人人都看得懂的电磁场理论

      从初中甚至更小，我们就接触到了电路，把电压比作水源的高度，电流比做水流，表征电压与电流关系的电阻就是水管的大小。从初中到大学毕业工作（排除专门学过电磁场，并且深入理解了的），我们一直这么理解的。因为电路、电压、电流、电阻的概念就是对照现实中看得到的水路、水压、水流和水阻而来的，非常直观、形象，并且长期以来感觉没什么问题，所以非常的深入人心。

电路理论的困境

       电路理论首先碰到的问题是两根紧挨着的信号线，会相互干扰，这个引入了磁场理论比较好的解释了：存在交变的电流，就激励出交变的磁场变化，部分磁力线相互围绕了傍边的信号线，根据安培定律，互感相互影响，这个采用磁场理论可以说完美的解释了。当然靠近的两根信号线不仅仅只有磁场的影响，电场也有影响，这个取决于电压与电流的比例关系。

       电路理论碰到的第二个问题，当一个回路的导线无规则，比较乱，信号源信号无法完美的传递到终端上，高频失真，信号完整性受损，限制了高速信号传输。而这个，电路理论解释不了，磁场理论也解释不了，需要第三种理论。

       电路理论碰到第三个问题，无法解释天线？怎么断路不相连的一段导线，可以辐射能量出去，而电路理论必须要有回路的，完全不可理解。

       电路理论无法解释第四个问题：传输线阻抗，一根同轴线，标称50欧姆，这个是表征什么物理量？这个50欧姆在哪儿呢？

信号的载体是能量

       硬件中的信号的传递，基于电压或者电流表征的，但无论电压还是电流，都是基于能量这一实体。

       在现实中，能量的传递，都是从A到B点，而在微观世界中，能量的传递只有两种，那就是基于粒子传递，如同扔石头，或者基于波的传递，如同声音或者水波，只有这两种。但是，电路是基于一个回路的，大家日常想着电流从电源的正极留出到电源的负极，或者电子从负极流出到达正极，这个是电路理论经常提到的，深入人心，但这个明显存在一个问题，就是这个回路里面，到底那个负载先上电呢？是靠近正极的A，还是靠近负极的C？

       我们知道，电子有质量，在金属中移动的速度很慢，远远小于光速，但电的建立是光的速度，所以电路建立的基础，显然不是以电子的移动作为初始条件，能跟光速比的，只有电磁场，它是波，可以传递能量，也满足能量传递条件。

场结构模型

       既然电路的理论基础是电磁场，能量的传递必须从信号源点到终端，不可能是回路形式，那么如下图，红色细线是电场，从信号源扩展到负载B，蓝色细圆圈是磁场，也从信号源扩展到负载B，理论上讲，电路的顺序是A、C、B，这样的顺序。

我们简化上图为传输线类型模式，可以清晰的看到，红电场和兰色磁场组成的电磁场从信号源到负载电阻。在传播过程中，电场和磁场都是存在于导线外面的，而这些电场和磁场都是能量场，所以要明确的是，能量都是在导线外面的，而不存在于导线内部，这个很关键，

       根据能量存在于导线外面的特点，我们加以利用，就得到不同的东西。比如为了实现传输，就需要降低损耗，降低对外的辐射而设计了同轴线，如下图1（截面图），外铜皮与内心铜线之间充填塑料，形成一个腔体，电场和磁场就分布在里面，电场是两极径向的红线，磁场是围绕铜芯的切向兰线。同轴线外没有任何的电场和磁场，所以对外没有辐射，损耗最小，最适合电磁场通讯。

       PCB上的信号连接，无法用同轴线，于是设计了一种类似同轴线的方案，叫微带线，如下图2。图中可知电场大部分被约束在信号线与参考地之间，但磁场有在外面，所以微带线适合短距离传输，往往只适合于PCB。

       若为了发射信号，如天线，就尽可能的把电场和磁场暴露在空间中，那么就需要把两极分开，如下图3.