看得懂的電磁場(chǎng)理論

從初中甚至更小，我們就接觸到了電路，把電壓比作水源的高度，電流比做水流，表征電壓與電流關(guān)系的電阻就是水管的大小。從初中到大學(xué)畢業(yè)工作(排除專門學(xué)過電磁場(chǎng)，并且深入理解了的)，我們一直這么理解的。因?yàn)殡娐贰㈦妷?、電流、電阻的概念就是?duì)照現(xiàn)實(shí)中看得到的水路、水壓、水流和水阻而來的，非常直觀、形象，并且長(zhǎng)期以來感覺沒什么問題，所以非常的深入人心。

電路理論的困境

電路理論首先碰到的問題是兩根緊挨著的信號(hào)線，會(huì)相互干擾，這個(gè)引入了磁場(chǎng)理論比較好的解釋了：存在交變的電流，就激勵(lì)出交變的磁場(chǎng)變化，部分磁力線相互圍繞了傍邊的信號(hào)線，根據(jù)安培定律，互感相互影響，這個(gè)采用磁場(chǎng)理論可以說完美的解釋了。當(dāng)然靠近的兩根信號(hào)線不僅僅只有磁場(chǎng)的影響，電場(chǎng)也有影響，這個(gè)取決于電壓與電流的比例關(guān)系。

電路理論碰到的第二個(gè)問題，當(dāng)一個(gè)回路的導(dǎo)線無規(guī)則，比較亂，信號(hào)源信號(hào)無法完美的傳遞到終端上，高頻失真，信號(hào)完整性受損，限制了高速信號(hào)傳輸。而這個(gè)，電路理論解釋不了，磁場(chǎng)理論也解釋不了，需要第三種理論。

電路理論碰到第三個(gè)問題，無法解釋天線?怎么斷路不相連的一段導(dǎo)線，可以輻射能量出去，而電路理論必須要有回路的，完全不可理解。

電路理論無法解釋第四個(gè)問題：傳輸線阻抗，一根同軸線，標(biāo)稱50歐姆，這個(gè)是表征什么物理量?這個(gè)50歐姆在哪兒呢?

信號(hào)的載體是能量

硬件中的信號(hào)的傳遞，基于電壓或者電流表征的，但無論電壓還是電流，都是基于能量這一實(shí)體。

在現(xiàn)實(shí)中，能量的傳遞，都是從A到B點(diǎn)，而在微觀世界中，能量的傳遞只有兩種，那就是基于粒子傳遞，如同扔石頭，或者基于波的傳遞，如同聲音或者水波，只有這兩種。但是，電路是基于一個(gè)回路的，大家日常想著電流從電源的正極留出到電源的負(fù)極，或者電子從負(fù)極流出到達(dá)正極，這個(gè)是電路理論經(jīng)常提到的，深入人心，但這個(gè)明顯存在一個(gè)問題，就是這個(gè)回路里面，到底那個(gè)負(fù)載先上電呢?是靠近正極的A，還是靠近負(fù)極的C?

我們知道，電子有質(zhì)量，在金屬中移動(dòng)的速度很慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，但電的建立是光的速度，所以電路建立的基礎(chǔ)，顯然不是以電子的移動(dòng)作為初始條件，能跟光速比的，只有電磁場(chǎng)，它是波，可以傳遞能量，也滿足能量傳遞條件。

場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型

既然電路的理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)，能量的傳遞必須從信號(hào)源點(diǎn)到終端，不可能是回路形式，那么如下圖，紅色細(xì)線是電場(chǎng)，從信號(hào)源擴(kuò)展到負(fù)載B，藍(lán)色細(xì)圓圈是磁場(chǎng)，也從信號(hào)源擴(kuò)展到負(fù)載B，理論上講，電路的順序是A、C、B，這樣的順序。

我們簡(jiǎn)化上圖為傳輸線類型模式，可以清晰的看到，紅電場(chǎng)和蘭色磁場(chǎng)組成的電磁場(chǎng)從信號(hào)源到負(fù)載電阻。在傳播過程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是存在于導(dǎo)線外面的，而這些電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是能量場(chǎng)，所以要明確的是，能量都是在導(dǎo)線外面的，而不存在于導(dǎo)線內(nèi)部，這個(gè)很關(guān)鍵，

根據(jù)能量存在于導(dǎo)線外面的特點(diǎn)，我們加以利用，就得到不同的東西。比如為了實(shí)現(xiàn)傳輸，就需要降低損耗，降低對(duì)外的輻射而設(shè)計(jì)了同軸線，如下圖1(截面圖)，外銅皮與內(nèi)心銅線之間充填塑料，形成一個(gè)腔體，電場(chǎng)和磁場(chǎng)就分布在里面，電場(chǎng)是兩極徑向的紅線，磁場(chǎng)是圍繞銅芯的切向蘭線。同軸線外沒有任何的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，所以對(duì)外沒有輻射，損耗最小，最適合電磁場(chǎng)通訊。

PCB上的信號(hào)連接，無法用同軸線，于是設(shè)計(jì)了一種類似同軸線的方案，叫微帶線，如下圖2。圖中可知電場(chǎng)大部分被約束在信號(hào)線與參考地之間，但磁場(chǎng)有在外面，所以微帶線適合短距離傳輸，往往只適合于PCB。

若為了發(fā)射信號(hào)，如天線，就盡可能的把電場(chǎng)和磁場(chǎng)暴露在空間中，那么就需要把兩極分開，如下圖3.

需要注意的是，一塊懸空的金屬，因?yàn)閮?nèi)阻為0，電磁場(chǎng)無法穿過而形成類似鏡子的反射效應(yīng)，衛(wèi)星天線采用一塊獨(dú)立的類似鍋蓋形狀的金屬板作為衛(wèi)星信號(hào)的反射面，利用凹透鏡原理。

3.5.3 傳輸線阻抗

電磁場(chǎng)是波，那么就必須要滿足電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量相等，只有兩個(gè)能量相等，才能相生相克，互為陰陽，比如男女，繁衍后代，生生不息。那么電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量相等，相互轉(zhuǎn)換才能把自己傳遞下去。注意，這兒講的相等，是同一時(shí)間的能量要相等，這個(gè)跟LC振蕩完全不同，振蕩雖然也是電場(chǎng)與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換，但不是同時(shí)，而是這一刻電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)，下一刻，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)，所以總能量不變，在兩者之間轉(zhuǎn)換，無法傳遞下去。而對(duì)電磁場(chǎng)波來說，是同一時(shí)刻，相互轉(zhuǎn)換，電轉(zhuǎn)換為磁，磁轉(zhuǎn)換為電，從源端獲取能量傳遞到終端去。

取一小段傳輸線來，紅線中間部分，我們用集中元器件來描述，導(dǎo)線的長(zhǎng)度，就是電感L，導(dǎo)線之間就是電容C。電感對(duì)應(yīng)的是磁場(chǎng)，電容對(duì)應(yīng)的是電場(chǎng)，這兩個(gè)能量要相等。

1/2 * C * U * U = 1/2 * L * I * I

整理可得：

Z = U / I = SQR(L/C),SQR 為開平方根號(hào)。

傳輸線阻抗的物理意義：在電磁場(chǎng)傳輸?shù)倪^程中，電場(chǎng)與磁場(chǎng)能量相等，那么傳輸線兩端的電壓與電流必須滿足這個(gè)比例關(guān)系。

3.5.4 阻抗匹配

通過以上很容易明白了，不同的傳輸線，它的阻抗是不同的，電磁場(chǎng)是一個(gè)能量場(chǎng)，若這個(gè)能量不能被后級(jí)完全吸收，必然會(huì)反射回來，因?yàn)槟芰渴菬o法消失的。所以要求終端的電阻與傳輸線阻抗一樣，這樣傳遞過來的能量可以被完全吸收而不引起反射導(dǎo)致信號(hào)模糊。普通線之所以無法傳遞高頻，就是因?yàn)椴煌５母鞣N反射，導(dǎo)致信號(hào)模糊而失真。一般來說，要求信號(hào)源與終端都要跟傳輸線阻抗匹配，這樣哪怕終端反射回來信號(hào)，也可以被源端的電阻吸收。

當(dāng)有些傳輸線特別短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)的時(shí)候，可以不需要太考慮阻抗，因?yàn)閭鬏斁€太短，哪怕多次反射折疊，也不會(huì)使信號(hào)惡劣太多，所以不需要太考慮。我們普通的電路回路，在低頻下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)，哪怕多次折疊，也對(duì)信號(hào)沒有什么影響，這就是普通電路不用太考慮電磁場(chǎng)的原因，而電路理論可以認(rèn)為是電磁場(chǎng)理論在低頻下的一個(gè)近似模型。

當(dāng)多路不同阻抗的傳輸線或者終端連接在一起的時(shí)候，就需要考慮它們之間的阻抗匹配問題，需要引入電容電感實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，這個(gè)就是大家經(jīng)常聽到的射頻匹配問題。射頻工作人員很大的精力都在調(diào)節(jié)信號(hào)的匹配。

需要引起重視的是，理論上講，傳輸線阻抗跟頻率無關(guān)的，因?yàn)?strong>傳輸線微分等效電容電感的阻抗跟頻率是同步變化的，抵消掉了，但是引入了電容電感來調(diào)節(jié)匹配，這些電容電感對(duì)不同的頻率的阻抗不同，所以會(huì)有一些頻響特性，不再是與信號(hào)的頻率無關(guān)了。所以匹配調(diào)節(jié)的時(shí)候，一般要調(diào)節(jié)的在想要的頻帶上。

3.5.5 微帶線

電磁場(chǎng)的長(zhǎng)距離傳輸，一般用同軸線，因?yàn)橥S線能量不能輻射到外界，但對(duì)于PCB的信號(hào)線設(shè)計(jì)，無法用同軸線，所以基于電磁場(chǎng)理論，設(shè)計(jì)了微帶線。

如上圖右邊的模型圖，上面是寬度為W的信號(hào)線，PCB的覆銅一般是0.018毫米。下面是參考地，參考地要盡可能大于三倍的W寬度。信號(hào)線與地之間的高度是h，一般都是PCB的標(biāo)準(zhǔn)材料FR4，需要注意的是，不同廠家的FR4介電常數(shù)基本差不多，嚴(yán)格的需要廠家提供數(shù)據(jù)，并且還跟頻率有關(guān)，一般1GHz以內(nèi)的，取值4.2。

微帶線阻抗一般不需要用公式計(jì)算，網(wǎng)上有不少軟件工具，只需要把這些參數(shù)代入即可。常用的知名專業(yè)軟件為polar si8000，搜索“微帶線阻抗”，網(wǎng)上有很多免費(fèi)的。

在高速設(shè)計(jì)的時(shí)候，尤其是長(zhǎng)距離設(shè)計(jì)，盡可能的按微帶線的概念設(shè)計(jì)，越靠近理想，信號(hào)完整性越好。

更詳細(xì)描述見于頂樓嵌入式微系統(tǒng)msOS文檔。