신호를 전달할 때 간단한 도체가 EM 파를 방출하기 시작하는 이유는 무엇입니까?
답변:
후속 질문 ...
그러나 내가 이해하지 못하는 것은 물리적 실체 인 전자의 흐름이 왜 EM 전파를 방출 하는가
왜 "방사선"이 발생합니까?
일반적인 (그리고 훌륭한) 관심사이기 때문에 이것을 구체적으로 살펴 봅시다.
다음은 전압 소스에 즉시 연결된 간단한 와이어입니다.
이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도
이 시점에서 와이어의 왼쪽 끝 (소스에 인접 함)과 접지 사이의 전위차는 1V입니다.
소스의 기전력 (전압)이 아직 와이어의 다른 쪽 끝으로 전파되지 않았기 때문에 와이어의 다른 쪽 끝은 여전히 접지에 있습니다 (0 차이).
시간이 지남에 따라 와이어 다운 전압이 증가합니다.
도체의 전자는 전기장 (전자의 운동 에너지가 전자의 운동 에너지로 변환 됨)에 의해 가속됩니다.
전자가 끝에 도달하면 * 물리적으로 계속 될 수 없습니다. 더 이상 전파 할 전도체가 없습니다!
...하지만 이러한 전하는 와이어 방향으로 운동량이 있습니다 (예 : 운동 에너지가 있음).
전선 끝에서 요금이 갑자기 멈출 때, 에너지 법을 보존하려면이 에너지가 "어딘가에 가야"합니다.
답은 방사선 입니다. 에너지는 전자파 형태로 와이어의 끝을 떠납니다.
* 와이어의 한쪽 끝에서 움직이기 시작하는 동일한 전자가 반드시 와이어의 다른 쪽 끝에 도달하는 동일한 전자 일 필요는 없지만 이것은 우리의 논의에 중요한 것은 아닙니다.
낙진
많은 깔끔한 것들이 이것에서 빠져 나옵니다. 예를 들어,이 예에서 와이어는 무한히 많은 작은 와이어로 구성되어 있다고 생각할 수 있습니다. 이들 각각에 대해 동일한 동작이 적용됩니다 (방사선이 전체 길이에서 발생하는 이유).
당신은 또한 볼 수 있습니다 이유에서 방사선 결과 변화 (현재의 변화에서 예) 전기 자기장한다.
선형 안테나의 작동 방식을 이해할 수 있습니다. 이 예에서는 이제 극단에서 전압이 피크가되는 순간에 소스를 다시 0.0V로 전환한다고 상상해보십시오. 이제 동일한 그림이 있지만 뒤집어졌으며 (오른쪽 1.0V, 왼쪽 0.0V) 프로세스가 다시 시작됩니다.
이 과정을 계속 반복하면 전자는 끝에서 끝까지 (전선 길이에 걸쳐) 끝없이 앞뒤로 움직입니다. 완벽한 선형 안테나입니다 ( "라디에이터").
와이어가 너무 짧으면 움직임이 적고 너무 길면 너무 많을 것입니다. 근처 섹션의 전압을 줄이면 전압이 와이어 아래로 계속 증가합니다 (간섭 결과, 이러한 단순한 수치로는 시각화하기 어렵습니다).
이제 추적 동작을 직관 할 수 있습니다 ...
내가 이해하는 것은 보드 트레이스가 본질적 으로이 경우 안테나로 작동하기 시작하지만 그 이유를 모른다는 것입니다.
저주파 (실제로 "디지털"회로에서 낮은 에지 속도)에서 전자는 소스가 바뀌고 전자가 되돌아 오기 전에 와이어 끝에 도달 할 시간이 있습니다. 이것을 "집중 요소"라고합니다.
전선의 양쪽 끝의 전압은 기본적으로 항상 동일합니다. 이것은 우리가 입문 전자 공학 학생들에게 가르치는 행동입니다 (와이어는 등전위 표면 = 모든 곳에서 동일한 전압).
주파수가 증가함에 따라 트립하는 데 걸리는 시간이 줄어들고 와이어의 각 끝에서 전압이 더 이상 이전 그림과 항상 동일하게 보장 될 수는 없습니다.
회로 보드 설계에서 집중 요소의 방사에 대해 크게 걱정할 필요가 없습니다. 간단한 근사치는 다음과 같습니다.
- 시그널링에서 가장 빠른 상승 시간 (1 / 에지 속도) 찾기 = Tr
- 이 모서리에 포함 된 최대 주파수 찾기 = f
- 해당 파장보다 짧은 차수의 트랙 추적
그건:
여기서 c_m은 매체에서 빛의 속도입니다 (일반적으로 FR-4 PCB를 통한 구리의 경우 c_m은 약 1.5e8 임).
엄격한 수학적 처리 대신 다음과 같은 약간 손을 흔드는 설명이 있습니다.
전류가 흐를 때 모든 와이어는 그 와이어 주위에 자기장을가집니다 (와이어 길이에 수직). 그러나 전자파를 효율적으로 시작하려면 와이어 길이에 따라 M 필드와 직각으로 전압 강하 (E 필드)가 필요합니다.
저주파에서 유일한 전압 강하는 전선 의 I 2 R 손실 로 인한 것이며 일반적으로 그다지 중요하지 않습니다. 그러나 주파수가 올라감에 따라 두 가지 효과가 나타납니다. 먼저, 와이어에서 "피부 효과"의 결과로 I 2 R 손실이 증가하기 시작합니다. 둘째, 와이어를 따라 신호의 유한 전파 시간은 신호가 변화함에 따라 와이어의 끝이 서로 다른 전압에 있음을 의미합니다. 이 두 번째 효과는 신호의 주파수가 1/4 파장이 와이어 길이와 일치하는 지점으로 올라갈 때 특히 중요합니다.
모든 AC 신호는 도체에서 EM 방사선을 방출하지만 이 프로세스 의 효율성 은 신호의 파장 대 안테나 길이의 비율에 따라 크게 달라집니다. 고주파수는 파장이 짧으며 일반 PCB에서 발견되는 트레이스 길이에서 더 효율적으로 방사합니다.
전원 또는 오디오 케이블과 같은 장치에 케이블이 연결되어 있으면 더 낮은 주파수 범위를 방출 할 수있는 더 긴 안테나처럼 보입니다.
도움이 될만한 사진은 다음과 같습니다.-
그림은 접시 안테나를 보여 주지만 이것은 단순히 안테나 조각이나 PCB의 트레이스와 같은 안테나이지만, 접시는 특정 주파수에서 효율적으로 방출되도록 설계되었지만 트랙과 와이어는 여러 파장에서 "공진"할 수 있습니다. .
와이어 / 접시 / 트레이스 / 안테나 근처에서 인덕터 및 커패시터처럼 에너지를 저장하는 전기장 및 자기장이 생성됩니다. 이러한 필드 (안테나에 근접)는 멀리 방사되지 않습니다. 그림에서 점선은 서로 겹치고 교차합니다. 그림은 E와 M 필드 사이의 "비 호환성"을 나타내려고합니다. 여기서 사용할 올바른 단어를 찾고 있는데 ... "불일치 (incoherency)"라고 생각했지만, 그렇지 않을 수도 있습니다. 어쩌면 비 호환성보다 더 나은 단어가있을 수도 있습니다.
거리가 약 1 x 파장에 해당하는쪽으로 증가함에 따라, 안테나가 효율적이면, E 및 M 부분은 시간에 따라 "정렬"하기 시작합니다. 즉, 진폭이 상승 및 하강합니다. 그 전에 (근거리 장에서) 주로 안테나의 L과 C로 인한 정렬 불량의 협박이 있습니다-E와 M 필드는 시간에 맞춰 정렬되지 않으며 실제로 안테나 주변의 E와 M 필드는 거의 우연히 보이는 것처럼 잘못 정렬됩니다.
거리가 멀어지고 안테나가 잘 작동하면 원거리 장에서 적절한 EM 파가 생성됩니다. 그것은 여전히 나에게 매우 신비한 현상입니다!
아시다시피, 와이어를 통한 정상 전류는 자기장으로 둘러싸여 있으며 강도는 전류에 비례합니다. 아마도 유도 메커니즘에 익숙 할 것입니다. 자기장이 변하면 전기장이 생성됩니다. 확장함으로써, 전류 변화는 와이어 외부의 전기장을 발생 시키며, 이는 종종 두 개의 전도성 코일 사이에서 에너지를 전달하는데 사용되는 특성이다. 이 전기장의 크기는 전류의 변화율과 주파수에 의해 결정됩니다.
변화하는 자기장은 전기장을 생성 할뿐만 아니라 다른 방식으로도 작동합니다. 전자석에서, 교번 전기장은 자기장을 생성하는데 사용된다. 전선 주위에서, 대략 '자유 공간 (free space)'(전류 또는 전하 없음)에서, 두 분야는 항상 서로에 대해 새로운 세대를 창조하고 있지만, 비록이 설명이 제시하는 것처럼 실제로는 별개의 것이 아닙니다. 새로운 세대는 파면을 앞으로 밀어 붙입니다. 이것이 전자파입니다.
관련된 방정식의 명백한 단순성에도 불구하고, 전자기장의 전파 계산은 가장 이상적인 이상적인 기하학에도 상당히 진보되어 있지만, 메커니즘의 지식 (및 맥스웰 방정식의 시간 도함수)을 통해 쉽게 얻을 수 있습니다. 와이어 주위의 EM 파는 전류의 변화와 관련하여 전류의 주파수와 관련이 있습니다. 저주파 전류를 전달하는 도체도 방사되지만 약간만 방출됩니다.