实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射

中心议题：
    *  电子与电荷的物理特性
    *  电界、磁界、电磁波的物理特性
    *  天线的放射特性

本系列讲座共12篇，剩下6篇在文章最后：
实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010427
实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式
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实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010429
实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010430
实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010431
实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010432

噪讯会以静电诱诱导、电磁诱导、电磁波等形式在空中传输。电气的导体具有天线效应，也就是说天线除了可以放射电磁波之外，还会撷取在空中传输电磁波。 
 
电子与电荷的物理特性

在物理学认为物质是由各种粒子构成，物质的最小单位为「原子」，如图1所示原子是由围绕原子核的电子与原子核构成。

电子是微小粒子同时也是电气的基本元素，电气分为「正电气」与「负电气」两种，电子属于「拥有负电气的是微小粒子」；原子核则是「拥有正电气的微小粒子」，这些粒子拥有的电气称为「电荷」。电荷(电气量)的单位是「库伦(C)」，一个电子的电荷量「e」与质量「me」可以用下式表示:

 原子的原子核电荷与原子周围的电子，两者拥有的总电荷完全相等，因此原子整体成为中性。物质分为可以通行电气例如金属的「导体」，与无法通行电气的「绝缘体」两种。图2是表示各种物质阻抗大小的阻抗率一览。

在导体之中有自由流动的自由电子，自由电子的流动就是所谓的「电流」，电流的单位是「A(安培)」，1A是每秒一库伦的电流移动大小。绝缘体内部没有自由流动的自由电子，绝缘体可以分成:

丧失电子，却拥有正电荷的物质。
具备额外电子，拥有负电荷的物质。
两种，丧失电子的物质通常带正电，具备电子的物质通常带负电，不会转动或是无法转动的电荷称为「静电气」
　
图2 各种物质的阻抗率一览

硅与水晶等半导体除了阻抗率介于导体与半导体中间之外还拥有独特性质，该半导体独特性质广泛被应用在电子电路。由图1可知围绕电子周围的的电子之中，在外侧轨道围绕的电子具有容易从原子核分离的性质，此外它还与其它原子拥有结合关系，因此最外侧的电子称为「价电子」。

如图3所示硅的结晶受到价电子的影响，相互连系整齐排列，该价电子一旦成为自由电子飞离后就变成空穴，由于该空穴的负电子已经拔除所以变成正电子，该空穴称为「正孔」，图4是正孔的移动特性。
　
图3 硅结晶的内部排列构造　　                                  　　

图4 正孔的移动特性
 

　
如图4所示❷的价电子依照❶的路径飞离成为自由电子，❷成为正孔。此处假设附近的价电子❸飞离，进入❷的正孔，实际上移动物是电子，然而外观上却看似正孔从❷移动至❸的感觉。

自由电子本身就担负电气的搬运工作，因此被称为「载子(carrier)」，此外正孔外观上也电气的搬运工，因此正孔也是载子。以上是单纯的硅结晶所产生的现象，类似这样的半导体称为「真半导体」，虽然它被视为半导体，不过它的载子数量非常少，性质比较接近绝缘体，所以实际应用并不使用「真半导体」。

硅本身含有若干的不纯物，依照不纯物的种类分成p形半导体与n形半导体(图5)。图5的n形半导体中多出一个价电子，该价电子成为自由电子，亦即混入硅材料内部的不纯物为5个价电子时，称该不纯物为「施体(donor)」。至于p形半导体缺乏一个价电子成为正孔，混入硅材料内部的不纯物为3个价电子时，因此称为「承受体(acceptor)」。
　
图5 n形与p形半导体的比较

半导体透过p形半导体与n形半导体的组合制成，例如图6的二极管就是典型的p形与n形接合后的产物，接合时接合面发生变化称为「空泛层」。
　
图6 典型二极管内部结构

电界、磁界、电磁波的物理特性

电荷相互有力的作用关系，如图7所示符号相同的电荷彼此相互排斥，符号相异的电荷则彼此相互吸引。

图7 电荷的动作特性

电荷相互排斥或是相互吸引的力量(power)，与双方的电荷相乘结果呈比例，与相互距离的二次方呈反比，该特性称为「库伦法则」。电气量为Q的电荷放置在某个位置，假设该电荷有力量F在动作，由于在该位置一定有某种可以使力量波及至电荷Q的物质，该物质就是一般所谓的「电界」，可以使电界的状态更容易理解的表达手段称为「电气力线」，电气力线具备下列特性:
某点的电气力线切线方向，可以表示该位置的电界E的方向。
电气力线的密度，可以表示该位置的电界强度E的大小。
电气力线从无限远方发生，同时也会溃散至无限远方。
 
利用电气力线表达电界时，其结果如图8所示。
　 
图8 电界与电气力线的比较
 

　
图9(a)是周围没有任何其它物质，完全孤立的信号在线均匀电荷分布时的电气力线；图9(b)是平行2条线其中一条带正电，另外一条带负电时的电气力线模样。
 　
图9 信号线的电气力线比较

电流一旦开始流动，由于电流的磁气作用产生磁气力，亦即所谓的「磁力」，此时力的效应与上述电界一样，分别出现磁界与磁力线，磁力线具备下列特性:

某点的磁力线的切线方向，可以表示该位置的磁界强度H的方向。
磁力线的密度，可以表示该位置的磁强度H的大小。
电流造成的磁界磁力线呈圆形，电流顺时针方向流动时，磁界成为顺时针方向回旋(顺时针法则) 。
电流造成的磁界强度H，与流动电流I呈比例，与电流的距离呈反比。

图10是周围没有任何其它物质，完全孤立的单一信号线与平行2条线内，电流流动时的磁力线比较。
　
图10 信号线的磁力线比较

交流的场合，它的电界与磁界与直流完全相同，随着时间的经过，直流的电界与磁界呈正弦波形变化，此时若作某种程度远离发生源时，电界与磁界会自形整合，成为具备波动性质，整合电界与磁界之后获得的波称为「电磁波」，或是「电波」。
如表1所示电磁波除了电波之外还包含波长极短的紫外光、可视光、X线、伽玛线(Gamma)，表中的电波是电波法定义的范围。通常电波以频率表示，光线则以波长表示居多，光速为3x108m/s，波长λ(m)与频率f(Hz)可以用下式换算:
 
随着电波的频率增加，电磁波逐渐带有光的特性，频率较低时电波会围绕物体，随着频率的增加成为微波(micro wave)，接近光波长时电磁波会出现直进性。

表1 电磁波的分类
 

天线的放射特性

如图11所示天线大致上可以归类成
负载天线(load antenna)
环形天线(loop antenna)
从负载天线放射的电界与磁界的强度，与天线长度以及天线内的电流两者相乘结果呈比例。
天线的长度与电磁波的波长呈一定比率时，会引发共振进而产生非常大的电界与磁界，例如一种被归类成负载天线称为「偶极天线(dipolar antenna)」，该天线长度等于1/2电磁波的波长时，就会产生共振现象。
　
图11 天线的种类

图12是负载天线发射电界与磁界时的模样。以负载天线而言，在天线附近的「电界」为支配性，一旦远离一段距离，电界与磁界变成同等接近平面波。
 　
图12 负载天线的电界与磁界特性

从环形天线放射的电界与磁界的强度，则与环形的面积以及天线内的电流两者相乘结果呈比例，图13是环形天线发射电界与磁界时的模样。环形天线与上述负载天线不同，在天线附近的「磁界」为支配性，不过一旦远离一段距离它与上述负载天线一样，电界与磁界变成同等接近平面波。
 　
图13 环形天线的电界与磁界特性

在环形天线磁界支配的领域称为「近场(near field)」，远离天线的领域称为「远场(far field)」，近场与远场的境界大约是电磁波波长λ的1/2π，亦即λ/6，无线通讯使用的领域通常是远场，在远场电界与磁界被当作平面波传输。在平面波磁界会对地面作垂直变化，电界会对地面作平行变化，电磁波以光速传输，某瞬间平面波(电界与磁界)的模样若以向量(vektor)方式，其结果如图14所示。
　
图14 某瞬间的平面波特性
 

　
噪讯对策、放射的量测、噪讯模拟分析放射都需要使用天线，然而噪讯对策时最大困扰是天线效应，会造成噪讯放射与噪讯撷取等问题，造成大型负载天线效应主要祸首是电子机器的外部缆线，尤其外部缆线等于变成长度很长的天线。

通常缆线内部的信号都是往返信号，由于往返电流相互抵销，不会成为天线进行放射动作，然而电子机器内部拥有极大的一般模式噪讯，例如电子机器的电源大多使用switching电源，switching电源本身就是一般模式噪讯的发生源，对一般模式噪讯而言，外部缆线顺理成章变成强大的天线，在此同时变成天线的外部缆线，会撷取外部一般模式噪讯至电子机器内部。

如上所述环形天线的放射与环形面积呈比例，因此拥有大面积呈环形的导线极易变成问题源，例如印刷电路基板的信号导线，经常作成类似图11的大环形结构，图中的信号线外观上似乎很短，不过信号线的折返是共通的大地线，如果依循该折返路径就会形成大型回路(loop)。此外，印刷图案的设计重点是「制作大面积回路」，导线一旦建构形成回路时，除了天线效应之外，同时还会使导线的电感(inductance)变大，此时如果电流流入电感，会产生电压变成噪讯。
　
图15 信号导线构成的回路

通常近场的噪讯问题比远场更严重，而且精确分析近场非常烦琐。在环形天线「电界」为支配性角色，在负天线「磁界」为支配性角色，因此一般都采用近似性进行分析。

分析时负载天线只考虑电界，亦即直线状的信号线主要考虑「浮游容量(stray capacitance)」；相形之下环形天线考虑磁界，亦即在环状天线导线被当作「相互电感」处理。

电界与磁界又称为电场与磁场，虽然电场与磁场同样拥有宽广的空间，不过相较于原场(field)几乎是2次元，电场与磁场则完全是3次元。在近场会有电界与磁界何者是支配性的问题，所以可以用「何者」作近似性处理，不过在远场则是将电场与磁场整合当作电磁波处理。此处为探讨近场与远场两者的境界点，必需将波动阻抗(impedance)当作阻抗考虑。事实上电磁波传递电力，所有同样有阻抗存在，电路上的阻抗主要表示电压与电流之间的关系，假设两点之间的电压为V，在两点之间流动的电流为I，阻抗 Z可以用下式表示: 
 
假设电磁波的电界为 ，磁界为 ，波动阻抗为 ，如此一来波动阻抗 可以用下式表示:
 
波动阻抗随着与天线的距离改变，图16是负载天线与环形天线的特性比较，图中的 是电磁波的波长， 是到天线的距离，由图可知近场与远场两者的境界点在横轴1的地方，相当于:

 
 
图16 负载天线与环形天线的特性比较

本系列讲座共12篇，剩下6篇在文章头部：
实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真
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实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010434
实用EMI噪讯对策讲座(9)——Ground与电源
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010436
实用EMI噪讯对策讲座(10)——电源的噪讯
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010437
实用EMI噪讯对策讲座(11)——DC电源与Ground
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010438
实用EMI噪讯对策讲座(12)——筐体与筐体内的导线
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010439