¿Los conductores en el campo cercano reactivo de una antena causan pérdidas?

Estaba leyendo sobre el campo cercano reactivo de una antena aquí, parte de la parte relevante de la cual se cita a continuación:

"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 ve 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".

No estoy seguro si entiendo esto correctamente, o al menos su implicación en el mundo real. ¿Significa esto que colocar cualquier tipo de metal cerca de una antena transmisora ​​o receptora causará alguna pérdida adicional en forma de acoplamiento inductivo y electrostático? ¿Estas pérdidas provendrían del Efecto Faraday y esencialmente usarían energía del campo eléctrico para cargar un metal cercano como cargar un capacitor respectivamente? ¿Significa esto que en el mundo real los diseñadores de antenas y RF deben asegurarse de que no haya metales ni ningún otro conductor dentro del campo cercano reactivo de sus antenas? ¿Me equivoco en mi comprensión, o quizás el efecto es demasiado pequeño para tener importancia en la práctica?

¿Entiende que el metal en el campo lejano no representa una pérdida o carga extra en la antena transmisora?
Entendí que cualquier metal fuera del campo cercano reactivo, por lo que cualquier cosa en el campo cercano radiativo o en el campo lejano, no representaría una carga adicional y causaría pérdidas. Creo que esto se debe a que a esas distancias ya no hay ningún retorno/almacenamiento reactivo de energía. Supongo que la pérdida solo sería el resultado de los efectos faraday / electrostáticos muy cerca (campo cercano reactivo) de la antena que le preocuparían en casi cualquier diseño de circuito, no solo RF o antenas. Si esto es incorrecto por favor hágamelo saber!

Respuestas (3)

¿Los conductores en el campo cercano reactivo de una antena causan pérdidas?

No necesariamente. Considere una antena dipolo bien diseñada; puede colocar una matriz de "otros elementos" a su alrededor y convertir el dipolo en una antena Yagi-Uda: -

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La antena Yagi-Uda usa "otros elementos" de manera constructiva para producir una emisión EM dirigida hacia una dirección particular. Estos elementos adicionales se encuentran en el campo cercano de la sección dipolo de la antena. La radiación EM se enfoca así: -

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Reconocimiento: Por Chetvorno - Trabajo propio, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=54323935

Si la ubicación de estos elementos no se controla con precisión, se producen alteraciones en la impedancia eléctrica que se ve en los terminales de la antena. De hecho, algunos diseños de Yagi-Uda utilizan esto y convierten los 73 ohmios naturales del dipolo (la parte impulsada de la antena) en algo radicalmente diferente.

La implicación de esto es que la colocación ad hoc de material perfectamente conductor alrededor de una antena dipolo cambiará significativamente la impedancia eléctrica. Básicamente, la antena se desafina desde su frecuencia óptima; la presencia de material conductor reduce la impedancia eléctrica y el dipolo se convierte en lo que se conoce como "corto". Considere el dipolo y lo que sucede cuando no lo opera en el punto de resonancia perfecto: -

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Cuando la longitud de la antena corresponde a media longitud de onda (punto de funcionamiento nominal de un dipolo) la impedancia real es de 73 ohmios y la impedancia reactiva es cero. Si la antena se "acorta" por la presencia de elementos conductores, la parte "real" de la impedancia cae rápidamente hacia cero ohmios y la parte reactiva se vuelve capacitiva, aumentando rápidamente en impedancia a medida que se acorta la longitud.

Dado que el sistema de suministro de energía eléctrica a una antena se basa en la adaptación de impedancia, puede ver que es inevitable un aumento en la pérdida de energía. No es irreconciliable; podría colocar un transformador y un inductor en los terminales del dipolo para convertir las impedancias y mantener el mismo suministro de energía, pero las pérdidas adicionales son inevitables. El mayor de ellos es la propia pérdida de conducción de la antena. Una vez que las pérdidas por conducción de la antena comienzan a convertirse en un porcentaje significativo de la resistencia a la radiación eléctrica, se encuentra en la pendiente descendente.

Considere también la colocación de un conductor realmente grande cerca de un dipolo. Llamemos a ese gran conductor "tierra". El siguiente gráfico muestra cómo cambia la impedancia resistiva a medida que el dipolo se eleva una distancia sobre el suelo: -

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Si colocó el dipolo solo a una pequeña distancia sobre el suelo (0,2 longitudes de onda o menos), puede ver que la impedancia se reduce significativamente y se hace más pequeña a medida que se acerca el suelo.

La conclusión de lo que estoy tratando de decir es que el artículo wiki es correcto, pero es secundario al panorama general que he tratado de esbozar arriba. Las pérdidas debidas a desajustes de impedancia (causadas por materiales/conductores localizados) son mucho más significativas que las pérdidas dieléctricas o de conducción reales en esos materiales.

Gracias, ciertamente entiendo ahora cómo el desajuste de impedancia es muy significativo en términos de pérdidas, ¡creo que lo ha cuantificado bien! Si bien intuitivamente tiene sentido que las pérdidas por conducción/dieléctricas no sean significativas en comparación con las pérdidas por desajuste de impedancia, no puedo decir que entiendo por qué esto es cuantitativamente. ¿Conoce algún recurso que cuantifique estas pérdidas para que pueda ver con matemáticas/cifras cuán insignificantes son en comparación con el efecto de desajuste de impedancia? Me pregunto qué porcentaje de la pérdida total podría deberse a estos efectos en una aplicación de antena típica.
No conozco ningún otro recurso que no sea profundizar y ensuciarse en Google. Un enfoque diferente sería olvidarse de que la antena es un radiador electromagnético y solo concentrarse en los fenómenos de campo cercano de las bobinas acopladas según las etiquetas de campo cercano que usan solo la energía magnética. Todo se reduce a que el conductor deshonesto es un giro en cortocircuito con pérdidas resistivas. Puede modelar la antena como un circuito paralelo sintonizado y el pícaro como un solo giro con suficiente resistencia para no destinar la frecuencia resonante pero lo suficientemente baja como para tomar una potencia significativa
Por supuesto, este modelo no produce energía em de campo lejano, pero, lo que es más importante, desperdicia energía en el metal rebelde. Esta puede ser una ruta más productiva para obtener la idea. Nunca es fácil cuando se trata de antenas; una ecuación simple puede convertirse en una integral triple prácticamente imposible de resolver y es posible que haya notado que no hay buenas visualizaciones de cómo los campos e y h dispares (en el campo cercano) se alinean mágicamente en el campo lejano. Por lo tanto, olvídese de una antena que convierte 73 ohmios en espacio libre de 377 ohmios y concéntrese en la inducción de corrientes de Foucault del campo magnético, pero no a expensas de la desafinación.
Tan pronto como haya una desafinación significativa, estará alterando la impedancia de la antena de una manera compleja y aquí es donde la analogía del circuito sintonizado fallará.

Cualquier tipo de metal cerca de la antena absorberá la energía del campo de RF e inducirá corrientes de Foucault en el metal.

No es como cargar un capacitor. Eso significaría que la energía eléctrica simplemente se movió a otro lugar pero todavía está allí. En cambio, las corrientes de Foucault convertirán la energía en calor.

El transmisor 'verá' esta pérdida de energía. Una forma de ver esto es que la impedancia de la antena y la red de adaptación disminuirán.

Por ejemplo, el transmisor verá una carga más grande.

Como diseñador de RF, normalmente intentará minimizar los metales cerca del campo de RF, pero eso no siempre es posible. Una forma de solucionarlo es alejar el campo del metal utilizando material de ferita.

También es trabajo de los diseñadores de RF asegurarse de que, sin importar cuánto metal coloque cerca de la antena, la impedancia nunca sea tan baja que el transmisor se sobrecaliente (recuerde, la impedancia es baja, por lo que cuanto más metal coloque cerca de la antena, más la antena parece un cortocircuito).

Puede hacer esto utilizando el hecho de que el metal cerca de la antena tiene un efecto de desafinación y el sistema de antena se desafinará rápidamente para la frecuencia de RF objetivo. Esto ya limita un poco la cantidad de energía transferida desde el transmisor a la antena.

Entiendo la parte actual de Foucault de "succión de energía del campo de RF". Esa es más o menos la ley de Faraday y es causada por el campo magnético y no se parece en nada a cargar un capacitor como dijiste. Pero, ¿no existe también un segundo efecto causado por el campo eléctrico, además de este primer efecto causado por el campo magnético? ¿La parte del campo eléctrico de la onda EM en el campo cercano no inducirá algún voltaje o carga en el metal cerca de la antena?
"Cualquier tipo de metal cerca de la antena absorberá la energía del campo de RF e inducirá corrientes de Foucault en el metal". Si bien eso es técnicamente cierto para cualquier metal con pérdida real, ¿es prácticamente un factor importante aquí? A menudo, podemos diseñar antenas utilizando una aproximación perfectamente conductora de electricidad (PEC) a cualquier metal real que se utilice. Los PEC no tienen pérdidas. Si esa aproximación es válida dentro de una antena, ¿por qué no sería válida en el campo cercano fuera de la antena? Creo que la mayor parte de lo que dices se trata realmente de desafinar una antena, no de pérdida de energía.

Los pedazos de metal cerca de la antena pueden o no tener corriente inducida, pero no es necesario que causen pérdida de señal. También pueden causar la dirección del haz o (si, por ejemplo, el metal es un plato) pueden causar una ganancia de antena significativa (no ganancia de potencia, 'ganancia de antena' significa enfoque o limitación de dirección para formar un haz).

Sin embargo, una antena bien sintonizada puede volverse menos efectiva debido a la alteración de la impedancia activada. La antena normalmente tendrá una red de sintonización que se ajusta para la eficiencia del transmisor, y ese ajuste determina las pérdidas en la transmisión. Agregar o eliminar un objeto de metal probablemente causaría pérdidas debido a una mala afinación.

Para la primera parte de su respuesta, ¿cuál sería una situación en la que no tendrían corriente inducida? ¿No dicta la Ley de Faraday que se debe inducir alguna corriente del campo magnético cambiante normal a la superficie del conductor, a menos que se suponga que la antena es altamente direccional y simplemente no hay radiación donde están los trozos de metal? ¿Está diciendo que en una antena parabólica, el plato no tiene corriente inducida por la Ley de Faraday? ¿Y también implica que incluso si hay corriente inducida, es posible que no haya pérdida de señal? ¿Cómo podría ser esto?
Una antena dipolo crea un campo E que es vertical; por lo tanto, no inducirá corrientes en una delgada pieza horizontal de metal: la dirección es incorrecta. Es normal que las antenas tengan elementos pasivos activados y no conectados (o conectados a tierra), es decir, 'piezas de metal cercanas'. El campo magnético produce corrientes CIRCULARES, pero un elemento largo y delgado... no completa tal circuito. En cuanto a la 'pérdida de señal', eso depende de la dirección: después de todo, no le importa si la señal no penetra en el suelo. La pérdida ocurre independientemente.
Gracias, siento que entiendo las respuestas a todas mis preguntas excepto la última y eso es porque no la hice bien. No quise decir "pérdida de señal" sino "pérdida de antena" en las corrientes inducidas (suponiendo que la geometría del metal admita corrientes circulares, que como ha demostrado podría no ser el caso) en metales en el campo cercano reactivo almacenaría /devolver energía (reactiva) a la antena en lugar de permitir que se irradie hacia el campo lejano, esa energía se "perdería". Eso pasaría, ¿verdad?
La pérdida de energía, es decir, el calentamiento resistivo, ciertamente puede ocurrir (pero intente colocar algunos trozos de alambre en un plato de papel en un horno de microondas: solo las longitudes resonantes hacen marcas de quemaduras). La dispersión de energía en direcciones inútiles es más probable.
¿Los conductores en el campo cercano reactivo de una antena causan pérdidas?
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