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，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、電阻的概念就是對照現(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(jù)安培定律，互感相互影響,，這個采用磁場理論可以說完美的解釋了,。當(dāng)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,，這個取決于電壓與電流的比例關(guān)系,。

電路理論碰到的第二個問題，當(dāng)一個回路的導(dǎo)線無規(guī)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問題：傳輸線阻抗,，一根同軸線，標(biāo)稱50歐姆,，這個是表征什么物理量,？這個50歐姆在哪兒呢？

信號的載體是能量

硬件中的信號的傳遞,，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,，這個是電路理論經(jīng)常提到的，深入人心,，但這個明顯存在一個問題,，就是這個回路里面，到底那個負(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(jié)構(gòu)模型

既然電路的理論基礎(chǔ)是電磁場,，能量的傳遞必須從信號源點(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,，從信號源擴(kuò)展到負(fù)載B,，藍(lán)色細(xì)圓圈是磁場，也從信號源擴(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(fù)載電阻,。在傳播過程中,，電場和磁場都是存在于導(dǎo)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(dǎo)線外面的，而不存在于導(dǎo)線內(nèi)部,，這個很關(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,，降低對外的輻射而設(shè)計了同軸線,，如下圖1（截面圖），外銅皮與內(nèi)心銅線之間充填塑料,，形成一個腔體,，電場和磁場就分布在里面，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,，于是設(shè)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,，往往只適合于PCB,。

若為了發(fā)射信號，如天線,，就盡可能的把電場和磁場暴露在空間中,，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,，那么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，才能相生相克,，互為陰陽,，比如男女，繁衍后代,，生生不息,。那么電場能量與磁場能量相等，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(zhuǎn)換，但不是同時,，而是這一刻電場轉(zhuǎn)化為磁場,，下一刻，磁場轉(zhuǎn)換為電場,，所以總能量不變,，在兩者之間轉(zhuǎn)換，無法傳遞下去,。而對電磁場波來說,，是同一時刻，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。

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(dǎo)線的長度,，就是電感L,，導(dǎo)線之間就是電容C。電感對應(yīng)的是磁場,，電容對應(yīng)的是電場，這兩個能量要相等,。

傳輸線阻抗的物理意義：在電磁場傳輸?shù)倪^程中,，電場與磁場能量相等，那么傳輸線兩端的電壓與電流必須滿足這個比例關(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,，電磁場是一個能量場,，若這個能量不能被后級完全吸收，必然會反射回來,，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(dāng)有些傳輸線特別短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號波長的時候,，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,，也不會使信號惡劣太多,，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)小于信號波長,，哪怕多次折疊，也對信號沒有什么影響,，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(rèn)為是電磁場理論在低頻下的一個近似模型。

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)閭鬏斁€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(guān)了,。所以匹配調(diào)節(jié)的時候，一般要調(diào)節(jié)的在想要的頻帶上,。

3.5.5 微帶線

電磁場的長距離傳輸,，一般用同軸線，因?yàn)橥S線能量不能輻射到外界,，但對于PCB的信號線設(shè)計,，無法用同軸線，所以基于電磁場理論,，設(shè)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，參考地要盡可能大于三倍的W寬度,。信號線與地之間的高度是h,，一般都是PCB的標(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,。

3.5.5.1微帶線計算界面

在高速設(shè)計的時候，尤其是長距離設(shè)計,，盡可能的按微帶線的概念設(shè)計,，越靠近理想，信號完整性越好,。

更詳細(xì)描述見于頂樓嵌入式微系統(tǒng)msOS,，歡迎加入msOS群討論：291235815

質(zhì)疑聲：概念不是一般的亂

@maojoujou:

事實(shí)上，電源的電場存在早于開關(guān)的接觸,。接上導(dǎo)線的結(jié)果是原來的電磁場發(fā)生變化沿導(dǎo)線傳遞。 導(dǎo)線的重要作用是給場的限制和導(dǎo)向,，所以也叫波導(dǎo),。

maojoujou

我們知道，電子有質(zhì)量,，在金屬中移動的速度很慢,，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,。

[email protected]

電磁場是門復(fù)雜的學(xué)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(nèi)容，如管中窺豹，只見一斑,。有時理論沒說完整,，很容易誤導(dǎo)他人。這都是給非技術(shù)人員看的,。如果真想學(xué)習(xí),，買點(diǎn)書回來好好看，書上有很多公式,，基礎(chǔ)差買本電路數(shù)學(xué)慢慢研究,，會有收獲的。理論以書本為準(zhǔn),，一般是不會錯的,。網(wǎng)上這些技術(shù)資料，寫資料的人的熱情是值得贊賞,，但里面內(nèi)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?？纯茨阌玫膬x器單位就知道了,。

加拿大的游客

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(nèi)移動速度慢以外,，其它的都是亂說,。而且移動速度慢這一點(diǎn)應(yīng)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(diǎn),。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(shí)的去學(xué),。何必在這充數(shù)，毀人不倦呢,。學(xué)問和手機(jī)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,。你能從電線里面排除電子嗎？如果將水在封閉管路里來回流動,，水管里面即使有一個橡皮隔膜也能傳遞能量,。

@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,，讓他們在軟件之外,，了解一下硬件，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，今后細(xì)化,，寫書太累了,，一天下不了2、3頁,，還有一大堆項(xiàng)目等著做,，靜不下心來。

大寶小莉啊

評論:

有點(diǎn)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,；對于分布參數(shù)下的“同軸”的所有圖例中的直線改成環(huán)線扣環(huán)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(nèi)容是有一天在msOS群內(nèi)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,，后續(xù)會進(jìn)一步展開講解。

大寶小莉啊

整體思路的漸進(jìn)引導(dǎo)是不錯的,，但部分細(xì)節(jié)不怎么嚴(yán)謹(jǐn)嘍,！

鳳舞天

呵呵，畫圖太費(fèi)時間了,，這個圖是手畫的,，表達(dá)了意思即可。詳細(xì)內(nèi)容見于頂樓的msOS文檔,，最近這段時間都在寫msOS文檔,，把我所學(xué)及工作中領(lǐng)悟的都寫入msOS文檔中,，形成一個體系。感謝大家支持,。