看得懂的電磁場理論

　　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。從初中到大學畢業(yè)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(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，當一個回路的導線無規(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(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(nèi)部，這個很關(guān)鍵，

　　根據(jù)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(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。