看得懂的电磁场理论

　　传输线阻抗

　　电磁场是波，那么就必须要满足电场能量与磁场能量相等，只有两个能量相等，才能相生相克，互为阴阳，比如男女，繁衍后代，生生不息。那么电场能量与磁场能量相等，相互转换才能把自己传递下去。注意，这儿讲的相等，是同一时间的能量要相等，这个跟LC振荡完全不同，振荡虽然也是电场与磁场转换，但不是同时，而是这一刻电场转化为磁场，下一刻，磁场转换为电场，所以总能量不变，在两者之间转换，无法传递下去。而对电磁场波来说，是同一时刻，相互转换，电转换为磁，磁转换为电，从源端获取能量传递到终端去。

　　取一小段传输线来，红线中间部分，我们用集中元器件来描述，导线的长度，就是电感L，导线之间就是电容C。电感对应的是磁场，电容对应的是电场，这两个能量要相等。

　　1/2 * C * U * U = 1/2 * L * I * I

　　整理可得：

　　Z = U / I = SQR(L/C),SQR 为开平方根号。

　　传输线阻抗的物理意义：在电磁场传输的过程中，电场与磁场能量相等，那么传输线两端的电压与电流必须满足这个比例关系。

　　阻抗匹配

　　通过以上很容易明白了，不同的传输线，它的阻抗是不同的，电磁场是一个能量场，若这个能量不能被后级完全吸收，必然会反射回来，因为能量是无法消失的。所以要求终端的电阻与传输线阻抗一样，这样传递过来的能量可以被完全吸收而不引起反射导致信号模糊。普通线之所以无法传递高频，就是因为不停的各种反射，导致信号模糊而失真。一般来说，要求信号源与终端都要跟传输线阻抗匹配，这样哪怕终端反射回来信号，也可以被源端的电阻吸收。

　　当有些传输线特别短，远远小于信号波长的时候，可以不需要太考虑阻抗，因为传输线太短，哪怕多次反射折叠，也不会使信号恶劣太多，所以不需要太考虑。我们普通的电路回路，在低频下，远远小于信号波长，哪怕多次折叠，也对信号没有什么影响，这就是普通电路不用太考虑电磁场的原因，而电路理论可以认为是电磁场理论在低频下的一个近似模型。

　　当多路不同阻抗的传输线或者终端连接在一起的时候，就需要考虑它们之间的阻抗匹配问题，需要引入电容电感实现阻抗匹配，这个就是大家经常听到的射频匹配问题。射频工作人员很大的精力都在调节信号的匹配。

　　需要引起重视的是，理论上讲，传输线阻抗跟频率无关的，因为传输线微分等效电容电感的阻抗跟频率是同步变化的，抵消掉了，但是引入了电容电感来调节匹配，这些电容电感对不同的频率的阻抗不同，所以会有一些频响特性，不再是与信号的频率无关了。所以匹配调节的时候，一般要调节的在想要的频带上。

　　微带线

　　电磁场的长距离传输，一般用同轴线，因为同轴线能量不能辐射到外界，但对于PCB的信号线设计，无法用同轴线，所以基于电磁场理论，设计了微带线。

　　如上图右边的模型图，上面是宽度为W的信号线，PCB的覆铜一般是0.018毫米。下面是参考地，参考地要尽可能大于三倍的W宽度。信号线与地之间的高度是h，一般都是PCB的标准材料FR4，需要注意的是，不同厂家的FR4介电常数基本差不多，严格的需要厂家提供数据，并且还跟频率有关，一般1GHz以内的，取值4.2。

　　微带线阻抗一般不需要用公式计算，网上有不少软件工具，只需要把这些参数代入即可。常用的知名专业软件为polar si8000，搜索“微带线阻抗”，网上有很多免费的。

　　在高速设计的时候，尤其是长距离设计，尽可能的按微带线的概念设计，越靠近理想，信号完整性越好。