在天线/电磁波以及信号处理等领域,我们经常会遇到一个叫趋肤效应的现象。
啥叫“趋肤效应”?
通俗地来说,就是当信号的频率很高时,电流更愿意沿着导体的表面走,而不是均匀地穿过整个材料。这样一来,导体中间的部分就几乎不参与导电了,只有表面在忙活。
不知道各位是否有在流动的河水中游泳的经历,在水面附近,你可以感觉到水流速很快,但当你潜入更深的水域时,水流似乎减弱了,这跟趋肤效应有点类似。
为了准确描述趋肤效应,就有了“趋肤深度”的概念,是描述这种电流只在表面流动的厚度,也是传输路径的有效厚度。
具体来说,如果我们考虑一个电场,在自由空间中具有初始幅度 E0,当它穿透到一个良导体内部时,其幅度开始逐渐降低。电场深入到导体内部的特定距离,恰好在这个点上,电场的幅度降低到了初始值的1/e,即原来电场强度的36.8%时,这个距离就是我们所说的趋肤深度。
趋肤深度 δ 通常可按如下公式进行计算:
其中, 𝑓 是频率,𝜎是电导率。而这里的𝛿 就是指电场强度衰减到1/e 时的深度。
在直流电下,频率为0Hz,根据公式,可以简单理解为 𝛿 无穷大,即整个导体都在导电。但是到了无波这样的高频,频率 𝑓 越大,电流越集中在表面活动了,电流密度从表面向内部逐渐减小,到了一定深度,电流几乎为零。
下图描述的是射频信号的传导,红色表示最大的电流密度,蓝色表示没有射频信号。
因此,在设计微带线或其他高频电路时,我们得特别注意趋肤深度对材料选择、导体尺寸设计的影响。比如,选择导体的厚度,就得根据趋肤深度来。如果厚度选得太厚,不仅浪费材料,而且对于减少损耗也没什么帮助。
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