这篇博客文章继续我们讨论术语电压和地面。在这里，我们将为正弦的时变模型定义和解释这些术语。我们查看传输线的情况，并解决如何正确定义涉及波动场的问题中的电压和地面。
简单的传输线
我们将考虑下图中显示的传输线：一条位于地面（或地面平面或信号接地）上方的自由空间中的金属线，我们将在很快更准确地定义。这属于TEM传输线的类别，这意味着电场和磁场纯粹位于垂直于线的平面中，并且poynting磁通量矢量无处不在与线平行。（严格来说，这是一条准TEM传输线，因为金属线不是无限的导电，但是正如我们将看到的，这一点并没有改变以下讨论的任何方面。）
在电线的一端，有一个正弦的时间变化源，将接地平面连接到电线，在电线的另一端，有一个电阻载荷。尽管在实践中我们不经常看到这条确切的传输线，但它类似于微带线。
地面平面上方的导电线，一端有一个源，另一端是一个负载，以及瞬间的电线中的总电流图。
正弦的时间变化源将沿着电线的整个长度，通过电阻载荷，然后进入接地平面，然后从电阻载荷中来回驱动电流。如果我们可以在任何瞬间拿起电流的快照，那么它看起来像是正弦波从源到负载传播。
现在，当我们考虑通过导电材料流动的时间变化的电流时，我们必须考虑皮肤效应：随着时间变化电流的趋势流动在导体的外表面上。实际上，我们将假设激发频率是如此之高，以至于与电线半径相比，皮肤深度非常非常小。实际上，如此小，以至于我们说电流在导体表面而不是体积内流动，并且可以通过阻抗边界条件。在以前的博客文章中更详细地讨论了这一点：“在波电磁问题中建模金属物体“ 和 ”如何在随时间变化的磁场中建模导体“。
接下来，我们将注意力转向下面的表面；我们称之为地面。从我们的早期定义中回想一下，在DC制度中，我们将地面定义为没有电流流动的域（或至少，至少仅与我们的建模目的无关。）此处适用类似的定义。地面是没有电阻的域的边界，或者是完美的导电材料。但是，正如刚刚讨论的那样，我们知道有皮肤效应，对于具有无限传导率的材料，皮肤深度将完全为零，因此我们称之为地面的这些表面上会流动水流。
了解地面飞机上会发生什么
现在让我们解决DC情况与波浪状场之间的巨大区别。尽管在DC情况下，我们完全忽略了地面域内的电流，但现在我们的电流沿着该地面流动，而这些电流不容忽视。这些电流的可视化以及一个横截面平面处的电场和磁场，全部瞬间，都在下面的图像中。
电流（黑色），电场（红色）和磁场（蓝色）的箭头可视化。
可能是合理地问：如何在无限电导率的材料表面上有有限的电流？为了回答这个问题，我们还需要查看地面平面上方的自由空间。这个自由空间有阻抗，沿着该表面流动的电流将看到周围空间的阻抗。
这立即提出了一个非常重要的问题：我们必须考虑地面飞机上方多少自由空间？事实证明，我们不仅必须考虑到接地平面上方的空间，而且还要考虑电线周围的空间，甚至是线上上方的某些空间区域。所有这些结构都有助于传输线的阻抗。实际上，当构建这种情况的数值模型时，有必要研究周围的自由空间区域中有多少；在此示例中涉及的观点：找到平行传输线的阻抗。
因此，这意味着这个完美的电导体表面上的电流（我们称之为地面平面）受到其上方所有内容的影响。另一种说法是该PEC表面上的电流包含整个建模空间的图像，这使我们对PEC接地平面进行了第二个解释：它是一种对称条件。好像平面的另一侧有等效的结构，在该侧，线上的电流将指向相反的方向。
通过对称条件，地面平面上方的电线模型等同于平行线传输线的模型。
在这一点上，在电磁波的背景下，我们现在可以开始做出一些更精确的定义：一个地面是有限电流流动的无损（完全导电或PEC）表面。流向该表面的电流将受到其上方的所有结构的影响。如果该PEC表面描述了建模空间一侧的平面，则相当于施加对称条件。如果您有两个分离的PEC表面，则可以任意选择一个并将其定义为基础。在某些情况下，我们还可以提出一种方法来定义第二PEC表面相对于该地面的电势差（电压）。
定义频域中的电压
从我们对稳态电流的讨论中回顾，我们将电压定义为任何两个点之间电场的路径积分。对于稳态情况，电场是标量电势的梯度，并且该积分始终是独立的。但是，对于电磁波外壳，电场是对波方程的解决方案，并且（通过我们将跳过的乏味的矢量计算）我们可以证明，这种电场的路径积分并不独立，，除了一些特殊情况。
这些特殊情况之一是，当您沿着PEC表面上的一条线路沿路径积分不可或缺时。与表面相切的电场始终为零，因此沿该表面上任何线的电场的积分为零。但是，表面电流定义为\ mathbf {j = n \ times h}， 在哪里\ mathbf {h}是根据\ Mathbf {\ nabla \ times e} = -J \ omega \ Mathbf {h}，因此电流是非零的，即使切向电场的积分为零。请记住，这里没有矛盾。周围环境的阻抗导致在该PEC表面有有限的电流，其切向电场为零。
要考虑的第二个有趣的情况是，当我们沿着垂直于TEM传输线轴的平面中的一条线沿着线的路径积分。由于从定义上讲，电场和磁场纯粹位于该平面上，因此可以（通过我们将跳过的更多矢量演算表明）该积分将独立于路径。也就是说，我们可以定义该平面中点之间的电压。因此，请选择一个位于我们称地面的表面上的点，以及在传输线线上的另一个点上，以任何路径积分为单位。现在我们有了电压，这对应于您从信号分析仪中获得的测量。您还可以沿着完全将空间分配在地面和电线之间的线路上的磁场组成部分，这将使我们沿着传输线流动。
图像显示了电压（红色）和电流（蓝色）的各种不同集成路径。
最后，让我们解决以下事实：由于电线的有限电导率，这实际上是一条准TEM线，可以通过该线进行建模阻抗边界条件。在这种情况下，相对于面内组件，电场和磁场的平面外部成分是如此之小，以至于我们仍然可以安全地使用上述定义。
因此，让我们写下我们所知道的：
- 电压是电场的组成部分，但这只能评估电场的卷曲为零或几乎为零的位置：在TEM或准TEM传输线的横截面上。
- 在TEM或准TEM传输线的横截面上，电压对应于您通过信号分析仪进行物理测量的电压。实际上，在这里，术语电压在频域波电磁模型中具有任何有用的含义。
- 在PEC表面上，您可以沿着该表面的路径集成电场，但是如果您沿着不在表面的路径集成，则可能会获得非零积分。另外，我们已经看到将有电流，因此两个点之间的零电压差并不意味着零电流。因此，在实践中，在这种情况下谈论电压几乎没有价值。如果我们尝试实际测量两个点之间的字段，我们将不得不引入一个传感器，包括这些点之间的某种传输线，这将改变设备。
在我们的脑海中，我们可以坚信所有这些信息，我们现在可以自信地建模。对于我们这里有的情况，我们可以使用Tem-Type端口边界条件，地面和电位施加到接地平面和电线边缘的子场。在学习中心文章中给出了建模Tem-Type传输线的所有其他选项的完整概述。建模TEM和准TEM传输线“。
传输线模型设置的示意图。两端的两个TEM端口（交叉式）具有一个接地（蓝色）和电压（红色）定义。
闭幕致辞
现在，您知道如何在频域电磁波建模的背景下使用术语电压和地面。我们可以将相同的参数扩展到瞬态案例，并得出相同的结论：在时间域建模中，地面是当前的返回路径，可以是一种对称条件。
因此，对于我们考虑电场和磁场的任何时间变化的模型，您只能在评估TEM传输线横截面的磁场的情况下谈论电压。尽管这种说法的简单性，但我们必须遵循才能达到这一点的论点对于理解电磁设备的建模非常有帮助。
下一步
通过单击下面的按钮，请在相关学习中心文章中获取建模TEM和准TEM传输线的详细演示，其中包括分步建模说明和软件屏幕截图。
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