Я розумію, що на платах сліди з годинником, якщо вищі гармоніки мають достатню потужність, це призводить до випромінювання електромагнітних хвиль від слідів, що створює ЕМІ. Я не розумію, чому це відбувається в першу чергу?
Чому для пропускання ЕМ-випромінювання струм високої частоти повинен проходити через провідник, і чому це не відбувається при струмах низької частоти? Що я розумію, це те, що в цьому випадку слід на платі починає поводитись як антена, але я не знаю причини.
Відповіді:
але я не розумію, чому потік електронів, які є фізичними утвореннями, призводить до випромінювання цих ЕМ-хвиль
Давайте розглянемо це конкретно, адже це спільна (і відмінна) проблема.
Ось простий провід, миттєво підключений до джерела напруги:
імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab
У цей момент часу різниця потенціалів між лівим дротом (поруч із джерелом) та землею становить 1 вольт.
Крайній інший кінець дроту все ще знаходиться в землі (різниця 0), оскільки електрорушійна сила (напруга) джерела ще не поширилася на інший кінець дроту.
З плином часу напруга вниз по дроту збільшується:
Електрони в провіднику прискорюються електричним полем (потенційна енергія джерела перетворюється в кінетичну енергію в електронах).
Коли електрони доходять до кінця *, вони фізично не можуть продовжуватись - більше немає провідника, який поширюватиметься вздовж!
... але ці заряди мають імпульс у напрямку дроту (наприклад, є кінетична енергія).
Коли заряди різко зупиняються на кінці дроту, закон про збереження енергії вимагає, щоб ця енергія "кудись пішла" - вона не може просто зникнути!
Відповідь - радіація . Енергія залишає кінець дроту у вигляді електромагнітної хвилі.
* Слід зазначити, що одні й ті ж електрони, які починають рухатись на одному кінці дроту, не обов'язково є такими ж електронами, які досягають іншого кінця дроту, але це не є матеріалом для нашого обговорення.
З цього випадає багато акуратних речей. Наприклад, ви можете подумати про провід у нашому прикладі як про нескінченно багато менших проводів. Для кожної з них однакова поведінка справедлива (саме тому випромінювання відбувається по всій довжині).
Ви також можете бачити, чому випромінювання є наслідком зміни електромагнітного поля (наприклад, від зміни струму).
Ви можете зрозуміти, як працюють лінійні антени. У нашому прикладі тепер уявімо, що саме в той момент, коли напруга пік в далекому кінці, ми переключаємо джерело назад на 0,0V. Тепер у вас буде однакова картина, але перевернута (1,0 В праворуч, 0,0 В ліворуч), і процес почнеться заново.
Продовжуйте повторювати цей процес, і електрони будуть нескінченно бігати вперед і назад (по всій довжині дроту) від одного кінця до іншого. Це ідеальна лінійна антена ("радіатор").
Якби провід був занадто коротким, було б менше руху, а якщо занадто довге - було б занадто багато. Напруга буде продовжувати зростати вниз по дроту, оскільки ви зменшуєте напругу в сусідньому розділі (результати перешкод, які важко уявити лише за допомогою цих простих цифр).
Що я розумію, це те, що в цьому випадку слід на платі починає поводитись як антена, але я не знаю причини.
На низьких частотах (насправді низькі швидкості в «цифрових» схемах) електрони встигають досягти кінця дроту до того, як джерело перемкнеться і електрони попросять повернутися. Це називається "згущеним елементом".
Напруга на кожному кінці проводу в основному завжди однакова. Такої поведінки ми навчаємо вступних студентів з електроніки (провід є рівнопотенційною поверхнею = всюди однакова напруга).
Зі збільшенням частоти у них залишається все менше часу для здійснення відключення, і напруга на кожному кінці дроту вже не може бути гарантоване завжди бути таким, як показано на попередніх малюнках.
У дизайні друкованої плати вам не потрібно сильно турбуватися про випромінювання від кульових елементів. Просте наближення:
Тобто:
де c_m - швидкість світла в середовищі (зазвичай для міді над FR-4 PCB c_m становить приблизно 1,5e8).
Замість жорсткої математичної обробки, ось дещо розмахуючи рукою:
Будь-який провід має магнітне поле навколо нього (перпендикулярно довжині дроту), коли через нього протікає струм. Однак для ефективного запуску електромагнітної хвилі також потрібно падіння напруги (поле E) під прямим кутом до поля М (по довжині проводу).
На низьких частотах єдине падіння напруги відбувається через втрати I 2 R в проводі, і це зазвичай не дуже суттєво. Однак із збільшенням частоти у вас з'являються два ефекти. По-перше, втрати I 2 R починають зростати внаслідок "ефекту шкіри" в проводі. По-друге, кінцевий час подання сигналу по дроту означає, що кінці дроту знаходяться при різній напрузі в міру зміни сигналу. Цей другий ефект стає особливо значущим, коли частота сигналу піднімається до точки, коли 1/4 довжини хвилі відповідає довжині дроту.
Всі сигнали змінного струму випромінюють ЕМ-випромінювання від своїх провідників, але ефективність цього процесу дуже сильно залежить від відношення довжини хвилі сигналу до довжини антени. Більш високі частоти мають меншу довжину хвилі і випромінюють ефективніше від довжини слідів, які ви знайдете на звичайній друкованій платі.
Якщо до вашого пристрою підключений кабель, наприклад кабель живлення або аудіо, він виглядає як довша антена, яка може випромінювати менший діапазон частот.
Ось малюнок, який може допомогти:
На малюнку зображена антена тарілки, але досить просто це антена, як шматок дроту або слід на друкованій платі, але пам’ятайте, що посуд призначений ефективно випромінювати з певною частотою, тоді як доріжки та дроти можуть «резонувати» на декількох довжинах хвиль. .
Близько дроту / тарілки / сліду / антени виробляються електричні поля та магнітні поля, які зберігають енергію так, як це роблять індуктори та конденсатори - ці поля (близько до антени) випромінюють не дуже далеко. Зауважте на малюнку, пунктирні лінії перетинаються та перетинаються один з одним - малюнок намагається представляти "несумісність" між полями E та M. Я шукаю правильне слово для вживання тут ... Я думав, що "непослідовність", але, можливо, ні, можливо, є краще слово, а не несумісність.
Зі збільшенням відстані до еквіваленту приблизно 1 х довжини хвилі, якщо антена ефективна, частини E і M починають «вирівнюватися» в часі, тобто їх амплітуди збільшуються і падають разом. Перед цим (у найближчому полі) існує какофонія нерівності, яка головним чином обумовлена L і C антени - поля E і M не вирівняні в часі, і фактично поля E і M навколо антени можуть бути нерівним, здавалося б, майже випадково.
Зі збільшенням відстані ТА якщо антена добре виконує свою роботу, в тому, що відомо як дальне поле, створюються правильні хвилі ЕМ. Це все ще для мене дуже загадкові явища!
Як відомо, постійний струм через провід оточений магнітним полем, сила якого пропорційна струму. Ви, мабуть, також знайомі з механізмом індукції; мінливе магнітне поле створює електричне поле. За розширенням мінливий струм породжує електричне поле поза дроту, властивість, яке часто використовується для передачі енергії між двома провідними котушками. Величина цього електричного поля визначається швидкістю зміни струму і, отже, частоти.
Не тільки мінливе магнітне поле породжує електричне поле, але й навпаки. В електромагніті змінне електричне поле використовується для отримання магнітного поля. Навколо дроту, у приблизно «вільному просторі» (без струмів чи зарядів), два поля постійно створюють нові покоління один біля одного, хоча насправді вони не такі дискретні, як це пояснення підказує. Нові покоління континуально висувають хвилю вперед. Це електромагнітна хвиля.
Незважаючи на очевидну простоту задіяних рівнянь, обчислення поширення електромагнітних полів є досить просунутим навіть для найпростіших ідеалізованих геометрій, але легко зрозуміти з механізму (і математично з похідної часу в рівняннях Максвелла), що інтенсивність ЕМ хвилі навколо проводу пов'язані з частотою його струму, тому що зміна струму викликала хвилю. Провідники, що проводять струми низької частоти, також випромінюють, але лише незначно.