Pourquoi un simple conducteur commence-t-il à émettre des ondes EM lorsqu'il transporte un signal?

Je comprends que sur les traces de carte de circuit imprimé avec une horloge, si les harmoniques supérieures ont une puissance suffisante, il en résulte que des ondes électromagnétiques sont émises par les traces, ce qui crée une EMI. Ce que je ne comprends pas, c'est pourquoi cela se produit en premier lieu?

Pourquoi un courant haute fréquence doit-il traverser le conducteur pour qu'il émette un rayonnement EM et pourquoi cela ne se produit-il pas avec des courants basse fréquence? Ce que je comprends, c'est que la trace de la carte commence essentiellement à se comporter comme une antenne dans ce cas, mais je n'en connais pas la raison.

La question de suivi ...

mais ce que je ne comprends pas, c'est pourquoi le flux d'électrons qui sont des entités physiques entraîne l'émission de ces ondes EM

Pourquoi le "rayonnement" se produit-il?

Examinons cela spécifiquement, car il s'agit d'une préoccupation courante (et excellente).

Voici un simple fil, connecté instantanément à une source de tension:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

À ce moment, la différence de potentiel entre l'extrémité gauche du fil (adjacent à la source) et la masse est de 1 volt.

L'autre extrémité extrême du fil est toujours à la masse (différence 0) car la force électromotrice (tension) de la source ne s'est pas encore propagée à l'autre extrémité du fil.

Au fil du temps, la tension dans le fil augmente:

^{simuler ce circuit}

Les électrons dans le conducteur sont accélérés par le champ électrique (l'énergie potentielle de la source étant convertie en énergie cinétique dans les électrons).

Lorsque les électrons atteignent la fin *, ils ne peuvent pas continuer physiquement - il n'y a plus de conducteur à propager!

... mais ces charges ont un élan en direction du fil (par exemple, il y a de l'énergie cinétique).

Lorsque les charges s'arrêtent brusquement au bout du fil, la conservation de la loi de l'énergie exige que cette énergie "aille quelque part" - elle ne peut pas simplement disparaître!

La réponse est le rayonnement . L'énergie quitte l'extrémité du fil sous la forme d'une onde électromagnétique.

* Il convient de noter que les mêmes électrons qui commencent à se déplacer à une extrémité du fil ne sont pas nécessairement les mêmes électrons qui atteignent l'autre extrémité du fil, mais ce n'est pas important pour notre discussion.

Les retombées

Beaucoup de choses intéressantes en découlent. Par exemple, vous pourriez penser que le fil dans notre exemple est composé d'une infinité de fils plus petits. Pour chacun d'entre eux, le même comportement serait vrai (c'est pourquoi le rayonnement se produit sur toute la longueur).

Vous pouvez également voir pourquoi le rayonnement résulte d'un changement du champ électromagnétique (par exemple d'un changement de courant).

Vous pouvez comprendre le fonctionnement des antennes linéaires. Dans notre exemple, imaginons maintenant que juste au moment où la tension atteint un pic à l'extrémité distante, nous basculons la source sur 0,0V. Vous auriez maintenant l'image identique mais inversée (1,0 V à droite, 0,0 V à gauche) et le processus recommencerait.

Continuez à répéter ce processus et les électrons iraient sans cesse d'avant en arrière (sur toute la longueur du fil) d'une extrémité à l'autre. C'est une antenne linéaire parfaite ("radiateur").

Si le fil était trop court, il y aurait moins de mouvement et s'il était trop long, il y en aurait trop. La tension continuerait à augmenter plus bas dans le fil à mesure que vous réduisez la tension dans la section voisine (résultats d'interférence, ce qui est difficile à visualiser avec ces simples chiffres).

Maintenant, vous pouvez intuitivement tracer le comportement ...

Ce que je comprends, c'est que la trace de la carte commence essentiellement à se comporter comme une antenne dans ce cas, mais je n'en connais pas la raison.

Aux basses fréquences (vraiment, de faibles débits dans les circuits "numériques"), les électrons ont le temps d'atteindre l'extrémité du fil avant que la source ne soit inversée et les électrons sont invités à revenir. C'est ce qu'on appelle un «élément regroupé».

La tension à chaque extrémité du fil est fondamentalement toujours la même. C'est le comportement que nous enseignons aux étudiants en introduction à l'électronique (un fil est une surface équipotentielle = la même tension partout).

À mesure que la fréquence augmente, ils ont de moins en moins de temps pour se déclencher et la tension à chaque extrémité du fil ne peut plus être garantie d'être toujours la même que celle illustrée dans les figures précédentes.

Dans la conception de circuits imprimés, vous n'avez pas à vous soucier du rayonnement des éléments localisés. Une approximation simple est:

1. Trouvez le temps de montée le plus rapide (1 / front-rate) dans votre signalisation = Tr
2. Trouver la fréquence maximale contenue dans ce bord = f
3. Gardez les traces d'un ordre de grandeur plus court que la longueur d'onde correspondante

C'est:

où c_m est la vitesse de la lumière dans le milieu (généralement pour un cuivre sur FR-4 PCB c_m est d'environ 1,5e8).

Au lieu d'un traitement mathématique rigoureux, voici une explication quelque peu agitée:

Tout fil est entouré d'un champ magnétique (perpendiculaire à la longueur du fil) lorsqu'un courant le traverse. Cependant, le lancement efficace d'une onde électromagnétique nécessite également une chute de tension (champ E) à angle droit par rapport au champ M (sur la longueur du fil).

Aux basses fréquences, la seule chute de tension est due aux pertes I ² R dans le fil, ce qui n'est généralement pas très important. Cependant, à mesure que la fréquence augmente, vous avez deux effets qui entrent en jeu. Tout d'abord, les pertes I ² R commencent à augmenter en raison de "l'effet de peau" dans le fil. Deuxièmement, le temps de propagation fin d'un signal le long du fil signifie que les extrémités du fil sont à des tensions différentes lorsque le signal change. Ce deuxième effet devient particulièrement significatif lorsque la fréquence du signal monte au point où 1/4 de longueur d'onde correspond à la longueur du fil.

Tous les signaux AC émettent un rayonnement EM de leurs conducteurs, mais l' efficacité de ce processus dépend beaucoup du rapport de la longueur d'onde du signal à la longueur de l'antenne. Les fréquences plus élevées ont des longueurs d'onde plus courtes et rayonnent plus efficacement à partir de la longueur des traces que vous trouvez sur un PCB normal.

Si vous avez un câble connecté à votre appareil, par exemple un câble d'alimentation ou audio, qui ressemble à une antenne plus longue qui pourrait émettre une gamme de fréquences inférieure.

Voici une image qui pourrait vous aider: -

L'image montre une antenne parabolique mais tout simplement c'est une antenne comme un morceau de fil ou une trace sur un PCB MAIS rappelez-vous, la parabole est conçue pour émettre efficacement à une fréquence particulière tandis que les pistes et les fils peuvent "résonner" à plusieurs longueurs d'onde .

Près du fil / de la parabole / de la trace / de l'antenne, des champs électriques et des champs magnétiques sont produits qui stockent l'énergie tout comme les inducteurs et les condensateurs - ces champs (près de l'antenne) ne rayonnent pas très loin. Remarquez dans l'image, les lignes pointillées se chevauchent et se croisent - l'image essaie de représenter une "incompatibilité" entre les champs E et M. Je cherche le mot correct à utiliser ici ... Je pensais "incohérence" mais peut-être pas, peut-être y a-t-il un meilleur mot plutôt que incompatibilité.

Lorsque la distance augmente vers l'équivalent d'environ 1 x longueur d'onde, si l'antenne est efficace, les parties E et M commencent à "s'aligner" dans le temps, c'est-à-dire que leurs amplitudes augmentent et diminuent ensemble. Avant cela (dans le champ proche), il y a une cacophonie de désalignement qui est principalement due aux L et C de l'antenne - les champs E et M ne sont pas alignés dans le temps et en fait, les champs E et M autour de l'antenne peuvent être désaligné apparemment presque au hasard.

Au fur et à mesure que la distance augmente ET si l'antenne fait bien son travail, dans ce qu'on appelle le champ lointain, des ondes EM appropriées sont produites. C'est encore un phénomène très mystérieux pour moi!

Comme vous le savez, un courant constant à travers un fil est entouré d'un champ magnétique dont la force est proportionnelle au courant. Vous connaissez probablement aussi le mécanisme d'induction; un champ magnétique changeant crée un champ électrique. Par extension, un courant changeant donne naissance à un champ électrique à l'extérieur du fil, propriété souvent utilisée pour transférer de l'énergie entre deux bobines conductrices. L'amplitude de ce champ électrique est déterminée par la vitesse de variation du courant et donc de la fréquence.

Non seulement un champ magnétique changeant engendre un champ électrique, mais il fonctionne également dans l'autre sens. Dans un électroaimant, un champ électrique alternatif est utilisé pour produire un champ magnétique. Autour du fil, dans ce qui est approximativement un `` espace libre '' (pas de courants ni de charges), les deux champs créent constamment de nouvelles générations autour de l'autre, bien que ceux-ci ne soient en réalité pas aussi discrets que cette explication le suggère. Les nouvelles générations poussent le front d'onde en avant. Ceci est l'onde électromagnétique.

Malgré l'apparente simplicité des équations impliquées, le calcul de la propagation des champs électromagnétiques est assez avancé même pour les géométries idéalisées les plus simples, mais il est facile d'induire de la connaissance du mécanisme (et mathématiquement de la dérivée temporelle dans les équations de Maxwell) que l'intensité de les ondes électromagnétiques autour d'un fil sont liées à la fréquence de son courant, car le changement de courant a provoqué l'onde. Les conducteurs transportant des courants basse fréquence rayonnent également, mais seulement légèrement.