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趨膚效應(yīng)、電流密度和電磁場
趨膚效應(yīng)、電流密度和電磁場
一個關(guān)于集膚效應(yīng)的重要誤解，即電流密度集中的地方，以及傳輸線周圍的電磁場。雖然這當(dāng)然不是一個常見問題，但我仍然認(rèn)為這是一個值得討論的有益物理情況，因?yàn)樗f明了圍繞傳輸線中的集膚效應(yīng)和電流密度的基本物理。因此，在本文中，我們將研究承載信號的傳輸線周圍的電場，以及集膚效應(yīng)如何影響它。您可能已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)上看到過傳輸線周圍的電場線圖像。這些圖像是正確的，但我會更進(jìn)一步，解釋為什么它們在電流密度和趨膚效應(yīng)方面很重要。
傳輸線周圍的電場線和磁場線
在其接地平面上方的傳輸線周圍繪制電場線非常容易。如果您在Google上查找，您可能會發(fā)現(xiàn)許多顯示PCB中傳輸線周圍的電場和磁場分量的圖像。下圖顯示了圍繞跡線和地平面上方的這些場線的草圖。
微帶周圍的電場線和磁場線。
需要注意的重要一點(diǎn)是，電場線從跡線上的所有表面沿法線方向發(fā)出。然后它們終止于地平面，也沿著法線方向，即垂直于地平面。場線從表面上存在非零電荷的跡線開始，它們在接地平面上產(chǎn)生相等且相反的鏡像電荷。這是關(guān)于電磁邊界條件的基本結(jié)果，這可以從麥克斯韋方程組，特別是高斯定律中得到證實(shí)。
現(xiàn)在回到這個問題，附近的地面如何影響電流密度，從而影響沿傳輸線長度的集膚效應(yīng)？所提出的問題似乎暗示趨膚效應(yīng)僅發(fā)生在跡線的底面，并且電流密度只會在那里經(jīng)歷粗糙度。換句話說，錯誤的畫面是接地層將電流密度“拉”到了走線的底面。
這看起來如下圖所示，其中跡線底部的紅色區(qū)域表示集膚效應(yīng)電流。接下來，如果您假設(shè)走線就像一個理想電容器，電場線將僅集中在走線的底面和接地層之間。
該圖像顯示了電流密度集中在導(dǎo)體（微帶線）周圍的位置以及由此產(chǎn)生的電場線的錯誤描述。
上圖不正確。雖然附近導(dǎo)體（接地和浮動）的存在確實(shí)會改變電磁場的空間分布，從而改變導(dǎo)體上的電流分布，但電磁場不會突然集中在走線和平面之間，因?yàn)榇嬖谮吥w效應(yīng)。事實(shí)上，趨膚效應(yīng)總是存在的，它只是由趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的附加阻抗程度的問題。
田野到底發(fā)生了什么？
不管集膚效應(yīng)如何，電磁場在傳輸線周圍仍然保持相同的分布。沿跡線表面的電流密度始終相同。表面以下的電流濃度決定了由趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的附加阻抗的大小。顯然，這隨頻率而變化，其中更高的頻率會導(dǎo)致更大的電流集中在導(dǎo)體表面下方。換句話說，體積電流密度增加，但表面電流保持不變，并且在所有頻率下具有相同的空間分布。
即使集膚效應(yīng)開始改變電流密度并將其集中在跡線的邊緣，電場線（以及磁場線）仍然存在于跡線周圍。
我們怎么知道上面的圖像是正確的？我們可以通過反駁上面顯示的不正確的電流密度圖像來證實(shí)這一點(diǎn)。如上所示，傳輸線周圍的電場分布產(chǎn)生了一些從傳輸線理論已知的重要結(jié)果，特別是將傳輸線的阻抗作為頻率的函數(shù)。
邊緣電容
如果場完全集中在走線的底面，那么就沒有邊緣電容了，一旦出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，傳輸線的分布電容就會突然下降3.5到4倍。電場線一直繞過走線并終止于附近的接地層這一事實(shí)告訴我們，一定存在邊緣電容。但是，趨膚效應(yīng)對走線的分布電容沒有影響，因此邊緣電容不受趨膚效應(yīng)電流的影響。
非 TEM 傳播
如果開關(guān)電場被限制在走線和接地平面之間，則磁場將在電場線周圍產(chǎn)生。換句話說，我們將有橫向電(TE)模式傳播。即使在頻率不足以激發(fā)傳輸線結(jié)構(gòu)中的非 TEM 模式時，也會發(fā)生這種情況。因?yàn)槲覀冎腊l(fā)生趨膚效應(yīng)不需要非 TEM 模式，所以應(yīng)該清楚的是，場應(yīng)該存在于跡線周圍的其他地方，而不是跡線與其參考平面之間。
電感和電阻阻抗
如果由于趨膚效應(yīng)引起的阻抗變化是由于電容減小，那么互連的阻抗譜不會有任何額外的電阻。這不是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中觀察到的，其中測量顯示傳輸線阻抗的電感和電阻部分增加。此外，更大的銅粗糙度會導(dǎo)致更大的電阻增加，正如您預(yù)期的那樣，趨膚效應(yīng)僅限于跡線橫截面積的較小區(qū)域。
上面的討論應(yīng)該說明為什么理解電磁場的基礎(chǔ)知識如此重要，以及它與真實(shí)介質(zhì)中電荷/電流的行為有何關(guān)系。上述幾點(diǎn)是根據(jù)微帶傳輸線討論的，但同樣的想法也適用于帶狀線或共面配置。通過更好地了解電場及其在傳輸線周圍的位置，更容易發(fā)現(xiàn)諸如寄生效應(yīng)等導(dǎo)致噪聲耦合、輻射發(fā)射和從外部源接收EMI的問題。