Dlaczego prosty przewodnik zaczyna emitować fale elektromagnetyczne podczas przenoszenia sygnału?

Rozumiem, że na śladach płytki drukowanej z zegarem, jeśli wyższe harmoniczne mają wystarczającą moc, powoduje to, że fale elektromagnetyczne są emitowane ze śladów, które tworzą EMI. Nie rozumiem tylko, dlaczego tak się dzieje?

Dlaczego prąd o wysokiej częstotliwości musi przejść przez przewodnik, aby emitować promieniowanie elektromagnetyczne i dlaczego nie dzieje się tak w przypadku prądów o niskiej częstotliwości? Rozumiem, że ślad płyty zaczyna w zasadzie zachowywać się jak antena w tym przypadku, ale nie znam przyczyny.

Dalsze pytanie ...

ale nie rozumiem, dlaczego przepływ elektronów będących istotami fizycznymi powoduje emisję tych fal elektromagnetycznych

Dlaczego występuje „promieniowanie”?

Spójrzmy na to konkretnie, ponieważ jest to powszechny (i doskonały) problem.

Oto prosty przewód, natychmiast podłączony do źródła napięcia:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

W tym momencie różnica potencjałów między lewym końcem drutu (w pobliżu źródła) a uziemieniem wynosi 1 wolt.

Skrajny drugi koniec drutu wciąż znajduje się na ziemi (różnica 0), ponieważ siła elektromotoryczna (napięcie) źródła nie rozprzestrzeniła się jeszcze na drugim końcu drutu.

W miarę upływu czasu napięcie w przewodzie wzrasta:

^{zasymuluj ten obwód}

Elektrony w przewodniku są przyspieszane przez pole elektryczne (energia potencjalna źródła jest przekształcana w energię kinetyczną w elektronach).

Kiedy elektrony osiągną koniec *, nie mogą fizycznie kontynuować - nie ma już przewodnika, który mógłby się rozprzestrzeniać!

... ale ładunki te mają pęd w kierunku drutu (np. istnieje energia kinetyczna).

Kiedy ładunki nagle zatrzymują się na końcu drutu, prawo zachowania energii wymaga, aby energia ta „gdzieś” poszła - nie może po prostu zniknąć!

Odpowiedzią jest promieniowanie . Energia opuszcza koniec drutu w postaci fali elektromagnetycznej.

* Należy zauważyć, że te same elektrony, które zaczynają się poruszać na jednym końcu drutu, niekoniecznie są tymi samymi elektronami, które docierają do drugiego końca drutu, ale nie jest to istotne dla naszej dyskusji.

Opad

Wynika z tego wiele schludnych rzeczy. Na przykład, możesz pomyśleć o drucie w naszym przykładzie jako złożonym z nieskończenie wielu mniejszych drutów. Dla każdego z nich to samo zachowanie byłoby prawdziwe (dlatego promieniowanie występuje na całej długości).

Możesz także zobaczyć, dlaczego promieniowanie wynika ze zmiany pola elektromagnetycznego (np. Ze zmiany prądu).

Możesz zrozumieć, jak działają anteny liniowe. W naszym przykładzie wyobraźmy sobie teraz, że właśnie w momencie, gdy napięcie osiąga szczyt na drugim końcu, przełączamy źródło z powrotem na 0,0 V. Miałbyś teraz identyczny obraz, ale odwrócony (1,0 V po prawej, 0,0 V po lewej), a proces zacznie się od nowa.

Powtarzaj ten proces, a elektrony biegną bez końca w tę iz powrotem (na całej długości drutu) od jednego końca do drugiego. To idealna antena liniowa („radiator”).

Gdyby drut był zbyt krótki, ruch byłby mniejszy, a jeśli byłby zbyt długi, byłoby za dużo. Napięcie będzie rosło dalej w dół drutu, gdy zmniejszysz napięcie w pobliskim odcinku (wyniki zakłóceń, które trudno jest zobrazować za pomocą tych prostych liczb).

Teraz możesz intuicyjnie śledzić zachowanie ...

Rozumiem, że ślad płyty zaczyna w zasadzie zachowywać się jak antena w tym przypadku, ale nie znam przyczyny.

Przy niskich częstotliwościach (tak naprawdę niskich prędkościach krawędziowych w obwodach „cyfrowych”) elektrony mają czas, aby dotrzeć do końca drutu, zanim źródło zostanie przełączone i elektrony zostaną poproszone o powrót. Nazywa się to „elementem skupionym”.

Napięcie na każdym końcu drutu jest zasadniczo zawsze takie samo. Takie zachowanie uczymy wprowadzających studentów elektroniki (drut jest powierzchnią ekwipotencjalną = wszędzie takie samo napięcie).

Wraz ze wzrostem częstotliwości mają one coraz mniej czasu na uruchomienie i nie można zagwarantować, że napięcie na każdym końcu drutu będzie zawsze takie samo, jak pokazano na poprzednich rysunkach.

W projektowaniu płytek drukowanych nie musisz się zbytnio przejmować promieniowaniem z elementów skupionych. Prostym przybliżeniem jest:

1. Znajdź najszybszy czas narastania (1 / szybkość zbocza) w sygnalizacji = Tr
2. Znajdź maksymalną częstotliwość zawartą w tym zboczu = f
3. Utrzymuj ścieżki o rząd wielkości krótsze niż odpowiadająca im długość fali

To jest:

gdzie c_m jest prędkością światła w ośrodku (zazwyczaj dla miedzi w stosunku do FR-4 PCB c_m wynosi około 1,5e8).

Zamiast rygorystycznego matematycznego traktowania, oto nieco wymachujące wyjaśnienie:

Każdy drut ma wokół siebie pole magnetyczne (prostopadłe do długości drutu), gdy przepływa przez niego prąd. Jednak skuteczne uruchomienie fali elektromagnetycznej wymaga również spadku napięcia (pole E) pod kątem prostym do pola M (wzdłuż długości drutu).

Przy niskich częstotliwościach jedyny spadek napięcia jest spowodowany stratami I ² R w przewodzie, co zwykle nie jest bardzo znaczące. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości masz do czynienia z dwoma efektami. Po pierwsze, straty I ² R zaczynają rosnąć w wyniku „efektu skórki” w przewodzie. Po drugie, skończony czas propagacji sygnału wzdłuż drutu oznacza, że ​​końce drutu są pod różnymi napięciami w miarę zmiany sygnału. Ten drugi efekt staje się szczególnie znaczący, gdy częstotliwość sygnału wzrasta do punktu, w którym długość fali 1/4 odpowiada długości drutu.

Wszystkie sygnały prądu przemiennego emitują promieniowanie elektromagnetyczne ze swoich przewodników, ale wydajność tego procesu zależy w dużym stopniu od stosunku długości fali sygnału do długości anteny. Wyższe częstotliwości mają krótsze długości fali i promieniują wydajniej od długości śladów, które można znaleźć na normalnej płytce drukowanej.

Jeśli do urządzenia podłączony jest kabel, np. Kabel zasilania lub audio, wygląda to na dłuższą antenę, która może emitować niższy zakres częstotliwości.

Oto zdjęcie, które może pomóc: -

Zdjęcie pokazuje antenę antenową, ale po prostu jest to antena jak kawałek drutu lub ślad na płytce drukowanej, ALE pamiętaj, antenę zaprojektowano tak, aby emitowała skutecznie na określonej częstotliwości, podczas gdy ścieżki i przewody mogą „rezonować” przy kilku długościach fal .

W pobliżu przewodu / anteny / śladu / anteny wytwarzane są pola elektryczne i pola magnetyczne, które magazynują energię tak samo jak cewki indukcyjne i kondensatory - pola te (blisko anteny) nie promieniują bardzo daleko. Zauważ, że na zdjęciu kropkowane linie nakładają się i przecinają - obraz próbuje reprezentować „niezgodność” między polami E i M. Szukam odpowiedniego słowa do użycia tutaj ... Myślałem „niespójność”, ale może nie, może jest lepsze słowo niż niezgodność.

Wraz ze wzrostem odległości w kierunku równoważnika około 1 x długości fali, jeśli antena jest wydajna, części E i M zaczynają się „wyrównywać” w czasie, tj. Ich amplitudy rosną i opadają razem. Wcześniej (w polu bliskim) występuje kakofonia niewspółosiowości, która wynika głównie z L i C anteny - pola E i M nie są wyrównane w czasie i w rzeczywistości pola E i M wokół anteny mogą być zrównany pozornie prawie przypadkowo.

Wraz ze wzrostem odległości ORAZ, jeśli antena dobrze wykonuje swoje zadanie, w tak zwanym polu dalekim wytwarzane są odpowiednie fale elektromagnetyczne. To wciąż dla mnie bardzo tajemnicze zjawisko!

Jak wiadomo, prąd stały przez drut jest otoczony polem magnetycznym, którego siła jest proporcjonalna do prądu. Prawdopodobnie znasz również mechanizm indukcji; zmieniające się pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Poprzez rozszerzenie, zmienny prąd powoduje powstanie pola elektrycznego poza drutem, właściwość często wykorzystywaną do przenoszenia energii między dwiema cewkami przewodzącymi. Wielkość tego pola elektrycznego zależy od szybkości zmiany prądu, a zatem częstotliwości.

Zmieniające się pole magnetyczne nie tylko odradza pole elektryczne, ale działa również w drugą stronę. W elektromagnesie do wytworzenia pola magnetycznego stosuje się przemienne pole elektryczne. Wokół drutu, w mniej więcej „wolnej przestrzeni” (bez prądów i ładunków), dwa pola cały czas tworzą wokół siebie nowe generacje, chociaż w rzeczywistości nie są one tak dyskretne, jak sugeruje to wyjaśnienie. Nowe pokolenia nieustannie pchają przód fali do przodu. To jest fala elektromagnetyczna.

Pomimo pozornej prostoty związanych z nimi równań, obliczanie propagacji pól elektromagnetycznych jest dość zaawansowane nawet dla najprostszych idealizowanych geometrii, ale łatwo jest wywnioskować z wiedzy o mechanizmie (i matematycznie z pochodnej czasu w równaniach Maxwella), że intensywność fale elektromagnetyczne wokół drutu są związane z częstotliwością jego prądu, ponieważ zmiana prądu spowodowała falę. Przewody przewodzące prądy niskiej częstotliwości również promieniują, ale tylko nieznacznie.