1、波长波长是描述信号在一个波长内的变化情况,其实就是相位和幅度变化情况,理想情况下电压、电流按正弦波规律变化,对应的电场和磁场也是按这个变化,在一个长的均匀平行传输线中,每隔一个波长位置信号电压是完全相同的,每隔半个波长位置信号电压是完全相反的2、波长和器件尺寸问题若信号的频率是50Hz,那么它的波长就是6000Km,那么所有器件尺寸在此波长下都不足为奇,所以信号在经过某个器件时基本上认为其相位和幅度没有变化;如果信号频率是3000MHz,那么波长为10cM,如果一个两根传输线同时传输此信号,若一根信号比另一根短5CM,那么其信号相位差90°,因该说信号频率越高,其波长越短,其对于所走路径的尺寸越敏感。
3、信号与能量信号只是一个信息或者说事件,其本身不具备什么意义,能量是信号的载体,信号的传递即为能量的传递,能量是以电场和磁场的形式存在的(比如在平衡传输线中,我们更喜欢使用两根平衡传输线上面分布了正负电荷形成的电场来分析,这个电场到哪儿了,与其相垂直的电荷就到哪了了),电场分布于两个导线之间(存在压差即存在电场),磁场环绕于导线外围(存在电流即存在磁场)。
4、导线电场理想的导线连接电池和负载时,因导线是理想导体,故其正负极的导线得电压就等于电池的正负极电压,因为存在电位差,故两导线之间存在电场。
5、理想导体内部不存在电场,因为其出处等电势,这只是针对直流电或者低频电路来说的,对于高频电路其实存在电压差,即存在电场。
6、在闭合电路里面电路能量形式:7、四分之一周期信号变化形式:假设一个300MHz的正弦波信号,其波长为1m,四分之一波长即为0.25m,从电压的角度来说就是从0变到最大值的时间或者说所走的路程,如下图:假设负载为20欧姆,Vdc电压为20V,取电池中心点为参考点,那么正极为10V,负极为-10V,四分之一周期后的波形如下图所示。
标识(1)处正极为10*Cos(75) = 2.6V,(2)处正极为10*Cos(60)=5V,依次类推。
两导线对称点之间的电压从负载20V到信号源0V依次变小深度解析:(1)与(2)的线电压差就有2.4V,因为理想导线内部是不允许有电场的,那么这个因为电场正弦分布引起的导线线电压差必须要由另外一个反电动势来抵消。
这个时候,必须要降低(1)、(2)之间的导线电流(因为电场方向是从(2)到(1),所以电流变小),电流对应的是磁场,变小的磁场产生一个反电动势抵消(1)、(2)的导线线电压差(楞次定律),依次类推到负载,于是导线上的电流也是按照正弦波规律从信号源的0A到负载最大值的1A。
8、一个周期正弦波信号变化300MHz的正弦波信号的一周期就是电压幅度从0到0的过程,具体变化如下:一个周期内形成了2个方向相反的电流圈。
9、两个周期正弦波信号变化信号源按300MHz正弦规则变化完整2个周期,电压从0开始变化,也就是相位从0开始,传输线长度为2米,即2个波长,负载R完全吸收传过来的信号没有反射的情况下,所对应的传输线电场、磁场波形。
这个相当于在一个周期内形成了4个电流圈,用圈表示,仅为形象简化,表示半个周期,紧挨着的相反的一对为一个周期。
当频率越高,圈圈的密度就越大,圈圈内包含的就是能量,电场(电压)和磁场(电流)的能量。
一个个圈圈的从信号源传到负载那儿去,电磁场的传输很像现在的高速铁路,传输线两根导线,如同铁轨,要均匀对齐,这样适合电场和磁场均匀无变化的向前推进,每节车厢里装两个圈圈,一正一反的,一个波长。
这列火车有N节车厢,一直不停的往前开。
深度解析:电磁场或者说电磁波是一种波,波的传输是质点在随时间做上下正弦波的运动,其位置是不变的,但是其同一位置在不同时刻的能量是不同的,即能量在传输。
针对质点的分析,如果横坐标是时间,那么就只是针对此质点的能量变化进行分析,如果横坐标是距离,那么是针对此波上面所有的质点的能量变化的描述。
10、电场与磁场共存导线线方向的电压差,由垂直围绕导线的磁场变化产生的反电动势来抵消。
同理,导线线方向的电流差,由垂直导线放射型的电场变化产生的反磁动势来抵消。
传输线两导线之间的电场分布如下图所示,当这个电场变化的时候,会产生对应垂直于电场的磁动势,也就产生了磁场,如上右图所示,实线为电场,虚线为磁场。
变化的电场所产生的磁场,是垂直电场的,垂直导线,围绕导线的。
这就是传输线里面,电磁场磁生电、电生磁本质,都是为了一个平衡。
深度解析:首先因为电压呈现正弦波变化,所以在导体不同地方的电压是不同的,故而形成导体内部的电场,导体内部的电场是与电流方向相反的,因为导体内部不存在电场,所以需要将其抵消,此电厂阻碍了电流,故其使电流将要变小,即磁场变小,由楞次定律可知,会产生一个反向电动势阻碍磁场变小,此电动势就可以和导体内部电压抵消;导线之间的电场的变化同样会形成磁场,传输线两导线之间的电场分布如下图所示,当这个电场变化的时候,会产生对应垂直于电场的磁动势,也就产生了磁场,如上右图所示,实线为电场,虚线为磁场。
变化的电场所产生的磁场,是垂直电场的,垂直导线,围绕导线的;故磁场由两部分产生,即磁场由两部分产生,一部分是电荷移动产生的电流对应的磁场,一部分是变化的电场产生的磁场(即麦克斯韦方程(1))11、特性阻抗从1/4波长图上我们可以看到,当电场、磁场在导线线方向都满足正弦,磁场变化产生的反电动势与导线线方向上的电压差是线性一致的,同理,电场变化产生的磁动势跟导线线方向上的磁压差是线性一致的,因为线性一致,若电场强度与磁场强度之间若满足一定的比例关系,则反电动势等于电压差,反磁动势等于磁压差。
那么这时电场强度、磁场强度的比例关系,就叫做传输线阻抗,它表征了能让传输线传递电磁场所要求的电场与磁场之间强度的关系。
Z = E/H12、传输线模型书本上的传输线模型如下图:实际的传输线模型是这样的:因为电磁场中,磁生电、电生磁,两者是相互转换的,这从能量守恒角度来讲,电场能量必然等于磁场能量,所以有以下公式:1/2*C*U*U= 1/2*L*I*I整理可得Z = SQR(L/C),SQR为根号13、麦克斯韦方程方程(1)为安培环路定律,磁场由两部分产生,一部分是电荷移动产生的电流对应的磁场,一部分是变化的电场产生的磁场(可理解为传输线之间的电场)。
方程(2)为法拉利电磁感应定律,因为现实中还不存在磁单极,所以电场只由变化的磁场产生。
方程(3)因为不存在磁单极,所以磁场只存在漩涡磁场。
方程(4)为高斯定律,因为存在正负电荷,所以存在激励辐射电场。
深度解析:(1)我们回到传输线中,导线线方向存在电流差,所以存在磁压差,这个磁压差由垂直于导线辐射的电场变化产生的反磁动势来抵消,满足方程(1)。
(2)导线间电场按正弦波分布,所以导线线方向存在的电压差,这个电压差由垂直围绕导线的磁场变化产生的反电动势来抵消,满足方程(2)。
(3)按照(1)、(2)方程基于数学推导的结果,波形只能是正弦波,并且很容易导出阻抗及传输速度C。
14、震荡与电磁波振荡是L与C中的电磁能量互为转换的过程,但不是同一时刻相互进行的。
这一时刻电场能量变成磁场能量,下一时刻,磁场能量变成电场能量。
若用二维坐标轴描述,它们在Y 轴一维上进行,震荡是之前有能量输入,所以才会在电能和磁能之间转换,单纯的LC是没办法自主产生能量的,其能量来自于外因。
电磁波是电场与磁场相互转换,同时进行的,电场的变化引起磁场的变化,磁场的变化引起电场的变化,所以其是同时进行的,故其相位是相同的。
所以无法在二维坐标轴的Y 轴上描述,必须要基于三维坐标轴空间表达,但因为电场和磁场在空间上按Y、Z轴分布,Y、Z轴本身就已经相差90度了,所以电场与磁场幅度在Y、Z上就同相位了,这就是波的概念,对于波来说只要其行进方向正交即可,而不是时域上面的正交。
从扩散角度看电磁场下图为的平板电容器的电场模型图:红线为正极电板,下面黑线为负极电板,蓝色带箭头线为电场。
那么,这个电场是怎么扩散出去的呢?我们很自然的想到在我们生活中,存在各种各样的扩散现象,比如水滴落到地面的扩散,不同密度的气体的扩散等等,这些扩散,都是基于一个基本理论基础,牛顿定律:F = M * A,在力的作用下对水分子或者气体分子产生加速度。
扩散的快慢取决于力的大小及质量的大小。
我们把这个平板电容器,接上电阻负载,如下图模型:我们试着从电荷的扩散角度解释电路问题,正极因为缺少电子而表现为正电荷,负极因为有过多的电子,而表现为负电荷。
越靠近电容端,电荷密度越高,同种电荷相互排斥,相反电荷相互吸引,所以存在扩散基础,通过扩散电荷实现了电流。
以上这个解释,属于经典物理的解释,比较容易接受,实际上,这样的观点,也可以起很大的作用,起码让自己不惑,可以解释很多现象,比单纯的电路回路概念,提高了一个等级。
因为这个扩散模型表达了信号是从源端到负载的过程,更接近电磁场理论了。
常规的电路理论,脑子中,电子是从负极出来经过负载再回到正极,走一圈回去。
但是,以上的电荷扩散模型存在一个致命的逻辑错误,那就是,电荷,也就是电子存在质量,而我们都知道,信号的建立是光速,而要想达到光速,质量必须为零,所以,基于电荷的扩散模型,跟理论冲突,不符合实际。
那么这个模型中,那个东西是不存在质量的呢?那就是电场,电场是不存在质量的,所以具备达到光速的可能。
但是又有一个逻辑问题,那就是,电场的质量为零,加速度应该是无限的,最终速度应该是无限的,为什么是光速定值呢?我们再看物理学,有一个很有意思的现象,所有的公式,都是一个“等式”,自然界不存在“极点”,无穷大,那么既然电场的质量为零而导致加速度无穷大,速度无穷大,这个不符合自然界特点,所以,自然界必须引入另一个质量也为零的场,而这个场与电场的特性恰好相反以解决无穷大问题,这就是磁场,电场与磁场满足安培定律和法拉第定律,相互约束。
电场与磁场是一阴一阳,相生相克的,如同男女,相互支持,相互约束,以近20年为一代的速度繁衍生息,而电场与磁场呢,恰好以速度C向前推进的时候,电场与磁场取得平衡,可以理解为速度C就是电场与磁场推进的平衡点,这个很类似L、C谐振回路的谐振点,只是普通的L、C回路,电场和磁场分别约束在L与C中,能量在一个维度上来回震荡当电场能量最大时,磁场能量为0,当磁场能量最大时,电场能量为0,可以认为两者相位相差90度正交,而电磁场,电场与磁场分布在三维空间上,电场与磁场为90度正交场,运动方向在第三个维度上,因为空间上电场与磁场已经成正交90度了,所以运行时,两者同相位运行,同时最大,也同时最小,以正弦波的方式向前运行。