2018年國家電網考試備考通信類之電磁場與微波技術
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通信類——電磁場與微波技術
一、電場基本理論
1.電荷守恒定律:在任何物理過程中,各個物體的電荷可以改變,但參于這一物理過程的所有物體電荷的代數總和是守恒的,也就是說:電荷既不能創(chuàng)造,也不能被消滅,它們只能從一個物體轉移到另一個物體,或者從物體的一部分轉移到另一部分。
2.庫侖定律:

庫倫經過實驗發(fā)現,真空中兩個靜止點電荷(q1, q2)之間的作用力與他們所帶電荷的電量成正比,與他們之間的距離r平方成反比,作用的方向沿他們之間的連線,同性電荷為斥力,異性電荷為引力。ε0為真空介電常數,一般取其近似值ε0=8.85×10-12C•N-1•m-2
。ε0的值隨試驗檢測手段的進步不斷精確,目前精確到小數點后9位(估計值為11位)。庫侖反比定律也由越來越精確的實驗得到驗證。目前δ<10-16。庫侖反比定律的適用范圍(10-15m(原子核大小的數量級)~103m)。
3.電場強度:

真空中電荷與電荷之間相互以電場相互發(fā)生作用。 若試探電荷q0在電場r處受電場力為F0(r), 則電場強度為E(r)。
4.靜電場的高斯定理:

由于靜電場的電力線起始于正電荷,終止于負電荷,不會相交也不會形成封閉曲線,這就決定通過靜電場內某一封閉曲面S的電通量為此封閉曲面所包圍的電荷的1/ε0。表明電場是個有源場。
5.靜電場的環(huán)路定理:由于電荷的電力線或呈輻射狀,或呈會聚狀,不會出現具有渦旋形狀的閉合曲線,表明靜電場是個無旋場,既
。此處L為靜電場內任一閉合曲線。靜電場的環(huán)路定理又可以寫成微分形式:∇*E=0 。表面電場是個無旋場。
6.靜電場與物質的相互作用:由于各種物質內原子對電子的束縛各不相同,根據束縛強弱的不同可分為導體,絕緣體和半導體。在靜電場中的導體在達到靜電平衡時內部電場強度處處為零(應用于電屏蔽),而絕緣體(既所謂電介質)內部的電場強度為外加的1/ε倍。此處ε為電介質的相對介電常數。電位移矢量D=εE,起始于正電荷,終止于負電荷,不受極化電荷影響。
7.邊界條件:
在介電常數為ε1和ε2的分界面上,由于極化電荷的出現,電場會發(fā)生突變。
a. 介質分界面兩側的電場強度的切向分量連續(xù)。
b. 當介質分界面上有面密度為60
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自由電荷時,介質分界面兩側的電位移矢量的法向分量發(fā)生σ0的突變;當介質分界面上無自由電荷時,介質分界面兩側的電位移矢量的法向分量連續(xù),且
此處,θ1和θ2分別為介質分界面兩側的電場強度與法線的夾角。
二、磁場基本理論
1.穩(wěn)恒磁場與安培定律:

安培認為組成磁鐵的每個分子都具有一個小的環(huán)形分子電流,且都定向規(guī)則排列,從而在磁鐵表面形成類似螺線管電流的一圈一圈的環(huán)形電流,從而磁鐵對外顯示出與螺線管一樣的磁性。這表明一切磁現象和磁相互作用,實際上是電流顯示出的磁效應和電流之間的相互作用,磁是運動電荷的一種屬性。電流之間的相互作用力其實就是磁力。安培對電流的磁效應進行了大量實驗研究,在1821~1825年之間,設計并完成了四個關于電流相互作用的精巧實驗,得到了電流相互作用力公式,稱為Ampere定律,即兩穩(wěn)恒電流L1和L2之間的磁力的大小與電流I1,I2的大小成正比,與相對距離r的平方成反比,安培將其總結為 :
2.磁場的高斯定理:
由于磁場的磁感應曲線都是閉合曲線,或者是從無窮遠來到無窮遠去,因此對于閉合曲面S來說,通過其的磁感應曲線總數為零。即
。由高等數學的高斯定理,穩(wěn)恒磁場的高斯定理又可以寫成∇·B=0。表明穩(wěn)恒磁場是個無源場。 磁感應通量的單位為韋伯(T/m2),是為紀念德國科學家韋伯。
三、傳輸線的傳輸特性
1.什么是傳輸線?
傳輸線就是由兩個有一定長度的導體構成。一條是信號的傳播路徑,另外一條是返回路徑(忘掉“地”這個詞而代之“返回路徑”)。在多層板設計中,每條走線都是傳輸線的一部分,而相鄰的參考平面則作為返回路徑。構成一條良好的傳輸線的條件是,在沿著其長度分布的任何地方其特 征阻抗都是連續(xù)的。構成一塊PCB是“阻抗受控”電路板的條件是,板上所有走線的特征阻抗都達到一個指定值,這個值通常在25Ω到70Ω之間。
2.傳輸線的阻抗
從電池的角度來看,一旦你把它連接到傳輸線的前端上,為了維持穩(wěn)定的電壓,就會有一個恒定的電流流出。你可能會問,什么類型的電路元件具備如此特性,保持電壓恒定不變而有恒定的電流流動,這就是電阻。對電池來講,當信號沿著傳輸線傳播的時候(著重強調),每10ps就連續(xù)地充電0.06in長度,并從源頭吸收一個恒定的電流。這時的傳輸線看起來就像一個有恒定阻值的電阻,我們也稱之為傳輸線的瞬態(tài)阻抗。
3.對于傳輸線的特征阻抗,要關注些什么?
對于信號來講,傳輸線的瞬態(tài)阻抗或者說特征阻抗是一個非常重要的特性。在傳輸線上,假如下一個步長的阻抗和上一個步長相同,信號質量將會很完美,信號將會以之前的狀態(tài)連續(xù)地向前傳播。假如下一個步長和上一個步長不同并且阻抗發(fā)生了改變,信號將會反射一小部分能量回去,并導致信號有一點變形。為了得到最佳的信號質量,互連設計的目標就是盡可能地讓傳輸線的阻抗保持連續(xù)(恒定)。這意味著,首先要保持傳輸線的特征阻抗連續(xù),其次是在加工阻抗受控電 路板時不斷增加的阻抗。所有其它的一些設計竅門,比如減少stub長度,給末端加匹配,比星形連接更常用的菊花鏈,所有的這些設計都是為了保證信號感受到 的阻抗連續(xù)。
(編輯:姜芃)



