看得懂的電磁場理論

　　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換，但不是同時，而是這一刻電場轉化為磁場，下一刻，磁場轉換為電場，所以總能量不變，在兩者之間轉換，無法傳遞下去。而對電磁場波來說，是同一時刻，相互轉換，電轉換為磁，磁轉換為電，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，導線的長度，就是電感L，導線之間就是電容C。電感對應的是磁場，電容對應的是電場，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：在電磁場傳輸的過程中，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阻抗匹配，這個就是大家經常聽到的射頻匹配問題。射頻工作人員很大的精力都在調節信號的匹配。

　　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節匹配，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了。所以匹配調節的時候，一般要調節的在想要的頻帶上。

　　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的信號線設計，無法用同軸線，所以基于電磁場理論，設計了微帶線。

　　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的標準材料FR4，需要注意的是，不同廠家的FR4介電常數基本差不多，嚴格的需要廠家提供數據，并且還跟頻率有關，一般1GHz以內的，取值4.2。

　　微帶線阻抗一般不需要用公式計算，網上有不少軟件工具，只需要把這些參數代入即可。常用的知名專業軟件為polar si8000，搜索“微帶線阻抗”，網上有很多免費的。

　　在高速設計的時候，尤其是長距離設計，盡可能的按微帶線的概念設計，越靠近理想，信號完整性越好。