看得懂的電磁場(chǎng)理論

　　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(wú)法傳遞下去。而對(duì)電磁場(chǎng)波來(lái)說(shuō)，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。

　　取一小段傳輸線來(lái)，紅線中間部分，我們用集中元器件來(lái)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。

　　1/2 * C * U * U = 1/2 * L * I * I

　　整理可得：

　　Z = U / I = SQR(L/C),SQR 為開(kāi)平方根號(hào)。

　　傳輸線阻抗的物理意義：在電磁場(chǎng)傳輸?shù)倪^(guò)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。

　　阻抗匹配

　　通過(guò)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(lái)，因?yàn)槟芰渴菬o(wú)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(guò)來(lái)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(wú)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(méi)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(wèn)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(tīng)到的射頻匹配問(wèn)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(wú)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(lái)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(wú)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。

　　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(wú)法用同軸線，所以基于電磁場(chǎng)理論，設(shè)計(jì)了微帶線。

　　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。

　　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。