2013年9月9日 星期一

電磁波譜 Electromagnetic Spectrum ( 搬家文 move from yahoo blog , Day 6 )

( 以下的圖文內容皆取材自 HyperPhysics Electromagnetic Spectrum )
電磁波在空間中傳送能量,能量儲存在傳播行進的電場與磁場中。一個單一頻率的電磁波,在空間中呈現電場與磁場的正弦波變化,如下圖所示。


 

磁場變化與電場的方向垂直。


電磁波的頻譜

 


以波長來看,會有很戲劇化的呈現,小到原子直徑,大可以到超過足球場長度:

 


試算一下音頻範圍,20 Hz 20 kHz 的波長,分別是 20 Hz 15,000 公里,和 20 kHz 15 公里長。對人耳來說,算是高頻的 20 kHz,在電磁波譜中卻落在很低的低頻範圍中。

 


與生活離不開的收音機,接收的 FM 頻段(88 MHz ~ 108 MHz),其波長則為:

 



波長有什麼關係? 此時回顧一下早先的文章「Wire & Cable () 線的參數 (2)」,當中的「Wavelength」:
…… ( 以下的圖文內容皆取材自 Belden 的技術文章 )

在任何帶有一定頻率範圍 ( 例如 20Hz ~ 20kHz audio ) 的系統中,通常都以最高的頻率數字帶入這個公式。如果你能每小時跑 150 哩,那麼每小時 65 哩也沒什麼大不了的了。同樣的道理,如果你的 cable 能處理 20 kHz,那麼任何低於 20 kHz 的頻率在這條 cable 的傳輸就更輕鬆了

 

OK,所以 audio 的波長是 9 英哩。那又怎麼樣?這裡有一個簡單的規則:
當任何一個信號在任何 cable 當中,至少要四分之一波長以上時,cable 的阻抗 ( impedence ) 才開始變得重要起來 意味著, audio 的例子來看,9 英哩的四分之一是 2  1/ 4 英哩一條 cable 載有 20kHz (或以下) 信號,阻抗得要在這條 cable 至少 2 英哩長時才值得我們注意所以了喇叭線的阻抗多少 不重要。麥克風線的阻抗多少?不重要。只要它們少於 2 英哩

另一個會影響波長的是電介質。 所以在上述例子中,實際波長距離應該要再乘上 Vp 假設我們的 cable 是較次級的 PVCVp 約為 50%,那麼剛才的關鍵波長距離將為 2 1/4 miles 乘以 50%,變成 1 1/8 miles,還是蠻長的啦。
其他頻率會是怎樣? 下表顯示不同信號的關鍵 (波長) 距離,適度的 PVC Vp 已考慮在內。

 

可以看到隨著頻率愈來愈高,波長愈來愈短,阻抗變得愈關鍵。當頻率來到非常高時,任何與信號傳輸關聯的因素對阻抗都變得很關鍵敏感,包括線本身、接頭、接線座、配線、到甚至電路板。

上表數字不是隨機亂選的,它們是許多廣播標準中最高的關鍵頻率。

 

所以你可以看到,在某些特定高頻的應用中,cable 阻抗變得重要,甚至是關鍵。 那麼如果你的 cable ( 或者接頭 connector ) 沒有正確的阻抗匹配時,會有什麼情況發生? 你會得到 "return loss"



電磁波無所不在,我們常在 cable 屏蔽(shield上做文章,與波長有沒有關係? Wire & Cable () 隔離屏蔽」文中的 …… ( 以下的圖文內容皆取材自 Belden 的技術文章 )
2. 隔離 (shield )

隔離 (屏蔽) 常被加在絞線對、多導體線上,用以防止雜訊入侵 (干擾) 或散出 (輻射)。對同軸來說,它是內部結構的一部分。屏蔽隔離通常有六種基本構成:
Unshielded   無隔離 - 絞線對通常無隔離,特別是在數據 (data) 應用上。而同軸,定義上是不能沒有隔離的。

Serve/spiral shields  纏繞隔離 - 簡單纏繞內部導體而成。當線彎曲時,隔離網會散開,線柔軟性高。此方式易生電感效應,所以少在視頻應用,而在低 () 頻的應用較多。

Braid shields  編織隔離 - 以導體圍繞內部導線編織而成。對 1k Hz~ 50M Hz 範圍效益最好。當線彎曲時,隔離網不會散開,線剛性高,承受力強。不過既是編織,總會有 "" 存在,遮蔽率 100% 是不可能的。尤其低於1KHz 的低頻,波長長,能量強,沒有一種標準的編織方式有用。

French braid shields - 前二者的混合方式。以兩股 serve 圍繞一個導體為軸編織而成,取兩者優點於一身。

Foil shields  () 片隔離 -  最單純、便宜、容易的應用方式。 通常由金屬與塑膠兩層薄片組成, 50M Hz 以上效益高。

Combination shields  組合隔離 - foil braid 隔離方式結合起來,低與高頻應用效益都好,也最貴。

視應用頻率的需求場合,選用適當的隔離屏蔽方式,成本效益才會兼顧。

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