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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，表征電壓與電流關系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，并且深入理解了的)，我們一直這么理解的。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，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系。 電路理論碰到的第二個問題，當一個回路的導線無規則，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?怎么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，就是這個回路里面，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，遠遠小于光速，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，不可能是回路形式，那么如下圖，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于導線外面的，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，而不存在于導線內部，這個很關鍵， 根據能量存在于導線外面的特點，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，衛星天線采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。 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。 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，那么傳輸線兩端的電壓與電流必須滿足這個比例關系。 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，遠遠小于信號波長的時候，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，遠遠小于信號波長，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。 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，但對于PCB的信號線設計，無法用同軸線，所以基于電磁場理論，設計了微帶線。 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，并且還跟頻率有關，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，網上有不少軟件工具，只需要把這些參數代入即可。常用的知名專業軟件為polar si8000，搜索“微帶線阻抗”，網上有很多免費的。 在高速設計的時候，尤其是長距離設計，盡可能的按微帶線的概念設計，越靠近理想，信號完整性越好。 |
