Los límites entre el campo cercano y el campo lejano

Primero empezaremos con un poco de historia. La invención de la pila de Volta, a principios de 1800, fue la causa de nuevos descubrimientos en el electromagnetismo que se iniciaron con el disco de Aragó (1)  hacia 1825, a quien se le relaciona como un colaborador de Fresnel i Fizeau en el experimento de la medida de la velocidad de la luz, que abre la puerta al electromagnetismo, al disco de Faraday y a la teoría de relatividad. En 1820 Oersted ya había publicado un trabajo en el que considera la identidad entre los fenómenos del magnetismo y de la electricidad, 14 días después Ampere enunciaba la interacción entre dos corrientes paralelas, fenómeno que sirve para definir la intensidad de una corriente eléctrica a partir de la fuerza que ejercen dos conductores. No es hasta 1905 que Einstein enuncia su célebre teoría, pero hoy sabemos que los experimentos sobre cargas en movimiento de Ampere fueron la primera manifestación experimental de la teoría de relatividad. Babbage i Herschell, el 16 de junio de 1825 introdujeron por primera vez en un artículo la noción de “inducción”, relacionando el magnetismo y la electricidad, concepto que posteriormente utilizaron Michael Faraday (1791-1867) y Joseph Henry (1797-1878) a los que se atribuye el descubrimiento de forma independiente del fenómeno de la inducción, alrededor de 1830. Como Faraday fue el primero en publicarlo, generalmente se le asigna el descubrimiento. 

El trabajo de Faraday condujo no sólo a las posteriores ecuaciones de Maxwell, sino que también propició su aplicación en los motores eléctricos y los generadores eléctricos. La inducción también ayudó al descubrimiento de un sistema práctico de telegrafía. Los primeros sistemas comerciales "inalámbricos" eran en realidad comunicaciones de campo cercano y permitieron a los operadores a bordo de un tren comunicarse con las estaciones en tierra, mediante el uso de un cable telegráfico instalado en paralelo a la vía del tren. De hecho, el sistema inalámbrico de inducción fue patentado primero por William Smith en 1881. Granville T. Woods también patentó un telégrafo de inducción más práctico en 1887. A medida que la tecnología avanzaba, los descubrimientos de Tesla, Hertz, Lodge y Marconi provocaron el interés por la comunicación a larga distancia y las comunicaciones de campo cercano fueron ignoradas a favor de la tecnología inalámbrica de campo lejano. En la época de la Segunda Guerra Mundial, la ingeniería de radio experimentó un importante crecimiento. Las ecuaciones de Maxwell se convirtieron en el fundamento de la ingeniería de radiofrecuencia (RF), y ésta se convirtió en una tecnología usada extensamente. El interés por las microondas para las aplicaciones del radar empujó la tecnología de RF a las altas frecuencias. Por ello, las comunicaciones de RF de campo cercano casi se olvidaron. 

Hoy en día, con la creciente demanda de comunicaciones de corto alcance y alta frecuencia, las comunicaciones de campo cercano (NFC: “Near Field Communication”) están emergiendo como la mejor solución para una gran variedad de problemas. Las comunicaciones NFC permiten el intercambio de datos entre dispositivos a corta distancia. Las normas de NFC cubren protocolos de comunicación y formatos de intercambio de datos que también se usan para efectuar pagos con muy alta seguridad usando los teléfonos móviles, además de otras aplicaciones en general.

Además de las comunicaciones NFC, hay otro aspecto a considerar sobre los campos cercanos. Cuando los ingenieros de diseño electrónico deben realizar pruebas de pre-evaluación de compatibilidad electromagnética (CEM) en un nuevo prototipo, deben saber localizar las posibles fuentes de interferencia electromagnética (EMI) y sus posibles receptores. También deben saber si el generador de EMI está en la zona de campo cercano o de campo lejano. Veamos seguidamente las definiciones. Los términos "campo lejano" y "campo cercano" describen los campos alrededor de una antena o, más generalmente, de cualquier fuente de radiación electromagnética.

El campo cercano está muy cerca del generador de EMI (o de la antena transmisora), mientras que el campo lejano está más lejos. El campo cercano es la región del espacio donde la onda electromagnética posee un campo conservativo y donde la onda es predominantemente de campo magnético (H) o de campo eléctrico (E) y no mantiene la relación de 377 Ω (impedancias del vacío) entre ambos. Si el generador tiene una fuerte intensidad eléctrica y baja tensión (E / H < 377Ω), el campo cercano es predominantemente magnético. Contrariamente, si el generador tiene una alta tensión y baja intensidad (E / H > 377 Ω), el campo cercano será principalmente eléctrico. Si E > H, el campo E se atenúa, conforme nos alejamos de la fuente, proporcionalmente a 1/d³ (d: distancia entre generador y el punto de observación (receptor)), mientras que el campo H se atenúa proporcionalmente a 1/d². Contrariamente, si la intensidad H > E, el campo H se atenúa proporcionalmente a 1/d³, mientras que el campo E se atenúa proporcionalmente a 1/d². En el campo cercano, la relación mutua entre E y H depende del tipo de fuente de EMI (tipo monopolo/dipolo o bucle, respectivamente) y de la distancia entre el generador y el punto de observación. Por lo tanto, la determinación de uno de los campos no es suficiente para calcular el otro.

El campo lejano es la región del espacio donde la onda electromagnética es radiante y está lejos del generador en términos de longitud de onda. En esta región, E / H = 377 Ω. Esto significa que E es 377 veces mayor que el campo H y ambas intensidades de campo, E y H se atenúan proporcionalmente a 1/d. Ambos campos están a 90º entre ellos. Aquí el conocimiento de uno de los campos, por ejemplo, E, permite la determinación del otro (H), utilizando la relación en la que estas dos cantidades se relacionan entre sí por medio de la impedancia del espacio libre (377Ω).

Una analogía para entender el significado del campo cercano es pensar en una lancha a motor haciendo las veces de una fuente de EMI. Al avanzar por el agua, la hélice de la lancha genera en sus proximidades unas ondas en el agua totalmente irregulares, mezcla de muchas perturbaciones; esto es análogo al campo cercano. Pero a medida que la lancha se va alejando, la perturbación en el agua se va atenuando y las ondas se vuelven más uniformes y espaciadas de forma regular. Esto es similar al campo lejano.

Entre el campo lejano y el campo cercano hay dos regiones con un límite entre ellas. La posición geométrica donde se sitúa este límite no está clara. Hay diversos puntos de vista para establecer este límite. El punto de vista de los ingenieros de CEM difiere de los ingenieros expertos en diseño de antenas. Para los ingenieros de antenas, el campo lejano empieza a una distancia de 3λ de la fuente del campo, donde λ es la longitud de onda, en el aire o en el vacío  λ = c/f, siendo f  la frecuencia del campo y c la velocidad de la luz. Para otro material λ = c / ( εr )1/2 f , siendo εr la permitividad eléctrica del medio relativa al vacío (en el vacío εo = 1, en el aire εo = 1,006 , y para FR4 εr = 4,5 a 10 MHz).

Otra propuesta proveniente de ingenieros de antenas, es que el campo lejano comienza en 50D2/λ, donde D es la mayor dimensión de la antena transmisora. En cambio, para algunos ingenieros de CEM, el campo lejano comienza en 5λ/2π ≈ 0,79 λ. Y para los dos reconocidos mejores expertos en CEM (Henry Ott y Clayton R. Paul), el límite entre los dos tipos de campo está situado en λ/2π ≈ 0,159λ. ¿Quién tiene razón?

Entre el campo lejano y el campo cercano en realidad se pueden definir tres regiones y dos límites.  Estos límites no están fijos en el espacio, son arbitrarios y se mueven más cerca o más lejos de la fuente de EMI, dependiendo de la frecuencia de la radiación y del error de medida que se puede tolerar en cada caso. Las transiciones entre regiones son suaves y continuas. La figura 1 muestra un breve resumen de la exploración de la literatura de referencia con los términos que se aplican al modelo de tres y la figura 2 lo presenta para el modelo de dos regiones. 

Para los diseñadores de blindajes es importante saber cómo cambia la impedancia de onda en función de la distancia desde la fuente de EMI. La definición del límite entre el campo cercano y el campo lejano a través de la impedancia de onda consiste en determinar cuándo una onda electromagnética se convierte en "constante". Como se ha visto, calculando el ratio entre E y H de una fuente de EMI se puede saber la impedancia de la onda y determinar el nivel de protección de un blindaje frente a la onda incidente. Si se desea usar la aproximación de las tres regiones, se pueden usar las siguientes fórmulas.

Para el campo cercano:               d < 0,1 (λ / 2 π)

Para la región de transición:      0,1 (λ / 2 π) < d < 0,8 (λ / 2 π)

Y para el campo lejano:               d > 0,8 (λ / 2 π)

Un diseñador de antenas examinaría la ubicación de los límites usando los parámetros de una antena dipolo, determinando el límite en función de la fase de la onda en una antena. En la proximidad inmediata de la antena, tenemos el campo cercano reactivo. En esta región, los campos son predominantemente reactivos, lo que significa E y H están fuera de fase de los 90 grados entre sí (para radiar campos, éstos son perpendiculares, pero están en fase). El campo cercano radiante o zona de Fresnel es la región entre el campo cercano y el campo lejano. En esta región, no dominan los campos reactivos y los campos radiantes comienzan a emerger. 

Por último, la tabla 2 aporta las distancias mínimas para el campo lejano para unas cuantas frecuencias y para los dos criterios de CEM:   λ / 2 π  y  5λ / 2 π.

(1) Francesc Joan Domènec Aragó i Roig nació el 26 de febrero de 1785 en Estagel (Pirineu Oriental) situado a 25 km de Perpinyà , y desarrolló una larga carrera científica hasta su muerte en 1853)

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