ฉันเข้าใจว่าบนแผงวงจรมีนาฬิกาหากเสียงประสานที่สูงกว่ามีกำลังเพียงพอก็จะส่งผลให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปล่อยออกมาจากร่องรอยที่สร้าง EMI สิ่งที่ฉันไม่เข้าใจคือทำไมสิ่งนี้เกิดขึ้นในสถานที่แรก?
ทำไมกระแสความถี่สูงต้องผ่านตัวนำเพื่อปล่อยรังสี EM และทำไมสิ่งนี้ไม่เกิดขึ้นกับกระแสความถี่ต่ำ สิ่งที่ฉันเข้าใจก็คือร่องรอยของบอร์ดเริ่มต้นที่จะประพฤติตนเป็นเสาอากาศในกรณีนี้ แต่ฉันไม่รู้เหตุผล
คำตอบ:
แต่สิ่งที่ฉันไม่เข้าใจคือสาเหตุที่การไหลของอิเล็กตรอนที่เป็นหน่วยงานทางกายภาพส่งผลให้เกิดการปล่อยคลื่นอีเอ็มเหล่านี้
ลองมาดูสิ่งนี้โดยเฉพาะเพราะมันเป็นเรื่องธรรมดา (และยอดเยี่ยม)
นี่คือสายไฟที่เรียบง่ายเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันทันที:
จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab
ในช่วงเวลานี้ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างด้านซ้ายของเส้นลวด (ติดกับแหล่งกำเนิด) และพื้นดินคือ 1 โวลต์
ปลายอีกด้านหนึ่งของเส้นลวดยังคงอยู่ที่พื้นดิน (ความแตกต่าง 0) เนื่องจากแรงเคลื่อนไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้า) ของแหล่งกำเนิดยังไม่แพร่กระจายไปยังปลายอีกด้านของเส้นลวด
เมื่อเวลาผ่านไปแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงลวดจะเพิ่มขึ้น:
อิเล็กตรอนในตัวนำกำลังถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้า (พลังงานศักย์ของแหล่งกำเนิดถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ในอิเล็กตรอน)
เมื่ออิเล็กตรอนมาถึงจุดสิ้นสุด * พวกมันจะไม่สามารถดำเนินต่อไปได้อีกต่อไป - ไม่มีตัวนำที่จะแพร่กระจายไปตามทางอีกต่อไป!
... แต่ประจุเหล่านี้มีโมเมนตัมในทิศทางของเส้นลวด (เช่นมีพลังงานจลน์)
เมื่อประจุหยุดลงอย่างกระทันหันในตอนท้ายของลวดการอนุรักษ์กฎหมายพลังงานกำหนดให้พลังงานนี้ต้อง "ไปที่ไหนสักแห่ง" - มันไม่สามารถหายไปได้!
คำตอบคือการฉายรังสี พลังงานหลุดออกจากปลายลวดในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
* ควรสังเกตว่าอิเลคตรอนแบบเดียวกันที่เริ่มเคลื่อนที่ที่ปลายด้านหนึ่งของสายนั้นไม่จำเป็นต้องเป็นอิเล็กตรอนแบบเดียวกันที่มาถึงปลายอีกด้านของเส้นลวด
สิ่งที่เรียบร้อยมากมายหลุดออกจากสิ่งนี้ ตัวอย่างเช่นคุณอาจนึกถึงเส้นลวดในตัวอย่างของเราว่าประกอบไปด้วยเส้นลวดขนาดเล็กจำนวนมาก สำหรับสิ่งเหล่านี้พฤติกรรมเดียวกันจะถือเป็นจริง (ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมรังสีจึงเกิดขึ้นตลอดความยาว)
คุณสามารถดูได้ว่าทำไมรังสีถึงเกิดจากการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่นจากการเปลี่ยนแปลงของกระแส)
คุณสามารถเข้าใจว่าเสาอากาศเชิงเส้นทำงานอย่างไร ในตัวอย่างของเราตอนนี้ลองจินตนาการว่าในขณะที่แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ปลายสุดเราเปลี่ยนแหล่งที่มาเป็น 0.0V ตอนนี้คุณจะมีภาพเหมือนกัน แต่พลิกไป (1.0V ทางด้านขวา, 0.0V ด้านซ้าย) และกระบวนการจะเริ่มต้นอีกครั้ง
ทำซ้ำขั้นตอนนี้และอิเล็กตรอนจะวิ่งไปมาอย่างไม่มีที่สิ้นสุด (ตลอดความยาวสายทั้งหมด) จากปลายด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง นั่นเป็นเสาอากาศเชิงเส้นที่สมบูรณ์แบบ ("หม้อน้ำ")
หากลวดสั้นเกินไปจะมีการเคลื่อนไหวน้อยลงและหากยาวเกินไปจะมีมากเกินไป แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ลงลวดเมื่อคุณลดแรงดันในส่วนที่อยู่ใกล้เคียง (ผลการรบกวนซึ่งยากที่จะมองเห็นด้วยตัวเลขง่ายๆเหล่านี้)
สิ่งที่ฉันเข้าใจก็คือร่องรอยของบอร์ดเริ่มต้นที่จะประพฤติตนเป็นเสาอากาศในกรณีนี้ แต่ฉันไม่รู้เหตุผล
ที่ความถี่ต่ำ (จริง ๆ แล้วอัตราการลดลงของขอบในวงจร "ดิจิตอล") อิเล็กตรอนมีเวลาที่จะไปถึงจุดสิ้นสุดของเส้นลวดก่อนที่แหล่งกำเนิดจะถูกสลับไปมาและอิเล็กตรอนจะถูกถามกลับมา สิ่งนี้เรียกว่า "องค์ประกอบที่เป็นก้อน"
แรงดันไฟฟ้าที่ปลายแต่ละด้านของลวดจะเหมือนกันเสมอ นี่คือพฤติกรรมที่เราสอนให้กับนักเรียนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น (เส้นลวดเป็นพื้นผิว equipotential = แรงดันไฟฟ้าเดียวกันทุกที่)
เมื่อความถี่เพิ่มขึ้นพวกเขามีเวลาน้อยลงในการเดินทางและแรงดันไฟฟ้าที่ปลายแต่ละด้านของสายไม่สามารถรับประกันได้ว่าจะเหมือนเดิมตามที่แสดงในรูปก่อนหน้า
ในการออกแบบแผงวงจรคุณไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับรังสีจากองค์ประกอบที่เป็นก้อน การประมาณอย่างง่ายคือ:
นั่นคือ:
โดยที่ c_m คือความเร็วแสงในตัวกลาง (โดยทั่วไปสำหรับทองแดงที่อยู่เหนือ FR-4 PCB c_m มีค่าประมาณ 1.5e8)
แทนที่จะเป็นการรักษาทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดนี่เป็นคำอธิบายที่ค่อนข้างโบกมือ:
เส้นลวดใด ๆ มีสนามแม่เหล็กรอบ ๆ เส้นตั้งฉากกับความยาวของเส้นลวดเมื่อมีกระแสไหลผ่าน อย่างไรก็ตามการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้นต้องการแรงดันไฟฟ้าตก (E field) ที่มุมฉากไปที่สนาม M (ตามความยาวของเส้นลวด)
ที่ความถี่ต่ำแรงดันตกเพียงอันเดียวนั้นเกิดจากการสูญเสียของI 2 R ในลวดและมักจะไม่สำคัญมากนัก อย่างไรก็ตามเมื่อความถี่สูงขึ้นคุณมีเอฟเฟกต์สองอย่างที่เข้ามาเล่น ก่อนอื่นการสูญเสียI 2 R เริ่มต้นขึ้นเนื่องจาก "เอฟเฟกต์ผิวหนัง" ในสาย ประการที่สองเวลาการแพร่สัญญาณ จำกัด ของสัญญาณตามเส้นลวดหมายความว่าปลายของเส้นลวดมีแรงดันไฟฟ้าต่างกันเมื่อสัญญาณมีการเปลี่ยนแปลง ผลกระทบที่สองนี้จะมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อความถี่ของสัญญาณเพิ่มขึ้นถึงจุดที่ความยาวคลื่น 1/4 ตรงกับความยาวของเส้นลวด
สัญญาณ AC ทั้งหมดปล่อยรังสี EM จากตัวนำ แต่ประสิทธิภาพของกระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความยาวคลื่นของสัญญาณต่อความยาวของเสาอากาศ ความถี่ที่สูงขึ้นมีความยาวคลื่นที่สั้นกว่าและแผ่รังสีได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นจากความยาวของร่องรอยที่คุณพบบน PCB ปกติ
หากคุณมีสายเคเบิลที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ของคุณเช่นสายไฟหรือสายสัญญาณเสียงซึ่งดูเหมือนเสาอากาศที่ยาวกว่าซึ่งอาจส่งคลื่นความถี่ต่ำกว่า
นี่คือภาพที่อาจช่วยได้: -
ภาพแสดงเสาอากาศจาน แต่ค่อนข้างจะเป็นเสาอากาศเช่นเดียวกับชิ้นส่วนของลวดหรือร่องรอยบน PCB แต่จำไว้จานถูกออกแบบมาเพื่อปล่อยอย่างมีประสิทธิภาพที่ความถี่เฉพาะในขณะที่แทร็คและสายอาจ "สะท้อน" ในหลายความยาวคลื่น .
ใกล้กับลวด / จาน / ร่องรอย / เสาอากาศ, สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ผลิตที่เก็บพลังงานเช่นเดียวกับตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุทำ - สาขาเหล่านี้ (ใกล้กับเสาอากาศ) ไม่ได้แผ่ไปไกลมาก สังเกตเห็นในภาพเส้นประทับซ้อนกันและตัดกัน - ภาพพยายามแสดง "ความไม่ลงรอยกัน" ระหว่างฟิลด์ E และ M ฉันกำลังมองหาคำที่ถูกต้องที่จะใช้ที่นี่ ... ฉันคิดว่า "ไม่ต่อเนื่องกัน" แต่อาจจะไม่อาจมีคำที่ดีกว่าแทนที่จะเข้ากันไม่ได้
เมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นเทียบเท่ากับความยาวคลื่นประมาณ 1 x หากเสาอากาศมีประสิทธิภาพส่วน E และ M จะเริ่ม "จัดตำแหน่ง" ในเวลาเช่นความกว้างของคลื่นสูงขึ้นและตกลงไปด้วยกัน ก่อนหน้านั้น (ในสนามใกล้) มีเสียงขรมของการเยื้องศูนย์ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจาก L และ C ของเสาอากาศ - ฟิลด์ E และ M ไม่ได้จัดแนวในเวลาและในความเป็นจริง E และ M ฟิลด์รอบเสาอากาศสามารถ ถูกจัดให้อยู่ในแนวที่ดูเหมือนจะส่งเดชเฉียด
เมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นและหากเสาอากาศทำงานได้ดีในสิ่งที่เรียกว่าสนามไกลก็จะเกิดคลื่น EM ที่เหมาะสม มันยังเป็นปรากฏการณ์ที่ลึกลับสำหรับฉัน!
อย่างที่คุณทราบกระแสคงที่ผ่านเส้นลวดล้อมรอบด้วยสนามแม่เหล็กความแข็งแรงของมันซึ่งเป็นสัดส่วนกับกระแส คุณอาจคุ้นเคยกับกลไกการเหนี่ยวนำ การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กสร้างสนามไฟฟ้า โดยการขยายการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันก่อให้เกิดสนามไฟฟ้านอกลวดคุณสมบัติมักจะใช้ในการถ่ายโอนพลังงานระหว่างสองขดลวดตัวนำ ขนาดของสนามไฟฟ้านี้ถูกกำหนดโดยอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าและความถี่
สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนไปไม่เพียง แต่จะสร้างสนามไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังทำงานในทิศทางตรงกันข้าม ในแม่เหล็กไฟฟ้าจะใช้สนามไฟฟ้าสำรองเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก รอบ ๆ สายไฟใน 'พื้นที่ว่าง' โดยประมาณ (ไม่มีกระแสหรือประจุ) ทั้งสองเขตกำลังสร้างคนรุ่นใหม่อยู่รอบ ๆ กันตลอดเวลาแม้ว่าสิ่งเหล่านี้จะไม่ได้แยกจากกันตามที่อธิบายไว้ คนรุ่นใหม่ผลักดันคลื่นหน้าไปข้างหน้า นี่คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
แม้จะมีความเรียบง่ายที่ชัดเจนของสมการที่เกี่ยวข้องการคำนวณการขยายพันธุ์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้านั้นค่อนข้างสูงแม้จะเป็นรูปทรงที่เหมาะที่สุด แต่มันง่ายที่จะชักนำจากความรู้เกี่ยวกับกลไก (และทางคณิตศาสตร์จากอนุพันธ์เวลาในสมการของ คลื่น EM รอบเส้นลวดสัมพันธ์กับความถี่ของกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสทำให้เกิดคลื่น ตัวนำที่มีกระแสความถี่ต่ำแผ่รังสีออกมาเช่นกัน แต่มีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น