射頻與高頻電路
集膚效應
在直流時,電流均勻地流過導線的整個截面,用上全部的銅。當頻率升高,電流卻擠向外表面、捨棄中心,彷彿害怕中間。這就是集膚效應。到了射頻,電流只在表面附近的一層薄殼裡流動,所以粗導線的內部幾乎不導電,在電學上是死重。
其機制來自導線自身的磁場。變化的電流在導體內部產生變化的磁場,這磁場感應出微小的渦電流,在中心抵消電流、在邊緣加強電流。這層導電薄殼的厚度就是集膚深度,它隨頻率的平方根而縮小。在銅裡,集膚深度在 1 MHz 時約 66 微米,在 1 GHz 時約 2 微米。由於可用的銅只是薄薄一層,有效電阻隨頻率的平方根上升,所以一條直流時 1 歐姆的導線,在高頻可能變成好幾歐姆,儘管它在物理上什麼都沒改變。
集膚效應解釋了好幾個真實的射頻現象。它是為什麼高頻導體常鍍銀,電流只用表面,所以在表面鍍上更好的導體有用,而鍍在芯部則毫無意義。它是為什麼射頻線圈用許多細的絕緣股線繞成(Litz 線)以增加表面積,也是為什麼空心管導射頻和實心棒一樣好。它是真實電感的 Q 與電纜損耗隨頻率升高而變差的主因之一。誠實的提醒:在射頻,集膚效應不是小小的修正,它可能主宰導體的電阻,所以直流電阻是判斷導線高頻行為的誤導性指標。
一條半徑 1 mm 的銅線金屬很多,但在 1 GHz 時電流只用外層約 2 微米。有效截面只是一圈薄環,所以這條線的交流電阻可能是直流值的數十倍,這正是為什麼在射頻把線加粗幫助不大。
在射頻,只有薄薄一層表面殼導電,使有效電阻升高。
集膚深度隨頻率的平方根縮小,所以在射頻把線加粗幾乎沒用;真正重要的是表面積與表面導電率(例如鍍銀)。直流電阻會嚴重低估高頻損耗。
又稱
另見