本帖最后由 wolfe_yu 于 2022-3-30 11:03 编辑
【漏风书场】有关电磁场的八卦，我们来扒一扒它的历史 科普贴——电磁场理论科普
有关静电的发家史 开辟鸿蒙，谁为情种？……混沌未开，乃有一圣人——名盘古、号伏羲氏。开天辟地，分出乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑，象征天、地、雷、风、水、火、山、泽。这乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑，两两呼应，互为阴阳，产生磁场。 史载，最早了解提到电这一物的，应该是古尼罗河流域的人提到电鳗和其邻邦大食国（一说阿拉伯）人提到闪电。 后来，大约在周襄王至周灵王统治的战国初期，古希腊有一个叫着泰勒斯(Thales)的大学问家，提出一个理论，即是琥珀摩擦毛皮，可以产生能量，吸引异物，类似于司南，称之为磁场。 明神宗万历二十八年（1600年），西洋国英吉利太医院御医威廉▪吉伯(William Gilbert)在罗马人吉罗拉莫▪卡尔达诺(Girolamo Cardano)的理论基础上开创电磁理论，提出琥珀通过摩擦，产生神秘能量，这神秘能量和磁场略微不同，可以吸引大多数物质，于是命名为Electrica——类似琥珀，即为电的洋文名称。威廉▪吉伯 清高宗乾隆三十二年（1767年），英吉利化学家约瑟夫·普里斯特利(J.Joseph Priestley )提出静电平衡理论，即为，导体内部电荷为零，电荷只能分布在导体表面，空腔导体亦同。清高宗乾隆五十年（1785年），法兰西物理学家查利·奥古斯丁·库仑(Charles-Augustin de Coulomb)，用扭秤对普里斯特利的理论进行验证，奠定库伦定理。
电磁理论的引入 清仁宗嘉庆二十五年（1820年），维京（一说丹麦）化学家汉斯·克海斯提安·奥斯汀 (Hans Christian Ørsted )偶然发现，电流竟然可以改变磁场方向，于是，大胆假定，电可生磁，轰动一时。 后来，法兰西有一好事者，名叫安德烈·玛丽·安培(André-MarieAmpère)的，在一次听书途中，听说此事，通过一系列的数学演算，提出安培定理和右手定律。 又隔几年，清宣宗道光七年（1827年）日耳曼（一说德国）人乔治·西蒙·欧姆(Georg Simon Ohm) 亦演算出电在导体中的电压电流关系，世称欧姆定律。 眼看此事渐渐平息，江湖上似乎已经风平浪静，谁知，到了道光11年（1831年），英吉利人麦高·法拉第(Michael Faraday)发现电磁感应现象，即磁场变化亦可生电。 其实，在此之前，受奥斯汀和安培影响，就有多人对电磁感应提出诸多假定和演算，比如圣神罗马神甫弗朗西斯科·桑特代斯基(Francesco Zantedeschi)，再比如美利坚人约瑟夫·亨利(Joseph Henry)，都早于法拉第提出此现象。
无线通信理论基础——麦克斯韦方程 基于前人对电和磁的各种研究，譬如库伦基于扭秤实验提出库伦定理、后来的奥斯汀和安培提出的安培定理、再后法拉第等人提出的电磁感应现象。江湖上一直对于电磁现象之间的联系有着一些莫名的幻想，这就如同**生蛋、蛋生**的逻辑，于是各大豪杰争论纷纷，上演一场华山论剑。 清穆宗同治四年（1865年），苏格兰凯尔特人詹姆士·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)提出一个空间电磁场理论方程，詹氏设想，电场和磁场相生相克，沿空间向外辐射。 詹氏认为，可以用一个准确的演算公式，定性推断出空间电磁场之间的关联。于是引入空间概念，采用微积分方法，大胆提出了麦克斯韦方程组。此一举开创后世无线通信以及电磁兼容问题处理的大爆发。可惜当时，对于詹氏的理论无人理会，直到清德宗光绪十三年（1887年），日耳曼人海因里希·鲁道夫·赫氏(Heinrich Rudolf Hertz)通过一系列的反复验证，证实了詹氏的理论。 詹氏演算公式由于涉及：梯度、散度和旋度。大量应用矢量、积分、微分，纷繁复杂，晦涩难懂，需要懂得极其高深的数理演算理论的学者才能理解，难倒一众英雄豪杰。 简单来讲，无非就是： 1、电场的散度跟这点的电荷密度成正比； 2、磁场的散度处处为0； 3、感生电场的旋度等于磁感应强度的变化率； 4、感生磁场的旋度等于电流密度和电场强度变化率之和。 打个比方，一滴水珠，溅落时，总量不变，随着散度（扩散面积）变大，密度当然变小，这就是电场散度跟电荷密度的关系。 再说这个感生电场和感生磁场，这玩意如同一个钟摆或弹簧机关，其摆动幅度跟速度变化效率联系十分紧密。
电磁感应基础 有关电磁感应，众说纷纭，不过有一个风洞效应说法倒是比较贴切（资料来源未经考证，请勿过度较真）。一说，电荷沿导体运动，遇磁场阻碍，就如同列车前进遇到风阻力一样，这车流线型就如同电场频率，频率低、磁场自然小。 譬如，两根相同的导体、或者电感线圈平行紧挨在一起，施以一同频方向相同电流，彼此之间会引发干扰，我们称之为电磁干扰。如果施以一同频方向相反电流，电磁场被中和，干扰会减弱。
经过法拉第考证，两个相反方向电流产生的磁场直接被中和，不产生切割磁力线切割，所以不干扰。如果是同向电流，切割磁力线加强，电流被动增加，产生干扰。这一理论，后来被广泛用于变电设备。这种属于闭合电路，不会产生辐射，如果想让电磁场传的很远，那就要另辟蹊径。
电磁辐射原理及天线理论 有关电磁场的辐射，借助电磁感应原理，使用闭合导体，可以产生波动的磁场和围绕它的电场。正常来说，在闭合电路中，电磁场不做传播。 那么电磁场如何脱离导线在空间传播的呢？专家分析，由于电荷加速移动时，近场跟着加速运动，然而远处的场不清楚电荷的移动加速，步调不一致，形成一个折断（Kink）。 因为这电磁场弯折太大，导致电磁场脱离原有的场，辐射出去，这如同橡皮弹簧，弹力过大，于是断裂、一分为二。
上文说到，通常来说，采用两根平行线缆，而且长度相对频率波长较短，所传输的正负电荷几乎上下相等，极性相反，形成差分信号，这种线缆很难产生折断（Kink）。 这如同乘坐高铁，车厢内部的人相对来说是静止的，人不会因为跟不上列车加减速，而出现丢步、摔跤等情况。
如果让线缆张开一定的角度，电磁场的结构就会出现左右不协调，电场就会弯曲，如果把两根线缆完全掰直，电场会继续向外扩张，如果导体做得较长，分出近场和远场，产生折断（Kink）的概率会加强，这就是我们偶极子天线的原理。
有关折断（Kink）的解释，打个不太恰当的比方，这就像吹气球，当我们用力太猛，达到气球爆破点，气球就会爆裂，分成两半。
经过专家演算，在R << λ/2π 时的区域称近场区，在R >> λ/2π 时的区域称远场区。理论分析，R=λ/2π时，就会出现折断（Kink），电磁场离开导体，向空间传播，形成辐射。
话说这发射天线长度，与频率、波长极其相关，一般来讲，频率越高，波长越短，所需天线亦短。 再说接收天线，接收原理与发射天线几乎一样，只要有与其相当的电磁场透过天线引入，就会产生谐振，耦合就会将发射出来的电路耦合进来。说到这天线分类，大致分为偶极子天线、环形天线、微带天线等等，这偶极子天线和环形天线的原理又略有不同，具体怎么回事，我们后续再聊。
现代通信技术，大抵是将信源信号通过编码，再将以上信号，通过锁相环、TCXO调制成高频信号，发射出去。接收端则通过解调实现。
电磁辐射干扰问题 有好事者问，无线通信如此复杂，要分基带射频，为何不舍去基带，独用射频？针对这点，小狼请教专家。 专家称，在电子线路设计中，有一个令各厂产品专家十分头疼的问题，就是电磁兼容性（EMC）问题。
◆传输波形的谐波分量 在数字电路中，我们的大部分基带信号，都是类似于方波，这些波形是无数依次递减的谐波分量叠加而成。我们前面已经提到，电流的谐波分量会产生波动的磁场，这些磁场会通过耦合或者辐射的方式往下传输。
◆PCB传输线路模型 在PBC Layout中，大部分工程师喜欢把电源线或者信号线和地分开布，这样就很危险，因为一旦环路和高频信号的波长接近，就形成一个环形天线，高频的谐波频率就会通过电磁场耦合进来，形成共振。
下面两种布线，我们知道，两个导体形成一个电容。按照电磁场辐射原理，左边布线，电子在高频运动的时候，很容易形成近场和远场，产生折断，发射电磁波。同时也很容易接收外来电磁波。而右边布线，电源和地之间，回路足够小，形成闭合回路，电场辐射十分微弱，很难收发电磁场。
再说差分电路，差分电路，其实就是严格按照等长线来实现一个封闭电路，电磁场很难穿透差分电路。这就是为何差分信号的传输特性十分稳定。往往我们很多特殊信号都要包地，就是为了防止信号干扰。 实际上，在我们电路结构中，电源和地才是整个电路中最大的差分对，大多数时候，我们喜欢把电源布线，布成下面这样的，这看起来很酷。确实，在早期的单面板产品布局布线中，这是不得已最好的布线方法。
随着通信速率要求的提高，上图中这个布线就会形成天线效应，产生电磁波辐射，为了降低电磁干扰，我们一般建议电源和地也尽量布在一起。 ◆电流汇集模型 有关电流连续性的问题，我们有一个比较形象的比喻，每颗电容就是一个蓄水池，上游存储的蓄水要大于下游，才不会因为断流造成河流干枯。电源供电原理相同，设计不当，就会引发强电磁干扰。
我们再来看看电源拓扑，DCDC电源大致分为三个环（一说四个环），高频交流斩波环把两个直流输入环和输出环分割开来，交流环主要做高速PWM斩波，产生电磁切割，一旦布线不好，容易产生电磁辐射。
为了设计方便，建议在布局的时候，把两个直流环和交流环分开布局，方便在布线的时候分开布线。
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