|

楼主 |
发表于 2009-1-20 16:04
|
显示全部楼层
浅谈电磁理论. R6 e! S' e: |9 ?
% t# H" Z2 Y( R5 x, ^8 W7 e y6 M& R 上述的被动组件具有隐藏特性,而且会在PCB中产生射频能量,但为何会如此呢?为了了解其原由,必须明白Maxwell方程式。Maxwell的四个方程式说明了电场和磁场之间的关系,而且它们是从Ampere定律、Faraday定律、和Gauss定律推论而来的。这些方程式描述了在一个闭回路环境中,电磁场强度和电流密度的特性,而且需要使用高等微积分来计算。因为Maxwell方程式非常的复杂,在此仅做简要的说明。其实,PCB布线工程师并不需要完全了解Maxwell方程式的详细知识,只要了解其中的重点,就能完成EMC设计。完整的Maxwell方程式条列如下:! O- {: r5 z6 D$ c; I% `7 Q2 [
$ Z8 j9 t3 r& Z第一定律:电通量(electric flux)(来自Gauss定律)* K8 u9 j- y$ T
& U- W% P7 p8 N' N# X
第二定律:磁通量(magnetic flux)(来自Gauss定律)0 h% U9 R0 r3 I7 s- k+ [+ j
& H( |" R2 Z2 A2 N5 Y ^; T6 p
第三定律:电位(electric potential)(来自Faraday定律)
- O+ r& V/ i8 Z+ C1 n8 y3 W3 A/ p* J* P/ l
* \6 j- k0 j7 a% | {& i第四定律:电流(electric current)(来自Ampere定律)4 _ R5 r/ ~! |, c) n
, F$ T/ I$ t# o
4 G; j: M4 J( f0 |( t* i$ e
在上述的方程式中,J、E、B、H是向量。此外,与Maxwell方程式相关的基本物理观念有:. T+ b4 f. P$ a5 l: Y
7 O x& r. \, P8 W- t
●Maxwell方程式说明了电荷、电流、磁场和电场之间的交互作用。
3 Q0 J* Y6 u I: p& Y* e; d+ Q; z/ Q: A" x1 V. ?
●可用「Lorentz力」来形容电场和磁场施加在带电粒子上的物理作用力。
2 }8 Z5 L" I s0 P! q. u# a) F3 {/ }2 g* e
●所有物质对其它物质都具有一种组成关系。这包含:
' M9 A4 o( Y$ M6 Q* Y; l. F% X* J, k+ }) o3 }2 I# v
1. 导电率(conductivity):电流与电场的关系(物质的奥姆定律):J=σE。
* }8 e1 O7 [2 y2. 导磁系数:磁通量和磁场的关系:B=μH。, _% Z% `$ w. @9 I( z5 d8 p' p
3. 介电常数(
; ]# h, `. H; O
/ i+ T' M4 E4 Q. [ % a* G+ P: u6 b
) S$ E5 S" m- z
dielectric constant):电荷储存和一个电场的关系:D=εE。
4 w+ s2 {- F- k+ @2 oJ = 传导电流密度,A/m2
0 ~- F! z2 g' y8 u# |) |σ= 物质的导电率
, C5 N- Y' L& i0 p: O5 KE = 电场强度,V/m
* _. }7 x i8 ^ KD = 电通量密度,coulombs/ m2
- d# G# {4 H& O: {# E2 ` [ε= 真空电容率(permittivity),8.85 pF/m
" t% Y1 ?) [2 D) kB = 磁通量密度,Weber/ m2或Tesla/ z6 k7 p! ?4 k# R# r
H = 磁场,A/m
9 x+ c2 u1 w9 I" }μ= 媒材的导磁系数,H/m ( m# G& N& r. Y2 b
+ A1 ^& u0 _6 L& u/ G
. w) K# e p% J7 _: G8 r 依据Gauss定律,Maxwell的第一方程式也称作「分离定理(divergence theorem)」。它可以用来说明由于电荷的累积,所产生的静电场(electrostatic field)E。这种现象,最好在两个边界之间做观察:导电的和不导电的。根据Gauss定律,在边界条件下的行为,会产生导电的围笼(也称作Faraday cage),充当成一个静电的屏蔽。在一个被Faraday箱包围的封闭区域,其外部四周的电磁波是无法进入此区域的。若在Faraday箱内有一个电场存在,则在其边界处,此电场所产生的电荷是集中在边界内侧的。在边界外侧的电荷会被内部电场排拒在外。$ T; H. D6 } J+ u4 q
3 C3 y7 J5 g: _; L" p4 a7 P. p Maxwell的第二方程式表示,在自然界没有磁荷(mag ; u/ }1 }* ^2 [9 j% c' Z: X& p
netic charge)存在,只有电荷存在,也就是说没有单一磁极(magnetic monopole)存在。虽然,目前的统一场理论(Grand Unified Theory)预测有很少的磁荷存在,但迄今都无法从实验中证明。这些电荷是带正电的或负电的。磁场是透过电流和电场的作用产生的。由于电流和电场的发射,使它们成为辐射能量的来源点。磁场在电流四周形成一个封闭的循环,而磁场是由电流产生的。
7 Z/ \0 i5 m" D. G+ b2 W6 _
$ w- Q. Q" B6 Q$ `! l! r Maxwell的第三方程式也称作「感应的Faraday定律」,说明当磁场环绕着一个封闭的电路时,此磁场会使此封闭电路产生电流。第三方程式和第四方程式是相伴的。第三方程式表示变动的磁场会产生电场。磁场通常存在于变压器或线圈,例如:马达、发电机…等。第三和第四方程式的交互作用,正是EMC的主要焦点。两者一起来说,它们说明了耦合的电场和磁场是如何以光速辐射或传播。这个方程式也说明了「集肤效应(skin effect)」的概念,它可以预测「磁屏蔽(magnetic shielding)」的有效性。此外,它也说明了电感的特性,而电感允许天线能合理地存在。' a. i; P+ \& p
, {4 \4 W9 ?6 Z+ k! `- H Maxwell的第四方程式也称作Ampere定律。此方程式说明了产生磁场的两个来源。第一个来源是,电流以传输电荷的形式在流动。第二个来源是,当变动的电场环绕着一个封闭的电路时,会产生磁场。这些电和磁的来源,说明了电感和电磁的作用。在此方程式中,J就代表以电流产生磁场的分量;就是以电场产生磁场的分量。9 `0 M/ O; g+ `9 Y! E
7 Y4 U- |3 @* w; \ _8 q G% u 综合而言,Maxwell方程式可以说明在PCB中,EMI是如何产生的。PCB是一个会随时间改变电流大小的环境,而这些微积分方程式正是要对发生EMI的根源做解析。静电荷分布会产生静电场,而不是磁场。固定电流会同时产生静磁场和静电场。时变(time-varying)电流会同时产生电场和磁场。
8 y& k# X+ w7 P% j
( x) a8 F* B% S# k% f, A' n$ D3 y 静电场会储存能量,这是电容的基本功能:累积和保有电荷。固定的电流源是电感的基本功能和概念。1 K( J. U' `4 J( V$ z+ E
% H8 {2 Z) G d6 h+ M电和磁的来源
6 K+ R) J7 B( V0 S2 _+ `8 ?9 g! j: g
前面已经提到,变动中的电流会产生磁场,静电荷分布会产生电场,下面将进一步讨论电流和辐射电场之间的关系。我们必须检视电流源的结构,并观察它是如何影响辐射讯号的。此外,我们也必须要注意,当距离电流源越远时,讯号强度会越低。
! z3 u! Z# M3 |; K
7 c6 f. k1 ~+ y9 } 时变电流存在于两种结构中:1.磁的来源(是封闭回路),2.电的来源(是双极天线)。首先探讨磁的来源。 |
|