EDI615 Tekniska gränssnitt Fältteori och EMC föreläsning 3

EDI615 Tekniska gränssnitt Fältteori och EMC föreläsning 3 Daniel Sjöberg daniel.sjoberg@eit.lth.se Institutionen för elektro- och informationsteknik Lunds universitet April 2014

Outline 1 Introduktion 2 Virvelströmmar och inträngningsdjup 3 Elektromagnetiska vågor 4 Tillämpningar 5 Sammanfattning 2 / 25

Översikt Inslaget är en orientering om hur yttre störningar kan koppla in sig på en krets, samt hur de kan minimeras. Fyra föreläsningar 1. Elektriska fält 2. Magnetiska fält 3. Elektromagnetiska fält 4. Transmissionsledningar Två laborationer 1. Kapacitiv och induktiv koppling mellan ledare 2. Reflektioner i en koaxialkabel Litteratur: Utdrag från Christos Christopoulos, An Introduction to Applied Electromagnetism. Laborationshandledningar. Föreläsningsanteckningar. 4 / 25

Elektriska och magnetiska fält hittills Hittills har vi studerat två sidor av elektriska och magnetiska fält: Kapacitiva kopplingar: Metallkroppar påverkar varandra genom deras respektive laddningar. Minimeras genom skärmning. Induktiva kopplingar: Strömslingor påverkar varandra genom deras respektive strömmar. Minimeras genom att minska slingarean. Dessa är lågfrekventa fenomen, där elektriska och magnetiska fenomen kan betraktas separata från varandra. I den här föreläsningen ska vi studera vad som händer då frekvensen ökar. 5 / 25

Induktion Vi har redan sett en koppling mellan elektriska och magnetiska fält: induktion. B v = dφ dt, φ = B n ds, B n + v Stor yta ger stort flöde. Tidsvarierande flöde ger inducerad spänning. Inducerad spänning motverkar flödesändringen (Lenz lag). 7 / 25

Generator Typiskt drivs rotationen av vattenkraft, vindkraft etc. Det varierande magnetiska flödet ger upphov till en växelspänning. 8 / 25

Î Ö Ö Ò Ñ Ò Ø ÐØ Virvelströmmar ÖÚ Ö Ö Ò Ð ÐØ Î Ö Ö Ò Ð ÐØ ÖÚ Ö Ö Ò ØÖ ÑÑ Ö Î Ö Ö Ò ØÖ ÑÑ Ö ÖÚ Ö Ö Ò Ñ Ò Ø ÐØ I en kropp med ledningsförmåga induceras ström i flera nivåer: Ju högre frekvens desto starkare koppling mellan rutorna (V = jωφ). Mycket komplicerat problem att lösa i detalj! 9 / 25

Inträngningsdjup I vissa starkt förenklade geometrier kan virvelströmmarna beräknas exakt. För en plan geometri avtar alla fält med faktorn e d/δ, där 1 inträngningsdjupet δ = och πfσµ f är frekvensen σ är ledningsförmågan för metallen µ = µ r µ 0 är permeabiliteten för metallen Detta betyder att all ström koncentreras till ett område med tjocklek δ kring ytan av en ledare. För en god ledare som koppar (σ = 5.8 10 7 S/m, µ = µ 0 ) får vi f = 50 Hz f = 1 khz f = 1 MHz δ = 9.35 mm δ = 2.09 mm δ = 0.07 mm f = 1 GHz δ = 2.09 µm 10 / 25

Elektromagnetiska vågor För höga frekvenser bildas elektromagnetiska vågor. Elektriskt och magnetiskt fält är vinkelräta mot varandra och utbredningsriktningen. Kvoten är Z w = E / H = 377 Ω. Våglängd och frekvens ges av λ = c/f, c = 299 792 458 m/s 3 10 8 m/s där c är ljushastigheten i vakuum (högsta möjliga hastighet enligt relativitetsteorin). 12 / 25

Animation http://www.enzim.hu/~szia/emanim/emanim.htm 13 / 25

Högerhandsregeln z y x Poynting-vektorn S = E H ger effekttätheten, dvs om E är längs tummen (x) och H längs pekfingret (y), så är effektflödet S (utbredningsriktningen) längs långfingret (z). 14 / 25

Elektriska och magnetiska källor Elektromagnetiska fält kan typiskt skapas av elektriska och magnetiska källor. Elektriska källor: laddningar Sprötantenner Urladdningar Magnetiska källor: slutna strömbanor Trådslingor Motorer Oavsett källa blir fälten på stort avstånd (mycket större än våglängden) proportionella mot 1/d och kvoten blir E / H = µ 0 /ɛ 0 = 377 Ω. 15 / 25

Vågimpedans Vågimpedans (kvoten mellan E och H) beror på källa och avstånd. Vågimpedans Zw = E / H H 1 d 2 E 1 d 3 10 3 377 Ω 10 2 H 1 d 3 Elektrisk källa Magnetisk källa E 1 d H 1 d E 1 d 2 10 2 10 1 10 0 10 1 Avstånd till källa d/λ 16 / 25

Skärmning Vid höga frekvenser blir det allt svårare att skärma. Olika former av skarvar och hål gör det möjligt för elektromagnetiska fält att läcka igenom. Hur mycket arbete som behöver läggas på skärmning beror på kraven för den enskilda produkten. 17 / 25

Elektromagnetiskt spektrum Röntgenstrålar Ultraviolett Synligt ljus Infrarött Nakenkameror (hundratal GHz) Radar (tiotals GHz) Mikrovågsugn (2.45 GHz) WLAN (2.4 & 5 GHz) Mobiltelefon ( 1 2 GHz) Radio/TV ( 100 MHz) RFID (13.56 MHz) Kraftledningar (50 Hz) 19 / 25

Radio frequency identification RFID Power Transponder Reader Data I Frekvens 13.56 MHz (finns a ven andra band) I Sma kretsar kopplade till spolar, begra nsad ra ckvidd I Betalsystem (brobiz, NFC) I Logistik, transporter I Passerkort I Idrottsevenemang I Djur I Inventarier 20 / 25

Mikrovågor Frekvens ca 300 MHz 300 GHz, våglängd 1 mm 1 m. Våglängder motsvarande hörbart ljud (20 Hz 20 khz, v = 340 m/s medför våglängder ca 17 mm 17 m). Gott om tillämpningar i kommunikation (ju högre frekvens, desto högre bithastighet). Mobiltelefoner, WLAN, radar, satellitkommunikation etc. Svårt att skärma pga den höga frekvensen! 21 / 25

Antenner Antenner a r gra nssnittet fra n ledningsbunden energi till luftburna elektromagnetiska va gor. I Besta r typiskt av en struktur i va gla ngds storlek. I Ju mindre antenn, desto smalare bandbredd. I Fo r att fa en antenn med ho g riktverkan, kra vs stor yta. I En stor utmaning med antenner a r att fa en va lkontrollerad impedans. Strukturer som a r av va gla ngds storlek kan (oavsiktligt) fungera som antenner och koppla in sto rningar till ett system. Gammal mobil Nyare mobil Radarantenn Patchantenn 22 / 25

Saker går ibland fel... Antennen kunde kortslutas beroende på hur användaren höll telefonen. Går inte att kompensera med mjukvara. Sämre förtroende för företaget. 23 / 25

Sammanfattning Vid höga frekvenser kan inte elektriska och magnetiska effekter betraktas separat. För att en struktur ska kunna stråla måste den vara av storleksordning våglängd. För att minska inverkan av elektromagnetiska vågor bör strukturen ej ha detaljer i våglängds storlek (resonanta). Vid skärmning domineras effekterna av skarvar och hål. 25 / 25