看得懂的電磁場(chǎng)理論

　　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?、電壓、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(lái)的，非常直觀、形象，并且長(zhǎng)期以來(lái)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(shuō)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(wú)規(guī)則，比較亂，信號(hào)源信號(hào)無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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。