Energías de los campos en una onda plana, atenuadas y no atenuadas

Esta es una combinación de dos de mis preguntas anteriores ( pregunta 1 y pregunta 2 ) que están relacionadas.

Estoy tratando de aprender cómo se transporta la energía en los componentes eléctricos y magnéticos de una onda plana y cómo esos campos y energías se ven afectados por una barrera atenuante.

En las figuras 1-4, una onda plana a una frecuencia de 4 MHz con una intensidad de campo eléctrico E 0  = 377 V/m y una intensidad de campo magnético H 0  = 1 A/mestá viajando en el espacio libre. Las figuras 1 y 3 muestran una antena dipolo y las figuras 2 y 4 muestran una antena de cuadro. Las antenas son resonantes a 4 MHz, tienen áreas de captura de igual tamaño y no tienen pérdidas. Mi intención es que, por simplicidad, no introduzcan ninguna de las propiedades típicas de antenas o inductores; más bien, actúan como sensores perfectos de las intensidades de campo EM, convirtiendo el 100 % de la energía que encuentran en corriente. Ambas antenas también están diseñadas para tener una impedancia de salida equivalente idéntica [según la sugerencia de Andy alias]. Suponga que en las figuras 3 y 4, cada antena se coloca a una distancia de la barrera de modo que sus áreas de captura encuentren intensidades de campo iguales y que la barrera sea un plano infinito.

Fig. 1, que muestra un dipolo que se encuentra con una onda plana

La figura 1 muestra una antena dipolo que se encuentra con un campo eléctrico de intensidad E0 = 377  V/m .

Fig. 2, que muestra un bucle que se encuentra con una onda plana

La figura 2 muestra una antena de cuadro que se encuentra con un campo magnético de fuerza H0  = 1 A/m .

Gracias a Andy alias y otros, tengo entendido que las energías transportadas en los campos eléctrico y magnético de una onda plana son iguales, una transmite la energía como voltaje y la otra como corriente, respectivamente, de modo que la antena emite en la Fig. 1 y La figura 2 son iguales.

yo higo 1  = yo higo 2

No sé cómo calcular la salida de corriente de cada antena, pero si la ley de Ohm fuera algo análoga, en ambos casos sería 1A.

Fig. 3, que muestra una onda plana atenuada por una barrera y recibida por una antena dipolo

La figura 3 muestra una barrera conductora que atenúa el campo eléctrico E0 en 50 dB y una antena dipolo.

En este caso, el campo eléctrico atenuado E 1  = 1,19 V/m . Una vez más, no sé cómo calcularlo, pero si la ley de Ohm fuera análoga, la corriente de salida de la antena en la figura 3 sería de aproximadamente 3,77 mA.

Fig. 4, que muestra una onda plana atenuada por una barrera y recibida por una antena de cuadro

La figura 4 muestra la misma barrera conductora, que es más delgada que una profundidad de piel a 4 MHz, y una antena de cuadro.

Gracias a Neil_UK, analogsystemsrf y Andy aka, tengo entendido que una barrera conductora atenúa un campo magnético de CA a una cantidad determinada por la frecuencia del campo y el material y el grosor de la barrera. Se requiere una barrera relativamente gruesa para atenuar las bajas frecuencias y la atenuación proporcionada por un espesor dado aumenta con la frecuencia. También tengo entendido que si el campo E está fuertemente atenuado y el campo H está muy débilmente atenuado, el campo H se propaga con una fuerza que disminuye por el cuadrado de la distancia desde la barrera.

Entonces, si la barrera es extremadamente delgada, la corriente de salida de la antena en la Fig. 4 se aproximaría a 1A, suponiendo que la Ley de Ohm nos lleve a algún lugar en el estadio y que la antena esté bastante cerca de la barrera.

Entonces, mi pregunta tiene 3 partes:

  1. ¿Qué le sucede a la onda plana en la barrera? Sé que los campos E y H de una onda plana están en fase entre sí, así que supongo que cuando la onda golpea la barrera, los campos se desfasan entre sí y el comportamiento (o el comportamiento si lo prefiere) ) se parece más a la radiación de campo cercano, en la que E o H pueden dominar. ¿Está esto cerca de ser correcto?

  2. ¿Cómo se puede calcular la salida de la antena en la Fig. 4, I Fig. 4 ? Si la barrera está hecha de lámina de cobre, según lo que dijo analogsystemsrf, creo que podría calcular la salida de la antena en función de 8,6 dB de atenuación por profundidad de piel en la frecuencia de interés, y una fracción de 8,6 dB en un espesor de menos que una profundidad de piel. ¿Está bien?

  3. ¿Cuáles son las fórmulas que se usarían para calcular la corriente de salida de la antena en cada uno de los ejemplos anteriores? Si alguien quiere tomarse el tiempo para señalar las fórmulas que podrían usarse con antenas reales, sería fantástico.

correcciones

Unas semanas después de publicar esta pregunta, aprendí que los campos E y H en una onda plana no actúan de forma independiente, lo que significa que no requieren consideraciones de blindaje por separado. En otras palabras, para ondas planas, la efectividad del blindaje magnético es equivalente a la efectividad del blindaje eléctrico. Entonces, mi discusión de la figura 4 contiene errores y mi pregunta de 3 partes contiene suposiciones incorrectas. La corriente inducida en la antena de la figura 4 sería la misma que la inducida en la figura 3. Consulte la respuesta aceptada a esta pregunta para obtener más aclaraciones y la respuesta a la parte 1 de mi pregunta anterior sobre lo que sucede cuando la onda plana golpea la barrera.

Buena pregunta. Creo que un pequeño error; realmente no puede igualar las dos corrientes para la figura 1 y la figura 2 sin afirmar que ambas antenas también están diseñadas para tener una impedancia de salida equivalente idéntica. Por ejemplo, un monopolo de cuarto de onda se verá como una señal (extraída del éter) en serie con 37 ohmios en su frecuencia óptima y muy diferente en otras frecuencias. No puedo recordar de antemano qué impedancia presenta un bucle en su frecuencia óptima, por lo que tal vez deba investigar esto. Nunca es tan fácil como crees, pero es una buena pregunta y está bien presentada +1
Muchas gracias por ayudarme a aumentar mi comprensión de esto. Agregué tu frase sobre las impedancias de salida de la antena.

Respuestas (1)

Cuando la onda EM ilumina la lámina resistiva, inducirá que fluyan corrientes en ella. Estas corrientes irradiarán nuevas ondas EM, la hoja se convierte en una nueva antena. Como tal, tendrá un conjunto de ondas de campo cercano (no radiante) y de campo lejano (irradiante) que viajan hacia el exterior.

La impedancia en la barrera no es de 377 ohmios. La corriente que calcularías allí tendría una proporción diferente. Solo varias longitudes de onda en el campo lejano se habría extinguido la onda no radiante (evanescente), dejando la onda radiante limpia, que ahora tendría su relación eléctrica/magnética de 377 ohmios.

Sería un trabajo complicado calcular las corrientes en la barrera dada la onda EM incidente, especialmente debido a la onda reflejada, la transmisión parcial a través de la barrera y la re-radiación desde ambos lados, todo con una impedancia bastante diferente a la de espacio libre.

Este tipo de cosas se hace con solucionadores de campo, en lugar de ecuaciones.

Gracias, Neil. Veo que no dejé lo suficientemente claro en la redacción que la corriente que me interesa es la salida de la antena, no la corriente en la barrera. Corregiré eso. Tu respuesta tiene sentido para mí. Cosas muy, muy interesantes.
Tenía bastante claro que te interesaba la salida de antena. Sin embargo, hablé sobre las condiciones en la barrera para señalar que su ganancia de barrera de -50dB no era una simple atenuación del campo EM, sino un problema completamente complicado de cambio de impedancia, campos cercanos/lejanos, y solo en el límite del campo lejano. sería simple de nuevo. Obtendría la ganancia de barrera de -50dB de mediciones de campo lejano/simulación/resolución de campo, por lo que este es en gran medida un caso de un truco de magia en el que el mago pone solemnemente el conejo en el sombrero en el escenario.
Todo esto está ampliando mi comprensión, así que responderé de la única manera que sé. La aplicación es un recinto, cuyo tamaño, creo, garantizaría que estaría tratando solo con señales de campo cercano dentro de la barrera. Al comparar las mediciones de campos eléctricos blindados y no blindados, he observado caídas de ganancia de 50 dB o más. ¿Eso no representa datos utilizables? ¿Cuán vital sería obtener la comprensión que proporcionaría un solucionador de campo? No tengo acceso a uno, y contratar un laboratorio de pruebas estaría fuera de mi presupuesto.
Si es el caso de que tiene una geometría específica y un objetivo específico, entonces le sugiero que pregunte específicamente sobre eso, con un boceto acotado, en lugar de ir por las casas preguntando sobre cosas que pueden o no ser fácilmente escalables a lo que usted realmente quiero Su ilustración muestra un pequeño parche de hoja conductora, que tendrá efectos de borde que varían con la frecuencia y fuertes diferencias entre cerca y lejos, por lo que es vital saber exactamente dónde se encuentra en el campo cercano. Y cuando está en el campo cercano, si la geometría no es trivial, entonces necesita solucionadores de campo o acepta grandes aproximaciones.
Un elemento de aclaración sería con respecto al escudo en mis diagramas, que dije que representa un plano infinito. Pero eso es partir liebres ;^) como ya respondiste mi pregunta. Pero este chat adicional es bastante valioso para mí. ¿Quizás discutir en otro lugar estaría de acuerdo con las pautas del foro si está de acuerdo? En cuanto a la geometría, la forma es aproximadamente cilíndrica y no rígida. Los artículos encerrados se colocan dentro de una longitud de onda de todas las frecuencias y pueden estar a menos de un milímetro de la pared. Mi plan es probar con antenas receptoras en tantas posiciones como sea posible.
O, ¿la discusión adicional requiere otra pregunta?
En realidad, creo que lo más cerca que estaría un conductor que podría acoplarse a la pared serían unos pocos milímetros.
Hice la pregunta con la esperanza de obtener principios generales, y usted me la proporcionó. Pero ¿por qué la crítica? Mencioné la aplicación solo para llegar al hecho de que se observan -50 dB. Si hay un número "mágico" involucrado, sería la atenuación anunciada de mfr, que es mucho más alta. Ahora veo que deben haber probado en el campo lejano, y mis números son más bajos probablemente debido a los efectos del campo cercano. Supongo que un solucionador de campos mostraría por qué mis números son más bajos. Pero no estoy tan interesado en eso como en la atenuación más baja observada por f en muchas pruebas con múltiples posiciones de antena Rx.
Energías de los campos en una onda plana, atenuadas y no atenuadas
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