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電磁學的重要性 電磁波的主要參數

羅森伯格汽車電子 ? 來源:羅森伯格汽車電子 ? 作者:周同昌 ? 2022-06-10 16:42 ? 次閱讀
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前 言

離上一次在“羅森伯格汽車電子”公眾號發表文章,中間已經過去了兩年多。時光飛逝,盡全力參閱了多本國外電磁學著作,未曾有一絲懈怠。今日攜新的連載《羅森伯格陪您聊電和磁》歸來,以感謝新老朋友,對于羅森伯格的認可與支持。

之所以決定寫電磁學領域的文章,皆因為電磁學作為一門玄學,本身對于數學的要求比較高,且看不見摸不著,要想入門,實屬不易。自己苦學十多年,有幸在電磁學的海洋中,撿到了幾塊貝殼,將自己的心得體會,與整個行業分享,以期可以對大家有一些幫助。

電 磁 學 的 重 要 性

電磁學可以和微電子、微波通訊、甚至光學息息相關。要想學好電磁學,相對于用高等數學來做嚴謹的高階偏微分方程求解,更重要的是去建立物理層面的直觀理解。電磁學其實研究得是不同頻率的電磁波,在不同媒介中是如何傳播的。而我們為什么需要學好它,我想其中的一個主要原因是,我們要使我們設計的產品,滿足電磁兼容的要求。毫無疑問,任何一個電子產品,都有對應的電磁兼容要求。在應用場景中,它要么是“騷擾者”,要么是“受害者”。當它作為“騷擾者”時,它主要是通過電磁輻射或者傳導干擾,去影響其他設備的正常工作。當它作為“受害者”時,它主要因為其他設備的干擾而產生了性能降低,甚至無法正常工作。較差的電磁兼容設計,主要是因為電路板設計不夠優化而引起的,當然除此之外,線束本身除了可以輸入/輸出信號外,也有可能扮演良好的輻射天線/接收天線,從而引起電磁干擾問題。 隨著微電子技術的日新月異發展,數字電路的工作頻率越來越高,已經和微波通訊頻譜出現了重疊。因此研發工程師們需要了解電磁場、傳輸線、信號完整性等電磁學知識,來幫助他們確保產品能夠滿足電磁兼容要求。

電 磁 波 的 主 要 參 數

如大家所知,我們所熟悉的各種光,本身也屬于電磁波,但是光和我們熟悉的射頻信號,差異缺很大,這背后的原因是什么呢?答案是頻率。

光有波長、周期、光子能(光在該頻率下能傳輸的最小能量)三種參數,如下所示:

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廣義電磁波也具有上述相同的三種參數,在不同的應用下,不同的參數將會起著主導作用,譬如:

1) 信號傳輸線:信號的上升沿時間,與信號沿著傳輸線的傳輸時間的對比;

2) 天線:信號的波長和天線物理長度的對比;

3) 電路:信號的頻率和電路的共振頻率對比;

4) X射線檢驗:光子的能量與原子中電子軌道躍遷能量之間的關系。

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電 長 度

電長度是一個非常重要的參數,有助于幫助我們理解電磁場,它是一個無量綱,表示得是導線物理長度和導線所載信號波長的比值:

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如果天線長度為1米,則發射頻率1KHz信號時,對應的電長度為,因此我們可以認為這個時候,天線呈現電“短”性。如果信號頻率為100MHz,則電長度為0.3,我們可以認為天線具有了電“長”性。

一般我們認為電長度小于1/10時,我們可以按照傳統的電路理論來進行處理,而無需考慮微波效應,反之則需要考慮。

模 擬 信 號 與 數 字 信 號

模擬信號是連續可變的信號,比如音頻信號,模擬信號往往占據一定的帶寬,可以使用傅里葉分解,將其分解為一系列正弦分量的疊加。電話中,我們人類的聲音信號占據的頻帶為100Hz~4000Hz。

數字信號是一系列的0和1脈沖電平組成,若對一個完美的脈沖方波進行傅里葉分解,可得出無窮組正弦波分量的疊加,但實際中,我們不可能獲得完美的方波,每一個脈沖都有上升沿和下降沿,而上升沿和下降沿中包含了大量的頻譜成分,在傳輸線和信號完整性領域,對于EMC設計,具有非常重要的作用。

微 波 技 術

當頻率到達微波區間時,我們將不能再以傳統的電路解析方法,去解讀我們的電路,我們必須使用傳輸線理論,去研究信號在回路中的反射和振蕩。比如,如果一對傳輸線,物理長度是波長的1/4,則如果我們將傳輸線的遠端短接,則輸入端的阻抗將會是無窮大,變為開路,而這就是高頻的魅力所在。

頻率越高,電路將越容易向外輻射能量,從而轉變為天線。同時,因為沒有任何元器件是完美的,都具有寄生參數,則在高頻時,電感可以呈現容性,電容可以呈現感性。

使用傳輸線理論時,我們也不能再把電流理解為傳輸線中的水流,因為此時傳輸線只是起到束縛電磁場邊界的作用,而真正的電磁場能量是在傳輸線之間的絕緣介質中傳播的。

當我們看待從發電廠到我們家里的50Hz三相輸電回路時,電路中的電子并沒有從發電廠跑到我們家里來,從而帶來能量,相反,電子只是來回振蕩,以將能量以電磁場的形式,傳遞到我們家里來。雖然這個不太好理解,但是我們想象一下,發電廠是一堆蘋果,所有的電子排成一排,像搬運工人一樣,從發電廠排到我們家里,然后一個人拿起蘋果,傳遞給下一個人,再依次傳遞,直到蘋果傳遞到我們家里,這就是我們電能傳輸的奧秘。

本周我們先聊到這,若大家對電磁學感興趣,歡迎關注羅森伯格視頻號,也歡迎您關注周同昌老師個人視頻號“周同昌陪您讀電磁學”。 我們下期再見。

原文標題:羅森伯格陪您聊電和磁(1)

文章出處:【微信公眾號:羅森伯格汽車電子】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

審核編輯:湯梓紅

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原文標題:羅森伯格陪您聊電和磁(1)

文章出處:【微信號:Rosenberger_Auto,微信公眾號:羅森伯格汽車電子】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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