|
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。因為電路、電壓、電流、電阻的概念就是對照現(xiàn)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(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體。 在現(xiàn)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(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(zhì)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(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(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，我們加以利用，就得到不同的東西。比如為了實現(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，因為內(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。 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。 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。 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?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。 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(dǎo)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(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(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(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。 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(shè)計，無法用同軸線，所以基于電磁場理論，設(shè)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(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)上有很多免費的。 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。 |
