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(gè)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(gè)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(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(gè)，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(gè)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(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？

       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(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。

       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(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，從信號源擴(kuò)展到負(fù)載B，藍(lán)色細(xì)圓圈是磁場，也從信號源擴(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(fù)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(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(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?yàn)閮?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(dú)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。

       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(gè)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(shí)間的能量要相等，這個(gè)跟LC振蕩完全不同，振蕩雖然也是電場與磁場轉(zhuǎn)換，但不是同時(shí)，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(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。

3.5.3傳輸線微分模型

       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(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(gè)比例關(guān)系。

       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(gè)能量場，若這個(gè)能量不能被后級完全吸收，必然會反射回來，因?yàn)槟芰渴菬o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?yàn)椴煌５母鞣N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(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號波長的時(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(yuǎn)遠(yuǎn)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(rèn)為是電磁場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?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(shí)候，一般要調(diào)節(jié)的在想要的頻帶上。

       電磁場的長距離傳輸，一般用同軸線，因?yàn)橥�軸線能量不能輻射到外界，但對于PCB的信號線設(shè)計(jì)，無法用同軸線，所以基于電磁場理論，設(shè)計(jì)了微帶線。

3.5.5.0微帶線截面圖模型

       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(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polarsi8000，搜索“微帶線阻抗”，網(wǎng)上有很多免費(fèi)的。

3.5.5.1微帶線計(jì)算界面

       在高速設(shè)計(jì)的時(shí)候，尤其是長距離設(shè)計(jì)，盡可能的按微帶線的概念設(shè)計(jì)，越靠近理想，信號完整性越好。

自從發(fā)表了“看得懂的電磁場理論”這篇文章后，短短16日就在“最喜歡博文”中置頂，可見大家對于了解電磁場方面的知識應(yīng)該是相當(dāng)迫切的。雖然今天很多電磁場的知識都由以電路為基礎(chǔ)加上一些規(guī)矩約束，在各個(gè)行業(yè)中應(yīng)用良好，比如PCB設(shè)計(jì)、射頻甚至天線，都可以憑借一些“行業(yè)規(guī)則”，一些“模版”輕松設(shè)計(jì)，如PCB有“華為PCB設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”，按照這個(gè)上面的要求布線，都不需要再理解電磁場了，射頻、天線若有師傅傳授經(jīng)驗(yàn)，也是模版化了，本人接觸過不少做這些方面的，都是基于經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)也可以設(shè)計(jì)出性能不錯的產(chǎn)品，這個(gè)會讓一部分人迷惑，電磁場這么難，還需要學(xué)習(xí)電磁場嗎？

我認(rèn)為，這個(gè)根據(jù)個(gè)人的實(shí)際情況選擇，基礎(chǔ)差的可以不需要學(xué)，但對于有一定基礎(chǔ)，又想進(jìn)一步理解電磁場，用電磁場的觀點(diǎn)來看待PCB設(shè)計(jì)、射頻、天線，可以把他們統(tǒng)一起來，尤其是在培養(yǎng)人才方面，只需要把電磁場原理講解透徹，再結(jié)合一些例子，他們可以通過實(shí)踐舉一反三，今后不再需要師傅一一傳授。

記得在2007年，有一個(gè)做對講機(jī)的小伙子過來面試，那個(gè)時(shí)候我們公司還弱，沒幾個(gè)人，聊天中他問了我?guī)讉�(gè)關(guān)于射頻、天線方面的問題，他的師傅從不跟他講原理如何，只是讓他該如何做如何做，讓他很疑惑？我一一的用電磁場給他做了解答，之后他馬上回去辭職跟了我。

學(xué)電磁場可以解電路的惑，其實(shí)電磁場并不是很難，他的難點(diǎn)，核心在于我們沒法直觀觀察，并且我們?nèi)庋蹮o法直觀看到，其實(shí)分析透徹后，一點(diǎn)都不難。我也在平時(shí)把這些電磁場的理論基礎(chǔ)傳授給我的同事，讓他們不知不覺中學(xué)習(xí)。

為了進(jìn)一步把這篇文章寫好，多次跟網(wǎng)友交流，甚至發(fā)郵件給曾教我電磁場的大學(xué)老師，尤其是在msOS群內(nèi)，新加入不少因?yàn)榭吹竭@篇文章進(jìn)來的，經(jīng)常討論之后有了新的認(rèn)識，可以把之前這篇文章的一些細(xì)節(jié)漏洞補(bǔ)齊，之前有些難點(diǎn)我是避開講解的，隨著自己的認(rèn)識會慢慢添加進(jìn)去。

后面附張老師高足的回復(fù)，一位學(xué)術(shù)上很出色的博士：

1.這篇文章淺顯易懂，由電路理論自然地過渡到電磁場理論，可以使普通的學(xué)生能感性上認(rèn)識電磁場。

2.文中這句話“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”還需要進(jìn)一步斟酌。

3.電路分直流和交流電路，你從路到場的過渡或許可以從低頻電路到高頻電路展開。

4.可以加入集總模型和分布式參數(shù)模型。

5.其他部分解釋比較詳細(xì)，可以作為一個(gè)不錯的入門學(xué)習(xí)資料。