Häiriöt kaukokentässä

Transkriptio

1 Häiriöt kaukokentässä eli kun ollaan kaukana antennista Tavoitteet Tuntee keskeiset periaatteet radioteitse tapahtuvan häiriön kytkeytymiseen ja suojaukseen Tunnistaa kauko- ja lähikentän sähkömagneettisessa säteilyssä Tietää väliaineiden keskeisten sähköisien suureiden merkityksen aallon vaimenemiseen ja tunkeutumissyvyyteen Tuntee silmukan ja suoran johtimen muodostaman antennin keskeiset eroavaisuudet

2 Sähkömagneettisen aallon eteneminen voidaan ajatella tapahtumana siirtää energiaa, informaatiota tai kohinaa kahden pisteen välillä, lähettimestä vastaanottimeen Sähkömagneettinen aallon eteneminen on mahdollista siirtojohdossa, aaltoputkessa, eristeessä, ilmassa ja tyhjössä Kaukokenttä ja sähkömagneettisen aallon eteneminen Kaukokentässä sähkömagneettisen säteilyn voidaan olettaa kulkevan kuvan mukaisena TEM-aaltona ( transverse electromagnetic mode ) E Etenemissuunta Kaukokentässä E H = 377Ω H

3 TEM-aallossa sähkö-ja magneettikentän komponentit ovat toisiaan ja etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa Lisäksi sähkö- ja magneettikentillä on tietty, väliaineesta riippuva suhde, aaltoimpedanssi Aaltoimpedanssilla η kuvataan sähkökentän suhdetta magneettikenttään η = µ ε TEM ja eteneminen Tasoaallon (TEM) aaltoimpedanssi on tyhjiössä 377 Ω, joka pätee likimääräisesti myös ilmassa. Aaltoimpedanssi riippuu väliaineen lisäksi myös mm. materiaalien rajapintojen läheisyydestä, geometrisista muodoista ym

4 E = jωµ 0H H = jωε E 0 D = 0 B = 0 Maxwellin kanssa hieman puuhasteltuamme saamme SMG-aallon etenemistä kuvaavan, laskennallisesti tärkeän aaltoyhtälön, joka sähkökentälle on E+ ω µ ε E 0 0 = 0 Samankaltainen yhtälö voidaan johtaa myös magneettikentälle H Aaltoyhtälö on siis vektorikentän toisen kertaluvun differentiaaliyhtälö, joka kuvaa sähkömagneettisen aallon etenemistä

5 Jos tarkastellaan yksinkertaista tapausta suorakulmaisessa koordinaatistossa, jossa sähkökenttä E on x -akselin suuntainen ja ainoastaan z -akselin funktio (etenemissuunta), edellä esitetty aaltoyhtälö voidaan saattaa muotoon, E z x + ω µ 0ε0Ex = 0 Ratkaisu edelliseen differentiaaliyhtälöön on tällöin E( z) = 0 E e jkz Yhtälö kuvaa tasoaallon sähkökenttää jossa E o on sähkökentän amplitudi kohdassa z=0, ja k on aaltoluku Aaltoluku k saadaan ratkaistua yhtälöstä Aaltoluvun ja aallonpituuden välillä vallitsee riippuvuus k =ω µ ε λ = π k 0 0

6 Z-suuntaan etenevälle magneettikentälle saadaan johdettua yhtälö µ 0 jkz H( z) = E0e ε0 µ 0 = η0 jossa suhde ε0 on aaltoimpedanssi, tässä tapauksessa tyhjön intrinsiikkinen aaltoimpedanssi Mikäli sähkökenttä muuttuu ajan funktiona, on meillä samalla sitä vastaan kohtisuoraan muuttuva magneettikenttä Muuttuva magneettikenttä taas vaatii parikseen kohtisuoraan muuttuvan sähkökentän E ja H vektorikenttien täytyy aina olla kaikkialla kohtisuorassa toisiaan vastaan, koska rotaatioyhtälöt sitovat ne toisiinsa Kentät ovat myös kohtisuorassa etenemissuuntaansa nähden, mikä tarkoittaa sitä, että aalto on pitkittäissuuntainen ja polarisoituu

7 Poyntingin vektori S on määritelty S = E H Poyntingin vektorin S yksiköksi saadaan W/m, joka on tehotiheyden yksikkö. Yleisesti vektorin divergenssi esittää vektorin virtausta tilavuusyksiköstä ulospäin, jolloin tätä soveltamalla sähkömagneettisen energian virtaus saadaan Poyntingin vektorin divergenssistä S Säteilyn tehon ja energian siirtoa voidaan siis tarkastella Poyntingin teoreeman avulla Poyntingin teoreema sanallisesti ilmaistuna antenniin syötettävä teho = sähkö- ja magneettikenttiin varastoitunut teho + säteilyteho Aalto häviöllisessä väliaineessa Edellä esitetyssä aaltoyhtälöiden tarkastelussa käsiteltiin aallon etenemistä häviöttömässä väliaineessa, jolloin sähkömagneettinen aalto jatkaa kulkuaan vaimenematta Jos tarkastellaan aallon etenemistä häviöllisessä väliaineessa (käytännön tapaus) sähkömagneettinen aalto vaimenee materiaalissa lähinnä sähköisten häviöiden, eli materiaalin johtavuuden, vuoksi

8 Aalto häviöllisessä väliaineessa Tällöin osa säteilyn energiasta muuttuu ohmisten (ja dielektrisisten polarisaatio-) häviöiden vuoksi lämmöksi ja säteilyn mukanaan kuljettama energia (Poyntingin vektori) pienenee Yksi tapa mallintaa häiviöitä on käyttää käsitettä kompleksisen permittiivisyys Kompleksisen permittiivisyyden ε reaaliosa ε' kuvaa materiaalin dielektrisiä ominaisuuksia ja imaginääriosa ε'' kuvaa materiaalin häviöitä Kompleksiseksi permittiivisyydeksi saadaan σ = ε j = ε0ε ω r j σ ω

9 Materiaalin johtavuus määrää käytännössä häviöt ja sähkömagneettisen aallon vaimenemisen Sijoittamalla kompleksinen permittiivisyys edellä esitettyyn aaltoyhtälöön, saadaan tasoaallon sähköja magneettikentät ratkaistua häviöllisessä väliaineessa Aaltoyhtälöissä aaltoluku ja aaltoimpedanssi muuttuvat kompleksisiksi Kompleksinen aaltoluku k voidaan nyt jakaa reaalija imaginääriosaansa, jolloin aaltoluvulle saadaan muoto k = α + jβ jossa kerroin α on vaimenemiskerroin ja β on vaihekerroin Kertoimiksi saadaan µε σ α = ω 1+ 1 ωε µε σ β = ω ωε

10 Sähkömagneettisen säteilyn vaimeneminen havaitaan parhaiten sijoittamalla sähkökentän yhtälöön aaltoluku reaali- ja imaginääriosat eroteltuina, jolloin α z jβz E( z) E e e = 0 Tärkeintä on huomata, että sähkömagneettinen säteily vaimenee eksponetiaalisesti kertoimella e αz E E 0 Aallon vaimeneminen matkan funktiona Kentänvoimakkuus 0.368Ε 0 δ Matka z

11 E E 0 Tunkeutumissyvyys Tunkeutumissyvyys kertoo häviöllisellä väliaineella matkan, jossa aalto on vaimentunut 1/e osaan, eli noin 37 %:iin alkuperäisestä arvostaan Ε 0 δ µε σ α = ω 1+ 1 ωε z Tunkeutumissyvyys 1 δ = α Tunkeutumissyvyydellä on merkitystä häiriösuojauksessa mm. suunniteltaessa RFsuojattua laitekoteloa Tällöin tunkeutumissyvyyden avulla voidaan arvioida mm. tarvittavan kotelon seinämäpaksuus, sillä tunkeutumissyvyys johteella riippuu lähinnä taajuudesta ja materiaalin johtavuudesta

12 Virran ahto skin effect Tunkeutumissyvyyttä joudutaan tarkastelemaan myös johtimissa Tällöin ilmiö aiheuttaa virran ahtautumista, eli johtimen tehollinen pinta-ala pienenee taajuuden kasvaessa Virran jakauma taajuuden kasvaessa: Tummuus kuvaa virran tiheyttä johtimen poikkipintaalassa Läheisyysvaikutus johtimissa Johtimissa täytyy myös tarkastella toisten virrallisten johtimien vaikutusta Nk. läheisyysvaikutus johtimissa vääristää vielä kenttäkuvaa, ja efektiivinen pinta-ala voi olla vieläkin edellistä esimerkkiä pienempi Virran jakauma suurella taajuudella meno- ja paluujohtimen ollessa vierekkäin

13 Esitetään vielä yksi tärkeä sähkömagneettisen aallon etenemiseen liittyvä suure, eli sähkömagneettisen aallon etenemisnopeus v ω 1 v = = k µε Esimerkiksi valon nopeus tyhjössä saadaan tästä yhtälöstä seuraavasti c = = 3 10 µ 0ε 0 7 Vs 1 C 4π 10 9 Am 36π 10 Vm m s Eri väliaineiden ominaisuuksia Häviöllinen väliaine Hyvä johde σ ωε >>1 Eriste σ ωε <<1 Tyhjö ( ilma) Vaimenemiskerroin α ω µε + σ ωε 1 1 ωµσ 0 0 Vaihekerroin β Aaltoimpedanssi η ω µε σ ωε jωµ σ + jωε ωµσ ωµ ( 1+ j) σ ω µε ω µε 0 0 µ ε 377

14 Antenneista Häiriötarkastelussa täytyy lähteä asetelmasta, jossa jokainen johdin ja jokainen johtimen muodostama silmukka on potentiaalinen häiriön lähetin ja vastaanotin (=ANTENNI) Säteilevä kenttä voidaan muodostaa periaatteessa joko: suurella virralla ja pienellä jännitteellä -matalaimpedanssinen antenni, H-lähikenttä, tai suurella jännitteellä ja pienellä virralla -korkeaimpedanssinen antenni, E-lähikenttä.

15 Silmukan muodostama antenni Lähikentässä: E H < 377Ω suuri H pieni E I E H Silmukan muodostama antenni... Lähikentän sähkö- ja magneettikenttien voimakkuuksien suhteen perusteella silmukka-antennia voidaan kutsua matalaimpedanssiseksi antenniksi Kaukokentässä sähkö- ja magneettikenttien voimakkuuksien suhde kasvaa tasoaallon n. 377 :iin.

16 Suoran johtimen muodostama antenni Suoran johtimen muodostamassa antennissa ei kulje suuria virtoja, vaan kenttä saadaan aikaiseksi johtimien välisellä jännite-erolla Nämä potentiaalierot muodostavat ympärilleen voimakkaan sähkökentän Suoran johtimen muodostama antenni I H E Lähikentässä: E H > 377 Ω suuri E pieni H I H E

17 Suoran johtimen muodostama antenni Lähikentän ominaisuuksien perusteella suoran johtimen muodostamaa antennia voidaan kutsua korkeaimpedanssiseksi antenniksi Kaukokentässä sähkö- ja magneettikenttien voimakkuuksien suhde vastaavasti laskee tasoaallon n. 377 :iin Käytännön antenneja Seuraava kuva esittää piirilevyä ja piirilevystä muodostuvia antenneja Piirilevyjohtimet muodostavat virrallisia silmukoita, joista häiriösäteily lähtee silmukka-antennin periaatteella lähinnä magneettisena lähikenttänä Silmukoiden ja johtimien potentiaalin heilahdellessa maatasoon nähden muodostuu taas sähkökenttiä, jolloin kyseessä on yksinkertaistettuna suoran johtimen muodostaman antennin lähikenttä

18 Matalaimpedanssiset magneettikentät Korkeaimpedanssiset sähkökentät Korkeaimpedanssiset sähkökentät Yleisesti ottaen laitteiston muodostamat antennit, eli häiriöiden lähettäjät ja vastaanottajat muodostuvat johtimista Antennin tehokkuus riippuu lähinnä johtimien pituuksista, silmukoiden pinta-alasta ja käytettävästä taajuusalueesta MAHDOLLISIMMAN LYHYET JOHTIMET MAHDOLLISIMMAN PIENET SILMUKAT (pätee myös lähikentän häiriöjuttuihin, kts. ind. ja kap. kytkeytyminen)

19 Johdot yleisesti muodostavat suuria antenneja. Johtojen päissä syntyy helposti suuria silmukoita.

20 Aukkosäteilijä aperture antenna Varo myös reikiä kotelossa Myös metallipinnassa oleva rako tai aukko voi toimia antennina! Esimerkiksi RF-tiiviiksi suunnitellun laitteen metallikuoressa oleva aukko tai kotelon sauman, millin osienkin kokoinen, rako voi toimia tehokkaana aukkosäteilijänä Esimerkiksi raossa merkitystä ei ole korkeudella vaan maksimaalisella pituudella maksimimitta liittyy aukossakin aallonpituuteen Kotelossa vuotavan raon voi tehdä jopa maalikerros metallin pinnalla λ/16

21 Likimääräisenä suunnittelusääntönä johtavassa suojakotelossa on λ/16 sääntö Jos laitekotelossa oleva rako tai aukko on tätä suurempi, alkaa aukosta päästä säteily läpi Gigaherziluokassa tämä tarkoittaa millimetrien osia Lohkomalla esim. tuuletusreiät pienempiin osiin, voidaan antenniefektiä pienentää

22 Impedanssien (epä)sovitusta voidaan käyttää eräänä EMI:n vähentäjänä Jos sekä lähettimellä ja vastaanottimella on sama impedanssi, on häiriön kytkeytyminen todennäköisempää, kuin jos lähettimellä ja vastaanottimella olisi erisuuruiset impedanssit Toisinsanoen pieni-impedanssisella lähteellä on pieni vaikutus suuri-impedanssiseen vastaanottimeen, ja päinvastoin. Tämä kannattaa ottaa huomioon suunnittelussa. Impedanssin epäsovituksen käyttö häiriön kytkeytymisen vähentämiseksi pätee sekä antennikytkeytymiseen, että johtoa pitkin tapahtuvaan kytkeytymiseen