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【射频笔记2】趋肤效应

趋肤效应


在低频时,电流在导体内部的分布密度是均匀的。从导线的截面图看,中心和边缘区域电流的流量是相同的。


在高频时,导线表面的电流密度变大,而中心区域几乎没有电流流过。电流分布的变化如图所示,低频时电流均匀地填满整个导线,高频时电流只从接近导线表面的地方流过。

为了形象地证明高频条件下电流的分布,首先假设导线纵向切成多层同心的长管,就像树桩上的年轮。


自然对称的形状可以阻止电流在环间流动,所以必须无误差地切割,所有电流绝对平行于导线的中心轴。


现在导线被切成许多环,我们可以分别考虑每个环的电感。靠近中心的环,像长而薄的管道,比外部的环有更大的电感。我们知道,在高频条件下,电流将从电感更低的通路流过。因此,高频条件下可以预计从外环通路流过的电流比内环更多。实际上正是如此。在高频条件下,绝大多数的电流聚集在靠近导体的外表面。


趋肤效应的作用力甚至比仅仅基于各个环管电感的预测作用更显著,实际上,环管间的互感也迫使电流紧贴着导线的外表面流过。


电流渗透的平均深度,称为趋肤深度。在高频条件下,趋肤深度是相当薄的。随着向内部的接近,在趋肤效应作用下,导体内部电流密度按指数规律下降,平均电流深度是频率W、导体的磁介系数U、电阻系数P的函数:



由于大多数电流在导体表面附近的一个薄的管道中流动,可以想象这个导体的视在电阻会大大增加。增加的大小是趋肤深度的函数。导体的视在电阻与电流流经的深度成反比。上式表明,趋肤深度与频率的平方根成反比。综合这些因素,导体的AC电阻与频率的平方根成正比增长。


趋肤深度是材料的一个属性,随导体材料的整体导电率的不同而变化。


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