializados para la comunicación de campo cercano. La inducción magnética como se ve 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 polémico

Campo cercano radiativo

La interacción con el medio puede fallar en 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 radiación cercana. región del campo, que está algo más lejos. Los elementos reflectantes pasivos se pueden colocar en esta zona 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, y la forma del lóbulo se convierte en un factor de las distancias de los elementos y la fase de excitación.

Zona de transición

Otra región intermedia, denominada zona de transición, se define sobre una base algo diferente, a saber, 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 eléctricas y magnéticas 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 de 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 establecido en "normal" radiación electromagnética. En esta región, está dominada 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 retroalimenta al transmisor.

En la región de campo lejano, cada una de las partes eléctricas y magnéticas del campo EM es "producida por" (o asociado con) un cambio en la otra parte, y la proporción de intensidades de campo eléctrico y magnético es simplemente la impedancia de onda en el medio.

También conocido como zona de radiación, el campo lejano lleva un patrón de onda relativamente uniforme. La zona de radiación es importante porque campos lejanos en general caen en amplitud por 1r.{displaystyle {tfrac {1} {r}.} Esto significa que la energía total por área unidad a distancia r es proporcional a 1r2.{fnMicrosoft Sans Serif} El área de la esfera es proporcional a r2{displaystyle r^{2}, por lo que la energía total que pasa por la esfera es constante. Esto significa que la energía de campo lejano realmente escapa a la distancia infinita (it radiaciones).

Definiciones

La separación de los campos eléctricos y magnéticos en componentes es matemática, en lugar de física clara, y se basa en las tasas relativas a las cuales la amplitud de los diferentes términos de las ecuaciones de campo eléctrico y magnético disminuye a medida que aumenta la distancia del elemento radiante. Las amplitudes de los componentes del campo lejano caen como 1/r{displaystyle 1/r}, el radiativa las amplitudes cercanas al campo caen como 1/r2{displaystyle 1/r^{2}, y el reactiva las amplitudes cercanas al campo caen como 1/r3{displaystyle 1/r^{3}. Definiciones de las regiones intentar caracterizar lugares donde la actividad del campo asociado componentes son los más fuertes. Matemáticamente, la distinción entre componentes sobre el terreno es muy claro, pero la demarcación del espacio regiones sobre el terreno es subjetivo. Todos los componentes de campo se superponen en todas partes, por ejemplo, siempre hay importantes componentes de campo lejano y radiativos cerca del campo en la región reactiva más cercana al campo.

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 hay cortes precisos entre ellas: todos los cambios de comportamiento con la distancia son cambios suaves. Incluso cuando se pueden definir límites precisos en algunos casos, basándose principalmente en el tipo de antena y el 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 cercano y lejano.

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

• La región cercana de una antena donde la distribución angular del campo depende de la distancia de la antena.
• En el estudio de la difracción y el diseño de la antena, el campo cercano es la parte del campo radiado que está por debajo de las distancias más corta que la distancia Fraunhofer, que se da por dF=2D2λ λ {displaystyle ### {text{F}={frac} {2D^{2}{lambda } de la fuente del borde o antena de difracción de longitud o diámetro D.
• En comunicaciones de fibra óptica, la región cerca de una fuente o abertura que está más cerca que la longitud de Rayleigh. (Presumiendo un haz Gaussiano, que es apropiado para la fibra óptica.)

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, con el claro entendimiento de que los valores elegidos son solo aproximados y será 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 observan en la práctica ordinaria.

Antenas electromagnéticamente cortas

Para antenas más cortas que la mitad de la longitud de onda de la radiación que emiten (es decir, antenas "cortas" electromagnéticamente), los límites regionales lejanos y cercanos se miden en términos de una relación simple de la distancia r desde la fuente radiante hasta la longitud de onda λ de la radiación. Para tal antena, el campo cercano es la región dentro de un radio r ≪ λ, 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 lo mismo 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 las corrientes en cada subsección de la antena son las mismas en cualquier momento dado, ya que la antena es demasiado corta para que el voltaje del transmisor de RF se invierta antes de que sus efectos sobre las cargas y las corrientes sean eliminados. sentido en toda la longitud de la antena.

Antenas electromagnéticamente largas

Para antenas físicamente más grandes que la mitad de la longitud de onda de la radiación que emiten, los campos cercano y lejano se definen en términos de la distancia de Fraunhofer. Nombrada en honor a Joseph von Fraunhofer, la siguiente fórmula da la distancia de Fraunhofer:

dF=2D2λ λ ,{displaystyle ################################################################################################################################################################################################################################################################ {2D^{2}{lambda },}

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 siguientes dos relaciones son equivalentes, enfatizando el tamaño de la región en términos de longitudes de onda λ o diámetros D:

dF=2()Dλ λ )2λ λ =2()Dλ λ )D{displaystyle d_{text{F}};=;2{left({D over lambda }right)}^{2}lambda ;=;2{left({D over lambda }right)}}}} 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 un reflector ("dish") antena.

Tener una antena electromagnéticamente más larga que la mitad de la longitud de onda dominada emitida extiende considerablemente los efectos de 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 más grande de lo 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.

dF≫ ≫ D{displaystyle ♪♪ {text{F}gg D,}

dF≫ ≫ λ λ {displaystyle ¿Qué?

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 sobre la distancia de una a dos longitudes de onda desde la antena, es la región intermedia en la que se producen los efectos de campo cercano y lejano. importante. En esta región, el comportamiento de campo cercano se extingue y deja de ser importante, dejando los efectos de campo lejano como interacciones dominantes. (Vea la imagen de "Campo lejano" arriba).

Regiones según comportamiento de difracción

Difracción de campo lejano

En cuanto a las fuentes de onda acústica, si la fuente tiene una dimensión global máxima o un ancho de abertura (D) que es grande en comparación con la longitud de onda λ, la región de campo lejano se toma comúnmente para existir a distancias, cuando el parámetro Fresnel S{displaystyle S. es más grande que 1:

1,{text{ for }}r>r_{text{F}}={D^{2} over 4lambda }.}" display="block" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">S=4λ λ D2r■1,parar■rF=D24λ λ .{displaystyle S={4lambda over D^{2}}r título1,{text{ for }r confianzar_{text{F}}={2}over 4lambda }

1,{text{ for }}r>r_{text{F}}={D^{2} over 4lambda }.}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-display" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/06a3f0f032419365fb331afa6d364acff89ac740" style="vertical-align: -2.005ex; width:32.764ex; height:5.843ex;"/>

Para un haz enfocado en el 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 la componente del campo eléctrico E y la componente magnética 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

En contraste con el campo lejano, el patrón de difracción en el campo cercano generalmente difiere significativamente del observado en el infinito y varía con la distancia desde la fuente. En el campo cercano, la relación entre E y H se vuelve muy complejo. Además, a diferencia del campo lejano donde las ondas electromagnéticas generalmente se caracterizan por un solo tipo de polarización (horizontal, vertical, circular o elíptica), los cuatro tipos de polarización pueden estar presentes en el campo cercano.

El campo cercano es una región en la que hay 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. La potencia de estos efectos disminuye mucho más rápidamente con la distancia que los efectos de la radiación de campo lejano. Los campos que no se propagan (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 parte de un segundo dispositivo tiene efectos que retroalimentan al transmisor, aumentando la carga en el transmisor que alimenta la antena al disminuir la impedancia de la antena que el transmisor 've'. Por lo tanto, el transmisor puede detectar cuándo se absorbe energía 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 no se absorbe energía allí, el transmisor no tiene que suministrar energía adicional.

Características de campo cercano

El campo cercano se divide aún más en el reactiva cerca del campo y el radiativa cerca del campo. El reactiva y radiativa Las denominaciones de campo cercano son también una función de longitud de onda (o distancia). Sin embargo, estas regiones fronterizas son una fracción de una longitud de onda dentro del campo cercano. El límite exterior de la región reactiva cerca del campo se considera comúnmente una distancia 12π π {textstyle {frac {1}{2pi } veces la longitud de onda (es decir, λ λ 2π π {textstyle {frac {lambda }{2pi}}} o aproximadamente 0.159λ) de la superficie de la antena. El campo cercano reactiva también se llama el inductivo cerca del campo. El campo radiativo cercano (también llamado el Región de los túneles) cubre el resto de la región cerca del campo, desde λ λ 2π π {textstyle {frac {lambda }{2pi}}} a la distancia de Fraunhofer.

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 fuerzas de E y <span class="texhtml Los campos H suelen ser demasiado complicados para predecirlos fácilmente y difíciles de medir. Cualquier componente de campo (E o H) puede dominar en uno punto, y la relación opuesta domina en un punto a poca distancia. Esto hace que encontrar la densidad de potencia real en esta región sea problemático. Esto se debe a que para calcular la potencia, no solo E y H ambos deben medirse, pero la relación de fase entre E y H así como el ángulo entre los dos vectores también debe ser conocido en cada punto del espacio.

En esta región reactiva, no solo se irradia una onda electromagnética hacia el espacio lejano, sino que también hay un componente reactivo del campo electromagnético, lo que significa que la fuerza, la dirección y la fase de los campos eléctricos y magnéticos alrededor de la antena son sensibles a la absorción y reemisión de EM en esta región, y responder a ella. Por el contrario, la absorción lejos de la antena tiene un efecto insignificante en los campos cercanos a la antena y no provoca una 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 se transporta de un lado a otro desde la antena hasta el campo cercano reactivo mediante radiación electromagnética del tipo que cambia lentamente los efectos electrostático y magnetostático. 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 invertirse, lo que provoca la transferencia de la energía magnética del campo a los electrones en la antena a medida que cambia el campo magnético. campo provoca un efecto autoinductivo en 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 para permitir que la carga fluya lejos de esta región nuevamente, el campo eléctrico acumulado ayuda a empujar los electrones hacia atrás en la nueva dirección de su flujo, como ocurre con la descarga de cualquier capacitor unipolar. Esto nuevamente transfiere energía 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 principal. Cuando esto sucede, se observa un drenaje adicional en el transmisor, como resultado de la energía reactiva de campo cercano que no se devuelve. Este efecto se muestra como una impedancia diferente en la antena, como lo ve 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 inmediaciones muy cercanas a la antena, el nivel de energía puede aumentar drásticamente con solo una pequeña disminución en la distancia hacia la antena. Esta energía puede afectar negativamente tanto a los humanos como a los equipos de medición debido a las altas potencias involucradas.

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

El campo cercano radiativo (a veces llamado región de Fresnel) no contiene componentes de campo reactivos de la antena de la fuente, ya que está lo suficientemente lejos de la antena como para que el acoplamiento posterior de los campos quede fuera de lugar. fase con la señal de la antena y, por lo tanto, no puede devolver eficientemente la energía inductiva o capacitiva de las corrientes o cargas de la antena. La energía en el campo cercano radiativo es, por lo tanto, toda energía radiante, aunque su mezcla de componentes magnéticos y eléctricos sigue siendo diferente del campo lejano. Más lejos en el campo cercano radiativo (de media longitud de onda a 1 longitud de onda de la fuente), la E y H es más predecible, pero 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 la antena en el campo lejano aún más distante, por lo que se puede transferir mucha más potencia a la "antena" secundaria. en esta región de lo que sería el caso con una antena más distante. Cuando una superficie de antena de radiación secundaria se activa de este modo, crea sus propias regiones de campo cercano, pero se aplican las mismas condiciones.

Comparada con el campo lejano

El campo cercano es notable para reproducir inducción electromagnética clásica y efectos de carga eléctrica en el campo EM, lo que afecta "fuera" con una distancia creciente de la antena: El componente de campo magnético que está en la cuadratura de fase a los campos eléctricos es proporcional al inverso-cubo de la distancia (1/r3{displaystyle 1/r^{3}) y fuerza de campo eléctrico proporcional al cuadrado inverso de distancia (1/r2{displaystyle 1/r^{2}). Esta caída es mucho más rápida que el campo lejano radiado clásico (E y B campos, que son proporcionales a la simple distancia inversa (1/r{displaystyle 1/r}). Típicamente los efectos cercanos al campo no son importantes más lejos que algunas 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, lo que afecta la potencia de salida del transmisor si se acoplan, pero no en caso contrario. En cierto sentido, el campo cercano ofrece energía que está disponible para un receptor solo si se aprovecha la energía, y el transmisor la detecta 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 extrae constantemente la misma energía del transmisor, ya sea que se reciba inmediatamente o no.

La amplitud de otros componentes (no-radiante/no-dipolo) del campo electromagnético cerca de la antena puede ser bastante potente, pero, debido a una caída más rápida con distancia que 1/r{displaystyle 1/r} comportamiento, no irradian energía a distancias infinitas. En cambio, sus energías permanecen atrapadas en la región cerca de la antena, sin sacar el poder del transmisor a menos que exciten a un receptor en la zona cercana a la antena. Así, los campos cercanos sólo transfieren energía a receptores muy cercanos, y, cuando lo hacen, el resultado se siente como un extra de potencia en el transmisor. Como ejemplo de tal efecto, la energía se transfiere a través del espacio en un transformador común o detector de metales mediante fenómenos cercanos al campo (en este caso acoplamiento inductivo), en un efecto estrictamente corto (es decir, el rango dentro de una longitud de onda de la señal).

Modelado EM clásico

Resolver las ecuaciones de Maxwell para los campos eléctricos y magnéticos para una fuente oscilante localizada, como una antena, rodeada de un material homogéneo (típicamente vacío o aire), produce campos que, lejos, decaen en proporción a 1/r{displaystyle 1/r} Donde r es la distancia de la fuente. Estos son los campos radiantes, y la región donde r es lo suficientemente grande para dominar estos campos es el campo lejano.

En general, los campos de una fuente en un medio isotrópico homogéneo se pueden escribir como una expansión multipole. Los términos en esta expansión son armónicos esféricos (que dan la dependencia angular) multiplicados por las funciones esféricas Bessel (que dan la dependencia radial). Para grandes r, las funciones esféricas Bessel decay como 1/r{displaystyle 1/r}, dando el campo radiado arriba. A medida que uno se acerca y se acerca a la fuente (smaller r), acercarse al campo cercano, otros poderes de r ser significativo.

El próximo término que se hace significativo es proporcional a 1/r2{displaystyle 1/r^{2} y a veces se llama mandato de inducción. Se puede considerar como la energía magnética primordial almacenada en el campo, y regresa a la antena en cada medio ciclo, a través de la autoinducción. Para incluso más pequeño r, términos proporcionales a 1/r3{displaystyle 1/r^{3} se hace significativo; esto a veces se llama campo electrostático y se puede pensar como derivado de la carga eléctrica en el elemento de 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 fuente misma, o tan pronto como uno ingresa a 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 dada 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, uno solo está interesado en 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 asumiendo una gran separación y eliminando todos los términos que proporcionan solo contribuciones menores al campo final. Estas distribuciones simplificadas se han denominado "campo lejano" y normalmente tienen la propiedad de que la distribución angular de la energía no cambia con la distancia, aunque los niveles de energía todavía varían con la distancia y el tiempo. Esta distribución de energía angular se suele denominar patrón de antena.

Tenga en cuenta que, según el principio de reciprocidad, el patrón observado cuando una antena en particular está transmitiendo es idéntico al patrón medido cuando se usa la misma antena para la recepción. Por lo general, 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 transformación 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 se puedan calcular, especialmente utilizando técnicas informáticas modernas. Un examen de cómo se forman los campos cercanos alrededor de una estructura de antena puede dar una gran idea de las operaciones de tales dispositivos.

Impedancia

El campo electromagnético en la región de 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 de la fuerza de los campos eléctrico y magnético, que en el campo lejano están en fase entre sí. Por lo tanto, el campo lejano "impedancia del espacio libre" es resistiva y viene dada por:

Z0=defμ μ 0ε ε 0=μ μ 0c0=1ε ε 0c0.{displaystyle Z_{0}mathrel {overset {compset {mathrm {def} } {} {=} {fnMicroc} # ¿Qué? ¿Por qué? ¿Qué? {1}{,varepsilon - ¿Qué?

Con la aproximación usual para la velocidad de la luz en el espacio libre c₀ ≈ 2.9979 × 10⁸ m/s, esto proporciona el uso frecuente expresión:

Z0.. π π 119.92Ω Ω .. π π 120Ω Ω .. 377Ω Ω {displaystyle Z_{0}approx pi ,119.92 {Mathsf {Omega }approx pi ,120 {Mathsf {Omega }approx 377 {fnMicrosoft Sans }

El campo electromagnético en la región de campo cercano de una antena de bobina eléctricamente pequeña es predominantemente magnético. Para valores pequeños de r/λ la impedancia de un bucle magnético es bajo e inductivo, a corto alcance siendo asintótico a:

SilencioZWSilencio.. π π 2240Ω Ω rλ λ .. 2370Ω Ω rλ λ .{fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft, {fnMicrosoft, {fnMicrosoft,}fnMicroc {fnMicrosoft,fnMicrosoft,}cfnMicrox 2,370fnMithsf {f}f}f}, {fnMicrosoftccccccccccccccccccccH0cH0ccH00cH00cH00cfnMicroxccccH0ccH0}ccH00ccH00cH00cH00fnMicrosoft,cH0}ccH00cfnMicroxfnMicroxccfnMicro {fnMicrosoft Sans Serif}

El campo electromagnético en la región de campo cercano de una antena de varilla eléctricamente corta es predominantemente eléctrico. Para valores pequeños de r/λ la impedancia es alta y capacitiva, a corta distancia siendo asintótico a:

SilencioZWSilencio.. 60Ω Ω λ λ r.{fnMicrosoft Sans Serif}\fnMicrosoft Sans Serif}, {fnMicrosoft Sans Serif},{fnMicroc {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}

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

Patentes

• George F. Leydorf, U.S. Patent 3,278,937, Antenna cerca del sistema de acoplamiento de campo. 1966.
• Grossi et al., U.S. Patent 3,445,844, Sistema de Comunicación de Radiación Electromagnética Trapped. 1969.
• U.S. Patent 3,461,453, Reducing-Noise With Dual-Mode Antenna. 1969.
• Coffin et al., U.S. Patent 3,662,389, Determination of Far Field Antenna Patterns Using Fresnel Probe Measures. 1972.
• Hansen et al., U.S. Patent 3,879,733, Método y Apparato para Determinar Patrones de Antena de Field. 1975
• Wolff et al.,U.S. Patente 5.459.405, Método y aparato para detectar la proximidad de un objeto utilizando efectos cercanos al campo