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(yáng)，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。
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(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。
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)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(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。
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(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。
3.5.5.1微帶線計(jì)算界面
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。
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質(zhì)疑聲：概念不是一般的亂
@maojoujou:
事實(shí)上，電源的電場(chǎng)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(chǎng)發(fā)生變化沿導(dǎo)線傳遞。 導(dǎo)線的重要作用是給場(chǎng)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(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。 ————這句話指的斟酌。 我不知道電場(chǎng)是不是A-B,C-B這樣同時(shí)傳播。
xiangshac@163.com
電磁場(chǎng)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(jiǎn)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(shí)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(huì)有收獲的。理論以書本為準(zhǔn)，一般是不會(huì)錯(cuò)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(duì)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(cè)量信號(hào)功率，而高速電路的測(cè)量的是信號(hào)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(duì)了電子在金屬內(nèi)移動(dòng)速度慢以外，其它的都是亂說。而且移動(dòng)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(gè)理解的人說不出其他那些烏七八糟的東西來。電磁場(chǎng)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(duì)的，理解是錯(cuò)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(dòng)，水管里面即使有一個(gè)橡皮隔膜也能傳遞能量。
@鳳舞天: 這段時(shí)間都在寫msOS的文檔，電磁場(chǎng)是作為給嵌入式人員入門寫入的，讓他們?cè)谲浖?，了解一下硬件，尤其是電磁?chǎng)，給他們很迷惑的感覺。 這部分先出來一個(gè)初稿，今后細(xì)化，寫書太累了，一天下不了2、3頁(yè)，還有一大堆項(xiàng)目等著做，靜不下心來。
大寶小莉啊
評(píng)論:
有點(diǎn)小建議：可以考慮在引用“同軸說明電磁場(chǎng)分布”前，先把電路的集總和分布說一下；對(duì)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(chǎng)分布，這樣可能會(huì)更好一些！
@鳳舞天: 電磁場(chǎng)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(shí)候，即興講解的，感覺不錯(cuò)，他們都能聽懂，整理了一下寫入文檔中的，后續(xù)會(huì)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(cuò)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(shí)間了，這個(gè)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(shí)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(gè)體系。感謝大家支持。
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