還死啃概念？看得懂的電磁場理論
本文的作者鳳舞天是《電子工程專輯》的老博主，希望用自己的所學成就自己的事業，更希望惠及他人。分享了很多自己創業和管理的經驗。《看得懂的電磁場理論》這篇博文，自發表後至有 109名讀者表示喜歡此文，閱讀6844，評論56，深受讀者喜愛。博主也與網友在評論中互動，以下是博文內容：
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，表徵電壓與電流關係的電阻就是水管的大小。從初中到大學畢業工作（排除專門學過電磁場，並且深入理解了的），我們一直這麼理解的。因為電路、電壓、電流、電阻的概念就是對照現實中看得到的水路、水壓、水流和水阻而來的，非常直觀、形象，並且長期以來感覺沒什麼問題，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線，會相互干擾，這個引入了磁場理論比較好的解釋了：存在交變的電流，就激勵出交變的磁場變化，部分磁力線相互圍繞了傍邊的信號線，根據安培定律，互感相互影響，這個採用磁場理論可以說完美的解釋了。當然靠近的兩根信號線不僅僅只有磁場的影響，電場也有影響，這個取決於電壓與電流的比例關係。
電路理論碰到的第二個問題，當一個迴路的導線無規則，比較亂，信號源信號無法完美的傳遞到終端上，高頻失真，信號完整性受損，限制了高速信號傳輸。而這個，電路理論解釋不了，磁場理論也解釋不了，需要第三種理論。
電路理論碰到第三個問題，無法解釋天線？怎麼斷路不相連的一段導線，可以輻射能量出去，而電路理論必須要有迴路的，完全不可理解。
電路理論無法解釋第四個問題：傳輸線阻抗，一根同軸線，標稱50歐姆，這個是表徵什麼物理量？這個50歐姆在哪兒呢？
信號的載體是能量
硬體中的信號的傳遞，基於電壓或者電流表徵的，但無論電壓還是電流，都是基於能量這一實體。
在現實中，能量的傳遞，都是從A到B點，而在微觀世界中，能量的傳遞只有兩種，那就是基於粒子傳遞，如同扔石頭，或者基於波的傳遞，如同聲音或者水波，只有這兩種。但是，電路是基於一個迴路的，大家日常想著電流從電源的正極留出到電源的負極，或者電子從負極流出到達正極，這個是電路理論經常提到的，深入人心，但這個明顯存在一個問題，就是這個迴路裡面，到底那個負載先上電呢？是靠近正極的A，還是靠近負極的C？
我們知道，電子有質量，在金屬中移動的速度很慢，遠遠小於光速，但電的建立是光的速度，所以電路建立的基礎，顯然不是以電子的移動作為初始條件，能跟光速比的，只有電磁場，它是波，可以傳遞能量，也滿足能量傳遞條件。
場結構模型
既然電路的理論基礎是電磁場，能量的傳遞必須從信號源點到終端，不可能是迴路形式，那麼如下圖，紅色細線是電場，從信號源擴展到負載B，藍色細圓圈是磁場，也從信號源擴展到負載B，理論上講，電路的順序是A、C、B，這樣的順序。
我們簡化上圖為傳輸線類型模式，可以清晰的看到，紅電場和蘭色磁場組成的電磁場從信號源到負載電阻。在傳播過程中，電場和磁場都是存在於導線外面的，而這些電場和磁場都是能量場，所以要明確的是，能量都是在導線外面的，而不存在於導線內部，這個很關鍵，
根據能量存在於導線外面的特點，我們加以利用，就得到不同的東西。比如為了實現傳輸，就需要降低損耗，降低對外的輻射而設計了同軸線，如下圖1（截面圖），外銅皮與內心銅線之間充填塑料，形成一個腔體，電場和磁場就分布在裡面，電場是兩極徑向的紅線，磁場是圍繞銅芯的切向蘭線。同軸線外沒有任何的電場和磁場，所以對外沒有輻射，損耗最小，最適合電磁場通訊。
PCB上的信號連接，無法用同軸線，於是設計了一種類似同軸線的方案，叫微帶線，如下圖2。圖中可知電場大部分被約束在信號線與參考地之間，但磁場有在外面，所以微帶線適合短距離傳輸，往往只適合於PCB。
若為了發射信號，如天線，就儘可能的把電場和磁場暴露在空間中，那麼就需要把兩極分開，如下圖3.
需要注意的是，一塊懸空的金屬，因為內阻為0，電磁場無法穿過而形成類似鏡子的反射效應，衛星天線採用一塊獨立的類似鍋蓋形狀的金屬板作為衛星信號的反射面，利用凹透鏡原理。
3.5.3 傳輸線阻抗
電磁場是波，那麼就必須要滿足電場能量與磁場能量相等，只有兩個能量相等，才能相生相剋，互為陰陽，比如男女，繁衍後代，生生不息。那麼電場能量與磁場能量相等，相互轉換才能把自己傳遞下去。注意，這兒講的相等，是同一時間的能量要相等，這個跟LC振蕩完全不同，振蕩雖然也是電場與磁場轉換，但不是同時，而是這一刻電場轉化為磁場，下一刻，磁場轉換為電場，所以總能量不變，在兩者之間轉換，無法傳遞下去。而對電磁場波來說，是同一時刻，相互轉換，電轉換為磁，磁轉換為電，從源端獲取能量傳遞到終端去。
3.5.3傳輸線微分模型
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，導線的長度，就是電感L，導線之間就是電容C。電感對應的是磁場，電容對應的是電場，這兩個能量要相等。
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。
傳輸線阻抗的物理意義：在電磁場傳輸的過程中，電場與磁場能量相等，那麼傳輸線兩端的電壓與電流必須滿足這個比例關係。
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，電磁場是一個能量場，若這個能量不能被後級完全吸收，必然會反射回來，因為能量是無法消失的。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致信號模糊。普通線之所以無法傳遞高頻，就是因為不停的各種反射，導致信號模糊而失真。一般來說，要求信號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，也可以被源端的電阻吸收。
當有些傳輸線特別短，遠遠小於信號波長的時候，可以不需要太考慮阻抗，因為傳輸線太短，哪怕多次反射摺疊，也不會使信號惡劣太多，所以不需要太考慮。我們普通的電路迴路，在低頻下，遠遠小於信號波長，哪怕多次摺疊，也對信號沒有什麼影響，這就是普通電路不用太考慮電磁場的原因，而電路理論可以認為是電磁場理論在低頻下的一個近似模型
當多路不同阻抗的傳輸線或者終端連接在一起的時候，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現阻抗匹配，這個就是大家經常聽到的射頻匹配問題。射頻工作人員很大的精力都在調節信號的匹配。
需要引起重視的是，理論上講，傳輸線阻抗跟頻率無關的，因為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節匹配，這些電容電感對不同的頻率的阻抗不同，所以會有一些頻響特性，不再是與信號的頻率無關了。所以匹配調節的時候，一般要調節的在想要的頻帶上。
3.5.5 微帶線
電磁場的長距離傳輸，一般用同軸線，因為同軸線能量不能輻射到外界，但對於PCB的信號線設計，無法用同軸線，所以基於電磁場理論，設計了微帶線。
3.5.5.0微帶線截面圖模型
如上圖右邊的模型圖，上面是寬度為W的信號線，PCB的覆銅一般是0.018毫米。下面是參考地，參考地要儘可能大於三倍的W寬度。信號線與地之間的高度是h，一般都是PCB的標準材料FR4，需要注意的是，不同廠家的FR4介電常數基本差不多，嚴格的需要廠家提供數據，並且還跟頻率有關，一般1GHz以內的，取值4.2。
微帶線阻抗一般不需要用公式計算，網上有不少軟體工具，只需要把這些參數代入即可。常用的知名專業軟體為polar si8000，搜索「微帶線阻抗」，網上有很多免費的。
3.5.5.1微帶線計算界面
在高速設計的時候，尤其是長距離設計，儘可能的按微帶線的概念設計，越靠近理想，信號完整性越好。
來自網友
質疑聲：概念不是一般的亂
@maojoujou:
事實上，電源的電場存在早於開關的接觸。接上導線的結果是原來的電磁場發生變化沿導線傳遞。 導線的重要作用是給場的限制和導向，所以也叫波導。
maojoujou
我們知道，電子有質量，在金屬中移動的速度很慢，遠遠小於光速，但電的建立是光的速度，所以電路建立的基礎，顯然不是以電子的移動作為初始條件，能跟光速比的，只有電磁場，它是波，可以傳遞能量，也滿足能量傳遞條件。 ————這句話指的斟酌。 我不知道電場是不是A-B,C-B這樣同時傳播。
電磁場是門複雜的學科，不要老想著走捷徑，通過幾千字，幾張圖就理解。幾句簡單的話只能描述一小部分內容，如管中窺豹，只見一斑。有時理論沒說完整，很容易誤導他人。這都是給非技術人員看的。如果真想學習，買點書回來好好看，書上有很多公式，基礎差買本電路數學慢慢研究，會有收穫的。理論以書本為準，一般是不會錯的。網上這些技術資料，寫資料的人的熱情是值得讚賞，但裡面內容不一定都是對的。另外，不要把高速電路和射頻電路搞混了，射頻電路通常是測量信號功率，而高速電路的測量的是信號電壓。看看你用的儀器單位就知道了。
加拿大的遊客
概念不是一般的亂。光就是電磁波；3W原則在十幾年前就更正為3h原則了，去看看IEEE的paper。除了說對了電子在金屬內移動速度慢以外，其它的都是亂說。而且移動速度慢這一點應該是從Eric Bogantin 的 signal integrity：simplified 這本書看來的。所有SI的書里，只有Eric明白說了這一點。有這個理解的人說不出其他那些烏七八糟的東西來。電磁場是比較難懂，不懂就踏實的去學。何必在這充數，毀人不倦呢。學問和手機不一樣，山寨不得。
EDC_may304
比喻是對的，理解是錯的。水管不能處處為空。你能從電線裡面排除電子嗎？如果將水在封閉管路里來迴流動，水管裡面即使有一個橡皮隔膜也能傳遞能量。
博主回應部分細節不嚴謹
@鳳舞天:這段時間都在寫msOS的文檔，電磁場是作為給嵌入式人員入門寫入的，讓他們在軟體之外，了解一下硬體，尤其是電磁場，給他們很迷惑的感覺。 這部分先出來一個初稿，今後細化，寫書太累了，一天下不了2、3頁，還有一大堆項目等著做，靜不下心來。
大寶小莉啊
評論:
有點小建議：可以考慮在引用「同軸說明電磁場分布」前，先把電路的集總和分布說一下；對於分布參數下的「同軸」的所有圖例中的直線改成環線扣環線的電磁場分布，這樣可能會更好一些！
@鳳舞天:電磁場部分，我很早以前就想寫，但都無法下筆起手，主要是起手很難寫，這部分內容是有一天在msOS群內聊天的時候，即興講解的，感覺不錯，他們都能聽懂，整理了一下寫入文檔中的，後續會進一步展開講解。
大寶小莉啊
整體思路的漸進引導是不錯的，但部分細節不怎麼嚴謹嘍！
鳳舞天
呵呵，畫圖太費時間了，這個圖是手畫的，表達了意思即可。詳細內容見於頂樓的msOS文檔，最近這段時間都在寫msOS文檔，把我所學及工作中領悟的都寫入msOS文檔中，形成一個體系。感謝大家支持。
炮灰向前沖
這個的描述算是比較限淺易懂了，可惜我的理解力還是需要提高一下才行！
GOODWAY
比較通俗易懂的解釋了電磁場的知識，給初學者有比較好的感性認識。
萬啥EDN
看了下評論，有人提到3H原則，是3W原則的延生，解釋一下，就是說即使信號線間雖然間距達到了3W，但是如果對於某一信號線來說（特指高頻）。例如多層板，在第一層步的信號，地平面在第四層，迴流路徑與信號間距H>W。還是會產生串擾。僅供參考，
台灣省的遊客
記得以前學到的是電場存在於導線之中，所以沿著導線的方向電勢降低。求解答。
強過超人
你真神，用普通物理就解決了量子固體理論都沒搞定的問題。
鳳舞天
感謝大家的支持，關於這篇文章，後續會再深入分析，比如LC振蕩跟電磁場到底不同於哪兒，LC為什麼是磁場與電場交互，而電磁場卻是同時最大同時最小的原因，這部分將在三角函數正交坐標系的概念中講解。或者到時候，把這部分再整合進去。
TAG:電子工程專輯 |