电磁波在电缆中的传播

1. 电缆的基本结构

常见的电缆如同轴电缆，由内导体、绝缘介质层、外导体（屏蔽层）和护套组成。电磁波主要在内外导体之间的绝缘介质中传播，导体本身引导电磁场的分布。

2. 传播模式：TEM波

在理想同轴电缆中，电磁波以横电磁波（TEM模式）传播：

3. 传播特性参数

由绝缘介质的介电常数（ε）和磁导率（μ）决定：

[

v = frac{1}{sqrt{mu epsilon}}

]

通常接近真空中光速的2/3（如聚乙烯介质中约为2×10⁸ m/s）。

由电缆的几何结构和介质决定，同轴电缆的特性阻抗为：

[

Z_0 = frac{138}{sqrt{epsilon_r}} logleft(frac{D}{d}right) quad (Omega)

]

其中，D为外导体内径，d为内导体外径，ε_r为相对介电常数。

由导体损耗（趋肤效应）和介质损耗引起，高频信号衰减更显著：

[

alpha propto sqrt{f}

]

（f为频率）

4. 趋肤效应与导体损耗

高频电流集中在导体表面（趋肤深度δ）：

[

delta = sqrt{frac{2}{omega mu sigma}}

]

其中，σ为导体电导率，ω为角频率。趋肤效应导致有效电阻增加，信号衰减。

5. 介质损耗

绝缘材料在高频下的极化弛豫会引起能量损耗，表现为介电损耗角正切（tanδ），导致信号衰减。

6. 反射与驻波

当电缆终端阻抗（Z_L）与特性阻抗（Z₀）不匹配时，会发生反射：

反射系数Γ：

[

Gamma = frac{Z_L

]

反射会导致驻波，降低传输效率（如VSWR参数）。

7. 实际应用中的考虑

电磁波在电缆中以TEM模式传播，受导体和介质特性约束，其速度、衰减和阻抗由材料及结构决定。实际应用中需平衡频率、损耗和阻抗匹配，以实现高效信号传输。