电磁学的重要性 电磁波的主要参数

前 言

离上一次在“罗森伯格汽车电子”公众号发表文章，中间已经过去了两年多。时光飞逝，尽全力参阅了多本国外电磁学著作，未曾有一丝懈怠。今日携新的连载《罗森伯格陪您聊电和磁》归来，以感谢新老朋友，对于罗森伯格的认可与支持。

之所以决定写电磁学领域的文章，皆因为电磁学作为一门玄学，本身对于数学的要求比较高，且看不见摸不着，要想入门，实属不易。自己苦学十多年，有幸在电磁学的海洋中，捡到了几块贝壳，将自己的心得体会，与整个行业分享，以期可以对大家有一些帮助。

电 磁 学 的 重 要 性

电磁学可以和微电子、微波通讯、甚至光学息息相关。要想学好电磁学，相对于用高等数学来做严谨的高阶偏微分方程求解，更重要的是去建立物理层面的直观理解。电磁学其实研究得是不同频率的电磁波，在不同媒介中是如何传播的。而我们为什么需要学好它，我想其中的一个主要原因是，我们要使我们设计的产品，满足电磁兼容的要求。毫无疑问，任何一个电子产品，都有对应的电磁兼容要求。在应用场景中，它要么是“骚扰者”，要么是“受害者”。当它作为“骚扰者”时，它主要是通过电磁辐射或者传导干扰，去影响其他设备的正常工作。当它作为“受害者”时，它主要因为其他设备的干扰而产生了性能降低，甚至无法正常工作。较差的电磁兼容设计，主要是因为电路板设计不够优化而引起的，当然除此之外，线束本身除了可以输入/输出信号外，也有可能扮演良好的辐射天线/接收天线，从而引起电磁干扰问题。 随着微电子技术的日新月异发展，数字电路的工作频率越来越高，已经和微波通讯频谱出现了重叠。因此研发工程师们需要了解电磁场、传输线、信号完整性等电磁学知识，来帮助他们确保产品能够满足电磁兼容要求。

电 磁 波 的 主 要 参 数

如大家所知，我们所熟悉的各种光，本身也属于电磁波，但是光和我们熟悉的射频信号，差异缺很大，这背后的原因是什么呢?答案是频率。

光有波长、周期、光子能(光在该频率下能传输的最小能量)三种参数，如下所示：

广义电磁波也具有上述相同的三种参数，在不同的应用下，不同的参数将会起着主导作用，譬如：

1) 信号传输线：信号的上升沿时间，与信号沿着传输线的传输时间的对比;

2) 天线：信号的波长和天线物理长度的对比;

3) 电路：信号的频率和电路的共振频率对比;

4) X射线检验：光子的能量与原子中电子轨道跃迁能量之间的关系。

电 长 度

电长度是一个非常重要的参数，有助于帮助我们理解电磁场，它是一个无量纲，表示得是导线物理长度和导线所载信号波长的比值：

如果天线长度为1米，则发射频率1KHz信号时，对应的电长度为，因此我们可以认为这个时候，天线呈现电“短”性。如果信号频率为100MHz，则电长度为0.3，我们可以认为天线具有了电“长”性。

一般我们认为电长度小于1/10时，我们可以按照传统的电路理论来进行处理，而无需考虑微波效应，反之则需要考虑。

模 拟 信 号 与 数 字 信 号

模拟信号是连续可变的信号，比如音频信号，模拟信号往往占据一定的带宽，可以使用傅里叶分解，将其分解为一系列正弦分量的叠加。电话中，我们人类的声音信号占据的频带为100Hz~4000Hz。

数字信号是一系列的0和1脉冲电平组成，若对一个完美的脉冲方波进行傅里叶分解，可得出无穷组正弦波分量的叠加，但实际中，我们不可能获得完美的方波，每一个脉冲都有上升沿和下降沿，而上升沿和下降沿中包含了大量的频谱成分，在传输线和信号完整性领域，对于EMC设计，具有非常重要的作用。

微 波 技 术

当频率到达微波区间时，我们将不能再以传统的电路解析方法，去解读我们的电路，我们必须使用传输线理论，去研究信号在回路中的反射和振荡。比如，如果一对传输线，物理长度是波长的1/4，则如果我们将传输线的远端短接，则输入端的阻抗将会是无穷大，变为开路，而这就是高频的魅力所在。

频率越高，电路将越容易向外辐射能量，从而转变为天线。同时，因为没有任何元器件是完美的，都具有寄生参数，则在高频时，电感可以呈现容性，电容可以呈现感性。

使用传输线理论时，我们也不能再把电流理解为传输线中的水流，因为此时传输线只是起到束缚电磁场边界的作用，而真正的电磁场能量是在传输线之间的绝缘介质中传播的。

当我们看待从发电厂到我们家里的50Hz三相输电回路时，电路中的电子并没有从发电厂跑到我们家里来，从而带来能量，相反，电子只是来回振荡，以将能量以电磁场的形式，传递到我们家里来。虽然这个不太好理解，但是我们想象一下，发电厂是一堆苹果，所有的电子排成一排，像搬运工人一样，从发电厂排到我们家里，然后一个人拿起苹果，传递给下一个人，再依次传递，直到苹果传递到我们家里，这就是我们电能传输的奥秘。

本周我们先聊到这，若大家对电磁学感兴趣，欢迎关注罗森伯格视频号，也欢迎您关注周同昌老师个人视频号“周同昌陪您读电磁学”。 我们下期再见。

原文标题：罗森伯格陪您聊电和磁(1)

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审核编辑：汤梓红