2010-04-28 20:20:20 阅读8 评论0 字号:大中小
(趋效应的产生机理怎样?为什么高频下导线的电阻很大?为什么在微波传输中要采用波导?)
导体或者半导体在高频下的电阻——高频电阻,不同于它们在低频下、或者在直流下的电阻,这是由于在高频下所谓趋肤效应将要起作用的缘故。
(1)趋肤效应:
对于一根具有一定横截面积的导线,当其中有电流通过时,即在导线的内部和周围出现磁场;显然,在导线中心处的电流所穿过的磁通量,要大于表面附近处电流所穿过的磁通量。而单位电流所穿过的磁通量就是电感量L,因此导线中心处的电感量要大于表面附近处的电感量;于是在有交流电流通过导线时,导线中心处的感抗也就大于表面附近处的感抗。从而通过导线中心处的交流电流就必然小于通过导线表面附近处的交流电流,这就是趋肤效应。
由于交流电流的频率ω越高,感抗ωL就越大,所以在高频下交流电流就基本上只是在导线表面附近处的一层中通过,这导电性很好的薄层的厚度就称为趋肤深度。可以想见,如果感抗ωL越是大于导线的电阻R,则趋肤效应就越显著,趋肤深度δ也就会越小;磁导率m越大,导线内的磁场强度就越大,因而中心区域的电感量也就越大,同样会使得趋肤效应显著、趋肤深度δ减小。分析给出,导线的趋肤深度δ与频率ω、电导率s和磁导率m之间存在以下的关系:
δ=[2/(msω)]1/2.
对于金属,在ω=0~1014Hz范围内,s为常数;磁导率m是真空磁导率与相对磁导率之积。
(2)高频电阻:
在高频交流电流通过导线时,由于趋肤效应,将主要是在趋肤深度一层内流过,因此导线导电的有效横截面积大大减小,即使得电阻显著增大。对于圆柱形的导线(设a是导线的半径),有效导电的横截面积A可表示为(在δ<<a时):
A=πa2-π(a-δ)2≈2πaδ.
如果导线的交流电阻率为ρ(实际上,在应用中金属的交流电阻率就等于其直流电阻率),于是单位长度导线的高频电阻r可表示为:
r=ρ/A≈ρ/(2πaδ).
由于趋肤深度δ随着频率ω的升高而平方根式地减小,所以高频电阻r也就随频率的升高而平方根式地增大。例如,对于半径为1mm的Cu导线,在1GHz时的高频电阻约为10MHz时的20余倍。
(3)应用:
正是由于高频下导体的趋肤效应,所以实心导体在高频下的应用受到限制。实际上,当信号频率≥1GHz时,采用普通的金属导线来进行长距离的信号传输已经变得几乎不可能;这时就必须采用空心的金属管或者波导来传输。
电感线圈的品质因素Q值与线圈的电阻成反比。在高频下,因为趋肤效应使得线圈的电阻提高,从而将导致Q值降低。克服此问题的一个措施就是采用镀有高电导率金属(如Au、Ag)层的导体;在高频、大功率情况下的线圈,就往往采用Cu管(其中有冷却剂)来绕制。