Warum sendet ein einfacher Leiter beim Übertragen eines Signals EM-Wellen aus?

Ich verstehe, dass auf Leiterplattenspuren mit einer Uhr, wenn die höheren Harmonischen eine ausreichende Leistung haben, elektromagnetische Wellen von den Spuren abgestrahlt werden, die EMI erzeugen. Was ich nicht verstehe, ist, warum dies überhaupt passiert?

Warum muss ein hochfrequenter Strom durch den Leiter fließen, damit er EM-Strahlung aussendet, und warum passiert dies nicht bei niederfrequenten Strömen? Was ich verstehe, ist, dass die Leiterplatte in diesem Fall im Wesentlichen anfängt, sich als Antenne zu verhalten, aber ich kenne den Grund nicht.

Die Folgefrage ...

aber was ich nicht verstehe, ist, warum der Fluss von Elektronen, die physikalische Einheiten sind, zur Emission dieser EM-Wellen führt

Warum tritt "Strahlung" auf?

Schauen wir uns das genauer an, weil es ein allgemeines (und ausgezeichnetes) Anliegen ist.

Hier ist ein einfacher Draht, der sofort an eine Spannungsquelle angeschlossen wird:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Potentialdifferenz zwischen dem linken Ende des Kabels (neben der Quelle) und Masse 1 Volt.

Das äußerste andere Ende des Kabels befindet sich noch auf Masse (Differenz 0), da sich die elektromotorische Kraft (Spannung) der Quelle noch nicht zum anderen Ende des Kabels ausgebreitet hat.

Mit der Zeit steigt die Spannung im Kabel:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Die Elektronen im Leiter werden durch das elektrische Feld beschleunigt (die potentielle Energie der Quelle wird in den Elektronen in kinetische Energie umgewandelt).

Wenn die Elektronen das Ende * erreichen, können sie physikalisch nicht mehr weitermachen - es gibt keinen Leiter mehr, mit dem sie sich ausbreiten können!

... aber diese Ladungen haben einen Impuls in Richtung des Drahtes (z. B. gibt es kinetische Energie).

Wenn die Ladung am Ende des Kabels abrupt zum Stillstand kommt, muss diese Energie laut Energieerhaltungsgesetz "irgendwohin" gehen - sie kann nicht einfach verschwinden!

Die Antwort ist Strahlung . Die Energie verlässt das Drahtende in Form einer elektromagnetischen Welle.

* Es sollte beachtet werden, dass dieselben Elektronen, die sich an einem Ende des Drahts zu bewegen beginnen, nicht unbedingt dieselben Elektronen sind, die am anderen Ende des Drahts ankommen. Dies ist jedoch für unsere Diskussion nicht wesentlich.

Der Niederschlag

Viele nette Dinge fallen dabei heraus. Sie können sich in unserem Beispiel beispielsweise vorstellen, dass der Draht aus unendlich vielen kleineren Drähten besteht. Für jedes von diesen würde das gleiche Verhalten gelten (weshalb Strahlung über die gesamte Länge auftritt).

Sie können auch sehen, warum Strahlung aus einer Änderung des elektromagnetischen Feldes resultiert (z. B. aus einer Änderung des Stroms).

Sie können verstehen, wie lineare Antennen funktionieren. Stellen Sie sich in unserem Beispiel jetzt vor, dass wir die Quelle gerade dann zurück auf 0,0 V schalten, wenn die Spannung am anderen Ende ihren Höhepunkt erreicht. Sie hätten jetzt das gleiche Bild, wären aber umgedreht (1,0 V rechts, 0,0 V links), und der Vorgang würde von vorne beginnen.

Wiederholen Sie diesen Vorgang und die Elektronen würden endlos (über die gesamte Drahtlänge) von einem Ende zum anderen hin und her laufen. Das ist eine perfekte lineare Antenne ("Strahler").

Wenn der Draht zu kurz wäre, würde sich weniger bewegen, und wenn er zu lang wäre, würde sich zu viel bewegen. Die Spannung würde weiter im Kabel zunehmen, wenn Sie die Spannung im nahegelegenen Abschnitt verringern (Interferenzergebnisse, die nur mit diesen einfachen Zahlen schwer zu erkennen sind).

Jetzt können Sie das Trace-Verhalten intuitiv verfolgen ...

Was ich verstehe, ist, dass die Leiterplatte in diesem Fall im Wesentlichen anfängt, sich als Antenne zu verhalten, aber ich kenne den Grund nicht.

Bei niedrigen Frequenzen (wirklich niedrigen Flankenraten in "digitalen" Schaltkreisen) haben die Elektronen Zeit, das Ende des Drahtes zu erreichen, bevor die Quelle umgeschaltet wird und die Elektronen aufgefordert werden, zurückzukehren. Dies wird als "konzentriertes Element" bezeichnet.

Die Spannung an jedem Drahtende ist grundsätzlich immer gleich. Dies ist das Verhalten, das wir einführenden Elektronikstudenten beibringen (ein Draht ist eine Äquipotentialfläche = überall die gleiche Spannung).

Mit zunehmender Frequenz haben sie immer weniger Zeit für die Auslösung, und es kann nicht mehr garantiert werden, dass die Spannung an jedem Ende des Kabels immer dieselbe ist, wie in den vorherigen Abbildungen gezeigt.

Bei der Leiterplattenkonstruktion müssen Sie sich nicht viel Gedanken über die Strahlung von konzentrierten Elementen machen. Eine einfache Annäherung ist:

1. Finden Sie die schnellste Anstiegszeit (1 / Flankenrate) in Ihrer Signalisierung = Tr
2. Finden Sie die maximale Frequenz, die in dieser Kante enthalten ist = f
3. Halten Sie die Spuren um eine Größenordnung kürzer als die entsprechende Wellenlänge

Das ist:

Dabei ist c_m die Lichtgeschwindigkeit im Medium (typisch für Kupfer über FR-4-PCB ist c_m ungefähr 1,5e8).

Anstelle einer rigorosen mathematischen Behandlung folgt hier eine Erklärung, die ein wenig von Hand wedelt:

Jeder Draht ist von einem Magnetfeld umgeben (senkrecht zur Länge des Drahtes), wenn ein Strom durch ihn fließt. Um eine elektromagnetische Welle effizient auszulösen, ist jedoch auch ein Spannungsabfall (E-Feld) im rechten Winkel zum M-Feld (entlang der Länge des Kabels) erforderlich.

Bei niedrigen Frequenzen ist der einzige Spannungsabfall auf die I ² R-Verluste in der Leitung zurückzuführen, und dies ist normalerweise nicht sehr signifikant. Mit zunehmender Frequenz treten jedoch zwei Effekte auf. Erstens beginnen die I ² R-Verluste infolge eines "Hauteffekts" im Draht zu steigen. Zweitens bedeutet die endliche Ausbreitungszeit eines Signals entlang der Leitung, dass die Enden der Leitung unterschiedliche Spannungen aufweisen, wenn sich das Signal ändert. Dieser zweite Effekt wird besonders bedeutend, wenn die Frequenz des Signals bis zu dem Punkt ansteigt, an dem 1/4 Wellenlänge mit der Länge des Drahtes übereinstimmt.

Alle Wechselstromsignale senden EM-Strahlung von ihren Leitern aus, aber die Effizienz dieses Prozesses hängt sehr stark vom Verhältnis der Wellenlänge des Signals zur Länge der Antenne ab. Höhere Frequenzen haben kürzere Wellenlängen und strahlen effizienter von der Länge der Leiterbahnen ab, die Sie auf einer normalen Leiterplatte finden.

Wenn Sie ein Kabel an Ihr Gerät angeschlossen haben, z. B. ein Strom- oder Audiokabel, ähnelt dies einer längeren Antenne, die möglicherweise einen niedrigeren Frequenzbereich aussendet.

Hier ist ein Bild, das helfen könnte: -

Das Bild zeigt eine Parabolantenne, aber ganz einfach ist es eine Antenne wie ein Stück Draht oder eine Spur auf einer Leiterplatte. Beachten Sie jedoch, dass die Parabolantenne so konstruiert ist, dass sie bei einer bestimmten Frequenz effizient emittiert, wohingegen Spuren und Drähte bei verschiedenen Wellenlängen "mitschwingen" können .

In der Nähe des Drahtes / der Schüssel / der Spur / der Antenne werden elektrische und magnetische Felder erzeugt, die genau wie Induktivitäten und Kondensatoren Energie speichern - diese Felder (in der Nähe der Antenne) strahlen nicht sehr weit ab. Beachten Sie, dass sich die gepunkteten Linien im Bild überlappen und überschneiden - das Bild versucht, eine "Inkompatibilität" zwischen E- und M-Feldern darzustellen. Ich suche nach dem richtigen Wort, das ich hier verwenden kann ... Ich dachte, "Inkohärenz", aber vielleicht nicht, vielleicht gibt es ein besseres Wort als Inkompatibilität.

Wenn der Abstand in Richtung des Äquivalents von ungefähr 1 × Wellenlänge zunimmt, beginnen die E- und M-Teile, sich zeitlich "auszurichten", dh ihre Amplituden steigen und fallen zusammen. Davor (im Nahfeld) gibt es eine Kakophonie der Fehlausrichtung, die hauptsächlich auf das L und C der Antenne zurückzuführen ist - die E- und M-Felder sind nicht zeitlich ausgerichtet und tatsächlich können die E- und M-Felder um die Antenne herum ausgerichtet werden scheinbar fast willkürlich falsch ausgerichtet sein.

Mit zunehmender Entfernung UND wenn die Antenne ihre Aufgabe gut erfüllt, werden im sogenannten Fernfeld geeignete EM-Wellen erzeugt. Es ist immer noch ein sehr mysteriöses Phänomen für mich!

Wie Sie wissen, ist ein stetiger Strom durch einen Draht von einem Magnetfeld umgeben, dessen Stärke proportional zum Strom ist. Sie kennen wahrscheinlich auch den Induktionsmechanismus. Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld. Durch einen sich ändernden Strom entsteht ein elektrisches Feld außerhalb des Drahtes, eine Eigenschaft, die häufig zur Energieübertragung zwischen zwei leitenden Spulen verwendet wird. Die Größe dieses elektrischen Feldes wird durch die Änderungsrate des Stroms und damit der Frequenz bestimmt.

Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt nicht nur ein elektrisches Feld, es funktioniert auch umgekehrt. In einem Elektromagneten wird ein elektrisches Wechselfeld verwendet, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Rund um den Draht, auf ungefähr 'freiem Raum' (keine Ströme oder Ladungen), erzeugen die beiden Felder ständig neue Generationen, obwohl diese in Wirklichkeit nicht so diskret sind, wie diese Erklärung nahelegt. Neue Generationen treiben die Wellenfront kontinuierlich voran. Dies ist die elektromagnetische Welle.

Trotz der offensichtlichen Einfachheit der beteiligten Gleichungen ist die Berechnung der Ausbreitung elektromagnetischer Felder selbst für die einfachsten idealisierten Geometrien ziemlich weit fortgeschritten, aber es ist leicht, aus dem Wissen über den Mechanismus (und mathematisch aus der Zeitableitung in Maxwells Gleichungen) zu schließen, dass die Intensität von Die EM-Wellen um einen Draht hängen von der Frequenz seines Stroms ab, da die Änderung des Stroms die Welle verursacht. Leiter, die niederfrequente Ströme führen, strahlen ebenfalls, jedoch nur geringfügig.