SÄHKÖMAGNEETTINEN KYTKEYTYMINEN

Transkriptio

1 SÄHKÖMAGNEETTINEN KYTKEYTYMINEN H. Honkanen SÄHKÖMAGNEETTISEN KYTKEYTYMISEN TEORIAA Sähkömagneettinen kytkeytyminen on häiiöiden siitymistä sähkömagneettisen aaltoliikkeen välityksellä. Sähkömagneettisen kentän ominaisuudet määäytyvät säteilylähteestä, väliaineesta sekä lähteen ja takastelupisteen välisestä etäisyydestä. Lähikentässä aaltoimpedanssi, eli sähkö ja magneettikenttien suhde, määäytyy lähteen ominaisuuksista. Pieni-impedanssisessa piiissä vita on suui, jolloin magneettikenttä on hallitseva ja aaltoimpedanssi on pieni, < 377 Ω. Suui-impedanssisessa piiissä vita on pieni, jolloin sähkökenttä on hallitseva ja impedanssi on suui, >377 Ω. Kaukokentässä, ajaetäisyyttä ( l > λ/6 ) kauempana, sähkö ja magneettikenttä ovat kohtisuoassa sekä toisiaan että etenemissuuntaansa vastaan. Impedanssi saadaan sähkökentän ja magneettikentän suhteesta: Z H E Sähkömagneettisen säteilyn ( = kaukokenttä) sähkö- ja magneettikentän suhde määäytyy väliaineen dielektisyyden mukaisesti. Tyhjössä aaltoimpedanssi on täten : Z E H *0 8,86*0 7 H / m F / m Kuva: Aaltoimpedanssi suhteessa lähteen etäisyyteen ja aallonpituuteen

2 SIGNAALIN KULKUNOPEUS Dielektiset aineet hidastavat sähkömagneettisen aaltoliikkeen kulkunopeutta: Nopeus tyhjössä ( c ) Nopeus ( v ) m Mm c v s s v c AALLONPITUUS Aallonpituuden saamme signaalin jaksonajan ( Taajuuden käänteisluku ) ja signaalin kulkunopeuden avulla. Aallonpituus ( ) : v Aallonpituus mateiaalissa tyhjöön nähden: v 0 SIGNAALIN KULKUNOPEUS PIIRILEVYJOHTIMESSA Signaalin kulkunopeus ( v ) piiilevyllä ( FR4 -> 4.5 ) on vain hiukan alle puolet Mm c 300 s Mm valonnopeudesta: v 4 4,5* s Esimekki: Täten esimekiksi 00 MHz taajuisen signaalin aallonpituus piiilevyjohtimessa on: v 4 Mm / s 00 MHz,4 m SIGNAALIN KULKUNOPEUS KOAKSIAALIKAAPELISSA Koaksiaalikaapelihan on, sähkömagneettisessa mielessä, lähes ideaalinen komponentti, koska se ei muodosta ympäilleen sähkö- eikä magneettikenttää. ( Sähkömagneettinen kenttä muodostuu vain johtimen ja vaipan välille ) Signaalin kulkunopeus ( v ) koaksiaalikaapelissa: v Esimekki: Kaapelin kapasitanssi on 00 pf / m ja Induktanssi 0,25 H / m. Signaalin kulkunopeus: v LC 0,25x0 6 Aallonpituus 00 MHz taajuudella: v 200 Mm / s 00MHz ( H / m) x00x0 2,0 m LC, jossa L = Kaapelin Induktanssi, H / m C = Kaapelin kapasitanssi, F / m 2 ( F / m) 200Mm/ s

3 Elektonisten laitteiden johtimet toimivat sekä säteilyn lähetys- että vastaanottoantennina! Antennivaikutus on eityisen tehokas niillä taajuuksilla, joilla johtimen pituus on signaalin aallonpituuden neljäsosan moniketa l n 4 Antennivaikutus heikkenee huomattavasti, kun johtimen pituus on pienempi kuin kahdeksasosa 8 l signaalin aallonpituudesta. Tuvallinen johtimen pituus on alle kahdeskymmenes osa suuitaajuisimman signaalin aallonpituudesta. l 20 SIIRTOLINJA Johdinta tulisi käsitellä siitolinjana, jos pulssin edestakainen kulkuaika on vähintään nousu- tai laskuajan ( nopeampi määää ) pituinen. Siitolinjassa sähkö- ja magneettikenttä muotoutuu kaukokentäksi, jolloin eillisistä sähkö- ja magneettikentistä muodostuu sähkömagneettinen kenttä. Sähkömagneettisen kentän absoboitumista tai sen heijastusvaikutusta voidaan pienentää mekittävästi sovittamalla siitolinja. Tämä takoittaa siitolinja sovittamista ( Sovitusimpedanssit ) Linkki aiheeseen. Johdinta tulisi käsitellä siitolinjana, jos sen pituus ( s ) ylittää: s v t 2 Esimekki: Otamme esimekiksi piiilevyjohtimen ( v = 4 Mm / s ). Pulssin nousuaika on 5 ns ( 0% - 90% ), kuinka pitkää johdinta tulisi käsitellä siitolinjana? v t 4Mm5ns s 0,353 m 353mm 2 s 2

4 DIGITAALIPULSSI Digitaalipulssihan sisältää peustaajuuden lisäksi unsaasti peustaajuuden ( paittomia ) hamonisia keannaisia. Ei taajuuskomponenttien käsittely eillään olisi aika työlästä, joten on huomattavasti helpompi takastella taajuuskomponentteja signaalieunan nousunopeuden avulla. Nousueunan nopeuden peusteella voimme käyttää johdettuja kaavoja. Signaalin tehosisällöstä 95 % sisältyy peustaajuiseen ja kymmeneen ensimmäiseen hamoniseen komponenttiin. Tästä voidaankin johtaa kaavan suuimpaan mekittävään hamoniseen taajuuteen: C 0,4 t max, jossa t = Pulssin nousu- tai laskuaika ( Nopeampi määää ) Kuva: Digitaalisignaali, tapetsiaalto Digitaalisignaalin spektin vehokäyä voidaan määittää kellotaajuuden ja nousunopeuden avulla: Kuva: Tapetsiaallon spektin vehokäyä Lisätietoa aiheesta signaalin taajuussisältöä käsittelevästä luentomonisteesta

5 JOHTIMEN ja SILMUKAN SÄTEILY Johdinsilmukat ovat potentiaalisia säteilylähteitä suuilla taajuuksilla, koska silmukan säteily on suoassa suhteessa taajuuden toiseen potenssiin!! Seuaavissa kaaviokuvissa on esitetty johtimen ja silmukan kokonaissäteily ( = Häiiösäteily ) tapetsipulssin spektin yhteydessä. Kaavoissa: E = Sähkökentän voimakkuus ( V / m ) I = Vita ( A ) I cm = Yhteismuotoinen vita ( A ) = Taajuus ( Hz ) l = Johtimen pituus ( m ) A = Silmukan pinta-ala ( m² ) d = Etäisyys silmukasta ( m ) Johtimen säteily kasvaa suoassa suhteessa taajuuteen, eli 20 db / Dekadi. Tapetsiaallon spekti vaimenee suuilla taajuuksilla -40 db / dekadi. Tästä seuaa säteilytason lasku ylemmän ajataajuuden t jälkeen Silmukan säteily kasvaa taajuuden neliössä, eli 40 db / Dekadi. Täten säteilytaso ei laske suuillakaan taajuuksilla, koska vaikka signaalin spektin vaimentuma onkin -40 db / Dekadi, niin silmukan vahvistus on yhtäsuui. Hyvin suuilla taajuuksilla säteilytasoon tulee esonansseista johtuvia tasomuutoksia Johtopäätökset: Alle 300 MHz taajuuksilla pääasiallisina säteilylähteinä toimivat johtimet Yli 300 MHz taajuuksilla säteilylähteet ovat yleensä silmukoita Silmukan säteilyn pienentäminen: Silmukoiden säteily voidaan pitää pienenä pitämällä kaikkien silmukoiden pinta-alat ( A ) pieninä!! Tehonsyöttöpiieihin muodostuu helposti silmukoita. Lisätietoa aiheesta tehonsyöttöä ja maadoitusta käsittelevästä luentomonisteesta Linkki

6 SÄHKÖMAGNEETTISTEN HÄIRIÖDEN PIENENTÄMINEN Kytkeytyminen elektonisiin laitteisiin tapahtuu joko sähkö- tai magneettikentän välityksellä tai sähkömagneettisen kentän avulla. Säteilemällä eteneviä häiiöitä voidaan eliminoida: Pitämällä kiittisten linjojen johdotukset ( piiilevyllä ) iittävän lyhyinä ( l < (/20)λ ) Kiittiset linjat sovitettava ( Aaltoimpedanssi ) Vältetään tapeettoman suuia signaalin nousunopeuksia. Vältettävä silmukoiden muodostumista ja pidettävä muodostuvien silmukoiden pinta-alat pieninä. Muista myös tehosyöttöön muodostuvat silmukat! Kunnollisella koteloinnilla. Suodattamalla kaikki ( johtimien ) läpiviennit läpivientikohdissa.