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剖析:趋肤深度和趋肤效应

2019-05-06 14:21
嘉兆科技
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剖析 - 趋肤深度和趋肤效应

当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的“皮肤”部分,也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)

趋肤效应,是在任何射频频率下操作导体或半导体,或者说,事实上除直流之外的所有应用中都需要了解的一种重要现象。然而,趋肤效应和趋肤深度的话题却鲜被触及。

本质上,“趋肤效应”一词用于描述电流在导体内的分布方式随频率及材料特性的变化。据观察,信号频率越高,导体内的电荷分布越趋向于导体表面近处。无论是单纯线缆、同轴电缆、微带还是天线导体,所有导体中均存在这一现象。

趋肤效应导致导体的射频电阻性损耗,但仅发生于其内有正在传播的射频能量的电流流动的导体中。在波导、同轴电缆/连接器及天线中,趋肤效应通常发生于传输线内壁的外表面。在某些微带线和带状线结构中,情况较为复杂,这是因为承载电流的导体为与电介质的接触的内表面,而非电镀外表面。一般而言,由于导体表面处的电阻更大,因此趋肤深度越小,射频损耗越大。在数个参数已知的情况下,可以计算出电流在导体内的分布情况。

趋肤深度是指电荷在导体内传播时大多数电荷所在的厚度。由于趋肤深度是频率以及导体电阻率和磁导率相互作用的结果,因此不同导体材料的射频损耗随频率变化的特征不同。例如,铜的电阻率为1.678μΩ/cm,相对磁导率为0.999991;金的电阻率为2.24μΩ/cm,相对磁导率为1;镍的电阻率为6.84μΩ/cm,相对磁导率为600。铜、金、镍在1GHz下的趋肤深度分别为2.06μm、2.38μm及0.170μm。因此,镍的射频损耗最严重,而铜和金的射频损耗要小得多。

从趋肤现象中可得出一些有趣的结论:首先,导体的磁导率可极大地影响材料的射频损耗;其次,在很高的频率下,大多数电荷仅在表面附近的薄层内传播,因此在这些频率下,即使采用非常薄的导体,也不会影响插入损耗性能。

然而,导体的射频损耗并不完全由频率、相对磁导率和电阻率决定,其表面状况对射频损耗也具有非常大的影响。对于在表面附近传播的电流而言,一个极其粗糙和不平整的表面相当于增加了其传播路径的长度,因此此类表面将导致更大的电阻性损耗。这便是薄膜射频和高精度毫米波应用将表面粗糙度视作一个主要考虑因素的原因。与此相反,在所有宽带应用中,随频率的增高,导体或传输线的插入损耗和衰减度反而越来越低。

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