Почему простой проводник начинает излучать электромагнитные волны при передаче сигнала?

Я понимаю, что на трассах платы с часами, если высшие гармоники имеют достаточную мощность, это приводит к тому, что электромагнитные волны испускаются из трасс, которые создают EMI. То, что я не понимаю, почему это происходит в первую очередь?

Почему ток высокой частоты должен проходить через проводник, чтобы излучать электромагнитное излучение, и почему это не происходит с токами низкой частоты? Что я понимаю, так это то, что трассировка платы по существу начинает вести себя как антенна в этом случае, но я не знаю причину.

Следующий вопрос ...

но я не понимаю, почему поток электронов, являющихся физическими объектами, приводит к излучению этих электромагнитных волн

Почему происходит «излучение»?

Давайте посмотрим на это конкретно, потому что это общая (и отличная) проблема.

Вот простой провод, мгновенно подключенный к источнику напряжения:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

В этот момент разность потенциалов между левым концом провода (рядом с источником) и землей составляет 1 вольт.

Крайний другой конец провода все еще находится на земле (разница 0), поскольку электродвижущая сила (напряжение) источника еще не распространилась на другой конец провода.

Со временем напряжение на проводе увеличивается:

^{смоделировать эту схему}

Электроны в проводнике ускоряются электрическим полем (потенциальная энергия источника преобразуется в кинетическую энергию в электронах).

Когда электроны достигают конца *, они не могут физически продолжаться - больше нет проводника для распространения!

... но эти заряды имеют импульс в направлении проволоки (например, есть кинетическая энергия).

Когда заряды внезапно прекращаются в конце провода, закон сохранения энергии требует, чтобы эта энергия «куда-то уходила» - она ​​не могла просто исчезнуть!

Ответ радиации . Энергия покидает конец провода в виде электромагнитной волны.

* Следует отметить, что те же электроны, которые начинают двигаться на одном конце провода, не обязательно являются теми же электронами, которые достигают другого конца провода, но это не материал для нашего обсуждения.

Радиоактивные осадки

Много изящных вещей выпадают из этого. Например, вы можете думать о проводе в нашем примере как о том, что он состоит из бесконечного множества меньших проводов. Для каждого из них одинаковое поведение будет справедливо (именно поэтому излучение происходит по всей длине).

Вы также можете увидеть, почему радиация является результатом изменения электромагнитного поля (например, в результате изменения тока).

Вы можете понять, как работают линейные антенны. В нашем примере теперь представьте, что как раз в тот момент, когда напряжение на дальнем конце достигает пика, мы переключаем источник обратно на 0.0V. Теперь у вас будет идентичная картинка, но перевернутая (1,0 В справа, 0,0 В слева), и процесс начнется снова.

Продолжайте повторять этот процесс, и электроны будут бесконечно бегать взад-вперед (по всей длине провода) от одного конца к другому. Это идеальная линейная антенна («излучатель»).

Если бы провод был слишком коротким, было бы меньше движения, а если слишком длинный, было бы слишком много. Напряжение будет увеличиваться дальше вниз по проводу, так как вы уменьшаете напряжение в соседнем участке (возникают помехи, которые трудно представить только с помощью этих простых рисунков).

Теперь вы можете интуитивно отслеживать поведение ...

Что я понимаю, так это то, что трассировка платы по существу начинает вести себя как антенна в этом случае, но я не знаю причину.

На низких частотах (на самом деле, на низких частотах в «цифровых» цепях) электроны успевают достичь конца провода, прежде чем источник переключится, и электронам будет предложено вернуться. Это называется «сосредоточенный элемент».

Напряжение на каждом конце провода в основном всегда одинаково. Это поведение, которое мы учим начинающим студентам-электронщикам (провод - эквипотенциальная поверхность = везде одинаковое напряжение).

По мере увеличения частоты у них появляется все меньше и меньше времени на отключение, и напряжение на каждом конце провода больше не может быть гарантировано таким же, как показано на предыдущих рисунках.

При проектировании печатной платы вам не нужно сильно беспокоиться об излучении сосредоточенных элементов. Простое приближение:

1. Найдите самое быстрое время нарастания (1 / скорость) в вашей сигнализации = Tr
2. Найти максимальную частоту, содержащуюся в этом ребре = f
3. Держите треки на порядок короче, чем соответствующая длина волны

То есть:

где c_m - скорость света в среде (обычно для меди по сравнению с печатной платой FR-4 c_m составляет приблизительно 1,5e8).

Вместо строгой математической обработки, вот несколько поясняющее объяснение:

Любой провод имеет магнитное поле вокруг него (перпендикулярно длине провода), когда через него протекает ток. Однако для эффективного запуска электромагнитной волны также требуется падение напряжения (E-поле) под прямым углом к ​​М-полю (вдоль длины провода).

На низких частотах единственное падение напряжения происходит из-за потерь I ² R в проводе, и это обычно не очень существенно. Однако, когда частота увеличивается, у вас есть два эффекта, которые вступают в игру. Во-первых, потери I ² R начинают расти в результате «скин-эффекта» в проводе. Во-вторых, конечное время распространения сигнала по проводу означает, что концы проволоки имеют различные напряжения при изменении сигнала. Этот второй эффект становится особенно значительным, когда частота сигнала возрастает до точки, где длина волны 1/4 соответствует длине провода.

Все сигналы переменного тока излучают электромагнитное излучение от своих проводников, но эффективность этого процесса очень сильно зависит от отношения длины волны сигнала к длине антенны. Более высокие частоты имеют более короткие длины волн и излучают более эффективно по сравнению с длиной следов, которые вы найдете на обычной печатной плате.

Если к вашему устройству подключен кабель, например кабель питания или аудиокабель, он выглядит как более длинная антенна, которая может излучать более низкий диапазон частот.

Вот картина, которая может помочь:

На рисунке показана антенна антенны, но довольно просто это антенна, похожая на кусок провода или след на печатной плате, НО помните, антенна разработана для эффективного излучения на определенной частоте, тогда как дорожки и провода могут «резонировать» на нескольких длинах волн ,

Рядом с проводом / тарелкой / следом / антенной создаются электрические поля и магнитные поля, которые накапливают энергию так же, как это делают индукторы и конденсаторы - эти поля (рядом с антенной) излучают не очень далеко. Обратите внимание на то, что пунктирные линии перекрывают друг друга и пересекаются - картинка пытается представить «несовместимость» между полями E и M. Я ищу правильное слово, чтобы использовать здесь ... Я подумал "непоследовательность", но, возможно, нет, может быть, есть лучшее слово, а не несовместимость.

Когда расстояние увеличивается в направлении, эквивалентном приблизительно 1-кратной длине волны, если антенна эффективна, части E и M начинают «выравниваться» во времени, то есть их амплитуды растут и падают вместе. До этого (в ближнем поле) наблюдается какофония смещения, которое происходит главным образом из-за L и C антенны - поля E и M не выровнены во времени, и фактически поля E и M вокруг антенны могут быть смещенным, казалось бы, почти беспорядочно.

По мере увеличения расстояния И если антенна хорошо справляется со своей работой, в так называемой дальней зоне, создаются надлежащие электромагнитные волны. Это все еще очень загадочный феномен для меня!

Как известно, постоянный ток через провод окружен магнитным полем, сила которого пропорциональна току. Вы, вероятно, также знакомы с механизмом индукции; изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле. В результате, изменяющийся ток создает электрическое поле вне провода, свойство, часто используемое для передачи энергии между двумя проводящими катушками. Величина этого электрического поля определяется скоростью изменения тока и, следовательно, частотой.

Мало того, что изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, оно также работает наоборот. В электромагните переменное электрическое поле используется для создания магнитного поля. Вокруг провода, в том, что примерно соответствует «свободному пространству» (без токов или зарядов), эти два поля постоянно создают вокруг себя новые поколения, хотя в действительности они не настолько дискретны, как предполагает это объяснение. Новые поколения условно продвигают фронт волны вперед. Это электромагнитная волна.

Несмотря на кажущуюся простоту используемых уравнений, расчет распространения электромагнитных полей довольно продвинут даже для простейших идеализированных геометрий, но из знания механизма (и математически из производной по времени в уравнениях Максвелла) легко определить, что интенсивность ЭМ волны вокруг провода связаны с частотой его тока, поскольку изменение тока вызвало волну. Проводники, несущие низкочастотные токи, тоже излучают, но незначительно.