为什么基本电路定律在高频交流电下会失效?

电器工程 交流 高频
2022-01-22 04:30:04

我们刚刚开始整个 RF 场景,已经为我们之前的所有课程处理了直流和低频交流。

我知道在高频交流中,基本电路定律不再适用,经典的无源元件模型需要改变。这样做的理由是,在高频交流传输中,波长变得更小,有时甚至比 PCB 等上的布线更小。

我知道这是用电磁波通过自由空间传输时的问题,但为什么这是由交流电源驱动的实际物理电线和 PCB 的问题?我的意思是这是直接连接,我们没有使用电磁波在自由空间中传播,所以波长和其他东西应该无关紧要吧?

4个回答

实际上,这一切都与海浪有关。即使在处理直流电时,它也都是由电场和磁场以及波来管理的。

“基本法则”并没有崩溃。你学到的规则是在特定条件下提供准确答案的简化——你还没有学习基本法则。使用简化后,您将学习基本定律。

简化规则的部分假设条件是电路远小于所涉及信号的波长。在这些条件下,您可以假设信号在整个电路中处于相同状态。这导致描述电路的方程得到了很多简化。

随着频率变高(或电路变大),电路只占波长的一小部分,这种假设不再有效。

波长对电路运行的影响首先在低频时变得很明显,但电路非常大 - 电报线。

当您开始使用 RF 时,您会达到这样的波长,即桌面上的电路大小是所用信号波长的相当大的一部分。

因此,您开始不得不关注以前可以方便地忽略的事情。

您现在学习的规则和方程式也适用于更简单的低频电路。您可以使用新事物来求解更简单的电路——您只需要掌握更多信息并求解更复杂的方程即可。

EM 的基本定律是麦克斯韦方程组

E=4πρ
B=0
×E=1cBt
×B=1c(4πJ+Et)

它们一直是 EM 的基本定律,但在较低频率下,我们发现求解这些多维微分方程相当困难,而且对支持我们对电路的理解也不是那么有帮助。如果 18ga 短线和 0000 长线之间的净差相对于您感兴趣的行为为 0.0000001%,则您不需要调用对称性来正确求解沿线传播的方程。

因此,人们已经将这些方程式整合到了简单的情况下,例如低频电线,并找到了您在早期课程中给出的方程式。好吧,更准确地说,我们首先找到了这些方程,然后在深入研究 EM 时找到了麦克斯韦方程,最后证明了原始方程与麦克斯韦方程是一致的。

就个人而言,我发现最好通过示例来探索这一点。我想从著名的著作《高速数字设计的艺术》(副标题:A Handbook of Black Magic)中举一个例子。在他们的介绍中,他们指出了电容器类型选择的重要性。他们提出了非凡的主张,即在高速下,电容器看起来像电感器,因为它的引线是两条平行线。平行线有电感。

如果我们使用阻抗的概念,我们可以计算 寄生电感对我们电容器的影响。电容器的阻抗为,电感器的阻抗为我们现在将忽略寄生电阻,尽管在许多情况下它也是一个重要的细节。把它们串联起来,你会看到电路的阻抗如您所见,在高频下,CL 项开始占主导地位,使整个电路看起来更像一个电感器。在较低的频率,其中,你可以忽略这一点。在高频下,你不能。1ωCωL1ωC+ωL=ω2CL1ωCω2CL1

同样,在高频下,很难忽视电线会发射 EM 辐射的事实。在低频时,这种影响微乎其微,但在高频时,导线本身会消耗大量功率。

因为集总元件模型所要求的假设被违反了。集总元件模型允许您分析通过节点连接的电阻器等设备,而无需考虑设备和电路的物理布局。

集总元件模型假设:

  1. 导体外的磁通量随时间的变化为零。

ϕBt=0

  1. 导电元件内的电荷随时间变化为零。

qt=0

  1. 特征长度(节点和设备的“大小”)远小于感兴趣信号的波长。

Lc<<λ

这里有很多复杂(且正确)的答案。我将添加一个简单的类比 - 想想射击枪:

  • 在 10 厘米距离处,子弹行进的时间只是距离/速度,并且生命值与枪管的斧头在线相同
  • 在 10 m 距离处,您会看到子弹击中的目标较低,因为重力将其拉低了一点,您必须为此调整目标
  • 在 20 m 处,您需要进行更多调整,因为重力对其影响更大
  • 在 100 m 你看,即使考虑到引力,它也不适合。为什么?是的,有空气,子弹也减慢了。我们还看到,子弹除了直线飞行之外还在做其他事情,因为它的旋转结合垂直速度压缩一侧的空气,子弹在那里跳舞。我们还可以看到,它可能不是完全同质的,这增加了它移动的另一个因素
  • 在 1000 米处,我们可以看到,还有其他东西 - 是的,地球在旋转,它也很重要
  • 所以去更高的地方,它不会那么快地结束它在地面上的飞行,比如说在轨道上然后在那里射击——还有更多要计算的——我们也忘记了月球引力
  • 在更远的距离上,我们看到不仅有太阳引力,还有来自太阳的光,它们也推动了它一点点,还有所有在其中产生很小电流的电活性粒子和磁场......
  • 并且在极长(如星际)中还可以追踪其他星系的引力(并不奇怪),但我们的被欺负者有时间改变其内部结构,因为即使是铅也通过放射性衰变极慢地分解成其他化学元素

现在它非常复杂,所以让我们回到开始时的 10 厘米距离 - 这是否意味着公式时间 = 距离/速度不起作用?还是无法使用我们最终的超级复杂公式?

好吧,两者都有效,因为我们慢慢添加到计算中的所有这些元素仍然存在,只是在如此短的距离上,差异是如此之小,以至于我们甚至无法测量它。所以我们可以使用我们的“简单”公式——它并不完全准确,但在某些合理的条件下会给出合理的准确结果(比如小数点后 5 位),我们能够快速学习、快速应用并获得结果,这在我们感兴趣的比例上是正确的(精确到小数点后 5 位)。


直流电、慢速交流电、射频、超高频……每个后续都是上一个的更精确版本,每个上一个都是后续的特殊版本,在这种情况下,细微的差异是如此之小,我们可以丢弃它们并获得“足够好”的结果。