为什么简单的导体在承载信号时会开始发出EM波？

我知道在带有时钟的电路板上走线，如果高次谐波具有足够的功率，则会导致走线发出电磁波，从而产生EMI。我不明白的是为什么会首先发生这种情况？

为什么高频电流必须通过导体才能发出EM辐射，为什么低频电流却不会发生这种情况？我了解的是，在这种情况下，电路板走线实际上已开始充当天线，但我不知道原因。

后续问题...

但我不明白的是，为什么作为物理实体的电子流会导致这些EM波的发射

为什么会发生“辐射”？

让我们具体地看一下，因为这是一个常见的（也是非常好的）问题。

这是一条简单的电线，立即连接到电压源：

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

此时，导线左端（与电源相邻）与地面之间的电势差为1伏。

导线的另一端仍处于接地状态（零差），因为电源的电动势（电压）尚未传播到导线的另一端。

随着时间的流逝，导线下方的电压会增加：

^{模拟该电路}

导体中的电子被电场加速（源的势能被转换为电子中的动能）。

当电子到达末端*时，它们将无法继续运动-不再有导体传播！

...但是这些电荷在导线方向上具有动量（例如，有动能）。

当电荷在导线末端突然停止时，能量守恒定律要求该能量必须“去某处”-它不能只是消失！

答案是辐射。能量以电磁波的形式离开导线的末端。

*应注意，在导线一端开始移动的相同电子不一定与到达导线另一端的相同电子，但这对我们的讨论并不重要。

后果

许多整洁的事情就此而来。例如，您可能认为我们示例中的导线是由无限多的较小导线组成的。对于每种方法，相同的行为将成立（这就是为什么在整个长度范围内都发生辐射的原因）。

你也可以看到为什么从辐射导致的变化（从电流的变化例如）在电磁场。

您可以了解线性天线的工作原理。在我们的示例中，现在想象一下，在远端电压达到峰值时，我们将电源切换回0.0V。现在，您将具有相同的图片，但是翻转了（右侧为1.0V，左侧为0.0V），该过程将再次开始。

继续重复此过程，电子将从一端到另一端不断地来回移动（在整个导线长度上）。那是一个完美的线性天线（“辐射器”）。

如果导线太短，则运动会减少，而如果导线太长，则运动会太多。当您降低附近区域的电压时，电压将沿导线的下方继续增加（干扰结果，仅凭这些简单的数字很难将其可视化）。

现在您可以了解跟踪行为...

我了解的是，在这种情况下，电路板走线实际上已开始充当天线，但我不知道原因。

在低频下（实际上，“数字”电路中的边沿速率很低），电子有时间到达光源的末端，然后再切换光源并要求电子返回。这称为“集总元素”。

导线两端的电压基本上总是相同的。这是我们教给入门级电子学生的行为（电线是等电位表面=各处都有相同的电压）。

随着频率的增加，它们跳闸的时间越来越少，并且导线两端的电压也不再能保证始终与前面的图中相同。

在电路板设计中，您不必担心集总元件的辐射。一个简单的近似值是：

1. 在您的信令中找到最快的上升时间（1 /边缘速率）= Tr
2. 找到该边沿中包含的最大频率= f
3. 保持轨迹比相应波长短的数量级

那是：

其中c_m是介质中的光速（通常对于FR-4 PCB上的铜，c_m约为1.5e8）。

除了严格的数学处理之外，这里还有一些挥霍的解释：

当有电流流过时，任何导线周围都会有磁场（垂直于导线的长度）。然而，有效地发射电磁波还需要与M场成直角的电压降（E场）（沿着导线的长度）。

在低频下，唯一的电压降是由于导线中的I ² R损耗引起的，通常这不是很明显。但是，随着频率的升高，您会产生两种效果。首先，由于导线中的“集肤效应” ，I ² R损耗开始上升。其次，信号沿导线的有限传播时间意味着随着信号的变化，导线的末端处于不同的电压。当信号的频率上升到1/4波长与导线长度匹配的点时，第二种效果尤为明显。

所有交流信号都从其导体发出EM辐射，但是此过程的效率在很大程度上取决于信号波长与天线长度的比值。较高的频率具有较短的波长，并且可以从您在普通PCB上发现的走线的长度更有效地辐射。

如果您有连接到设备的电缆（例如电源电缆或音频电缆），则看起来较长的天线可能会发出较低的频率范围。

以下图片可能会有所帮助：-

该图显示了一个碟形天线，但很简单，它就像一条导线或PCB上的走线一样，但请记住，该碟形天线设计为在特定频率下有效发射，而走线和电线可能会在多个波长下“共振” 。

靠近电线/碟子/走线/天线，会产生电场和磁场来存储能量，就像电感器和电容器一样-这些场（靠近天线）不会辐射很远。请注意，在图片中，虚线重叠且相交-图片试图表示E和M字段之间的“不兼容”。我正在寻找在此处使用的正确单词...我以为“不连贯”，但也许不是，也许有一个更好的单词而不是不兼容性。

随着距离朝着大约1倍波长的等效距离增加，如果天线有效，则E和M部分会开始在时间上“对齐”，即它们的振幅会一起上升和下降。在此之前（在近场中）存在不对中的杂音，这主要是由于天线的L和C引起的-E和M场未及时对齐，实际上，天线周围的E和M场可以似乎几乎是偶然地错位。

随着距离的增加，如果天线擅长工作，则在所谓的远场中会产生适当的EM波。对我来说，这仍然是一个非常神秘的现象！

如您所知，穿过电线的稳定电流被磁场包围，磁场强度与电流成正比。您可能还熟悉归纳机制。变化的磁场会产生电场。通过扩展，不断变化的电流在导线外部产生电场，该属性通常用于在两个导电线圈之间传递能量。该电场的大小取决于电流的变化率，进而取决于频率。

变化的磁场不仅会产生电场，反之亦然。在电磁体中，交变电场用于产生磁场。在电线周围，大约是“自由空间”（没有电流或电荷），这两个领域一直都在创造新的一代，尽管实际上这并不像这种解释所暗示的那样离散。新一代决定性地推动了波阵面的发展。这是电磁波。

尽管所涉及的方程式看起来很简单，但即使对于最简单的理想化几何形状，计算电磁场的传播也相当先进，但是很容易从机理的知识（以及从麦克斯韦方程式的时间导数中得出）中得出电磁波的强度。导线周围的EM波与它的电流频率有关，因为电流的变化会引起该波。承载低频电流的导体也会辐射，但辐射很小。