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什么是趨膚效應(集膚效應)?

2024/3/21 13:35:40 人評論 次瀏覽 分類:電子技術  文章地址:http://m.jinzhengkj.com.cn/tech/5433.html

趨膚效應也稱集膚效應,英文術語是Skin effection,它是指在電流流過導體時,由于導體與其上建立的電磁場之間的相互作用,使電流集中到導體橫截面的表面的現象。具體來說,當導體中有交流電或者交變電磁場時,導體內部的電流分布不均勻,電流集中在導體外表的薄層,越靠近導體表面,電流密度越大,而導體內部實際上電流較小。

趨膚效應導致導體的電阻增加,進而增加了其損耗功率。趨膚效應與交流電的頻率有關,頻率越高,趨膚效應越顯著。在高頻情況下,電流幾乎完全從導體表面流過。

趨膚效應

光從概念來講,可能是一頭霧水,一起來看下實例,下圖是一個高頻Cable線的橫截面剖視圖,在高頻的情況下,電流只在陰影部分流通,中間空白部分實際上是沒有任何電流通過的。


我們學過物理的都知道,導線的電阻計算公式為:
R=ρ×L/S ,公式中ρ為導體電阻率,L為導體長度,S為導體橫截面積。其中ρ和L是不變的,在趨膚效應作用下,S實際上為上圖中陰影部分的面積,這樣就S值就縮小,造成了導線阻值R的增大。同時昌暉儀表使用了Sigrity來仿真出了5GHz的頻率下的一個云圖,如下圖所示,紅色部分是電流大都在圓弧的外側。

高頻Cable線的橫截面剖視圖

因此,對于高頻信號線來說,中間的金屬部分實際上沒有存在的必要,這也是很多高頻的Cable連接線都使用的空心電纜的原因,同時也節省了金屬材料。


趨附效應有個經驗公式如下,頻率越高,透入深度值就越小:



公式中ω為角頻率,ω=2πf(rad/s);μ為磁導率(H/m);σ為電導率(S/m)。

上面所說的趨膚效應是單根高頻線,與其他線隔離的一個狀態,如果在線路板中,高頻信號線是處在一個與很多信號交織的過程,那這樣趨膚效應會發生什么變化呢?

如下圖所示,在電路板中,信號組成了一個由正到負的回路,在高頻線的下方,工程師需要添加用于回流的GND信號,這樣可以使信號的回流路徑盡量短。由于正負電荷的吸引,會使雙方的電荷集中到絕緣層FR4的兩個面上,不再是集中到導線的4個表面上。



這樣,到了實際的電路板中,趨膚效應就變成了趨附效應 ,導線的上表面是沒有電流的。在一些電路中,比如汽車電子,通過加厚銅箔到4Oz厚度來增大導線的同流能力,但發現到了高頻電路里,這種方式是無效的,不管銅箔有多厚,實際有電流的就那么厚一點,就像修路一樣,路修的再寬,車子不走也沒用。


趨附效應是一個3維的立體效應,對上下異面信號有影響,同時在導線繞線時也對路徑在同面有影響,這里就不過多談論了。

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