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【Maker電子學】淺談高頻系統的原理與設計—PART2

   
作者:Bird

上一回我們講了數學家馬克士威推導出電磁方程式,以及工程師馬可尼建立世界第一套無線電系統的故事。這一回,我們要探討一些高頻系統的基礎觀念。

會變動的波速

「波」是物理學中很重要的一種性質,它代表了擾動在空間中傳遞的一種現象。大部分的機械波如水波、聲波,都需要依賴介質來傳遞,但電磁波卻不需要介質,它可以在真空中依靠電生磁、磁生電這樣的循環傳遞。

電磁波傳遞的速度在真空中爲光速,也就是每秒 299,792,485 公尺,差不多是每秒 30 萬公里。赤道的周長差不多是 4 萬公里,因此電磁波每秒可以繞地球 7 圈半。

不過電磁波只有在真空中能以光速傳遞,在其它介質中電磁波的速度會減慢,而介質影響波速的特性與介質的介電常數(dielectric constant)有關;當我們在一個電場中放入介質時,如果介質內部有可以遷移的電荷,電場會改變介質內部電荷的分佈,這個現象叫做「電極化」。

不同的材料在相同的電場下可以被極化的程度不一,如果一個材料很容易被極化,我們就會說它是優良的介電質,或是「高介電常數」材料。

(圖片來源:Bird 提供)

如果一個電容器在真空中的電容量爲 C,我們在它的電極中間插入介電常數爲 e 的材料,這個電容器的電容量就會變爲 e 倍。

由於材料技術的進步,現在我們可以做出很多介電常數極高的陶瓷材料,因此可以在很小的體積內做出容量很大的陶瓷電容器。

介質的介電常數除了可以改變電容器的電容量,也會影響穿過介質的電磁波速度。那波速會變快還是變慢呢?一定是變慢,因爲電磁波在真空中的波速是光速,沒有任何東西的速度可以超越光速。

當電磁波在介質中傳遞時,波速會變慢;介電常數越大,波速會變得越慢。這裡有一個公式:

V =Vvacuum* 1 / sqrt (ϵ)

介電常數在慣例上常用希臘字母 ϵ(epsilon)表示,但這個符號在電腦上有時候不是很容易打出來,因此有時候也會用小寫字母 e 來代替。

上面這個公式就是告訴我們,在介電常數爲 e 的介質中,電磁波的速度會變成根號 e 分之一倍這麼慢。比方說在介電常數爲 4 的介質中,電磁波的波速就會變成在真空中的 1/2 倍。

波速與波長

不管用電場強度還是磁場強度來表示,空間中的電磁波都是以正弦形式存在的橫波。

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Liang Bird

Author: Liang Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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