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談?wù)勞吥w深度(skin depth)

2023/06/07
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趨膚深度是什么?

趨膚深度,是定義電場在良導體內(nèi)衰減會衰減1/e,即36.8%時,所深入的距離。

也就是說,假設(shè)在自由空間時,電場的幅度為E0,然后進入良導體后,開始衰減,當電場衰減到e^(-1)*E0時,電場所深入的距離。如下圖所示。

在DC(0Hz)時,計算DC電阻,是以整個導體橫截面來計算的,不管導體有多粗。

但是,在射頻頻率,就不是這樣了。

這就與趨膚深度有關(guān)系。

趨膚深度與麥克斯韋方程之間的關(guān)系

在有耗媒質(zhì)中,所謂有耗,可以看成該媒質(zhì)具有一定的導電性,假設(shè)導電率為 σ。

則由麥克斯韋旋度方程的相量形式,可以得到變量為E和H的兩個等式。

針對E來求解,即對式(1)取旋度,然后再將式(2)代入,然后再結(jié)合矢量公式,即可得出關(guān)于E的波動方程。假設(shè)電場只有一個x軸方向的分量,且只隨z軸的變化而變化。

于是,可以做出如下圖所示的推導。

大多數(shù)金屬都可以被歸為良導體,作為一個良導體,其傳導電流遠大于位移電流,即:

此時,可以忽略位移電流,從而傳播常數(shù)可以做如下近似:

趨膚深度,是指電場變?yōu)樵瓉淼膃^-1時,所對應(yīng)的傳輸距離。

即:

按照上面的公式,當頻率為10GHz時,各種金屬的趨膚深度如下圖所示,從結(jié)果來看,值都不到1um。

趨膚深度有什么意義?

從上面的計算結(jié)果來看,鋁的趨膚深度為0.814um,也就是經(jīng)過0.814um后,電場的強度變?yōu)樵瓉淼?6.8%。

如果想用鋁來做屏蔽罩的話,那多厚的厚度,可以讓我們能獲得40dB的衰減呢?

一個趨膚深度,電場衰減為原來的36.8%,則5個趨膚深度,電場衰減為原來的(36.8%)^5=0.006748994797568,取20*log10,則為-43.4dB。

也就是說,如果從趨膚深度來考慮的話,則0.814*5=4.07um的厚度,就可以讓電場衰減-43.4dB。

關(guān)于微帶線的趨膚深度

關(guān)于微帶線,應(yīng)該從哪里看趨膚深度。

微帶線上的線,有兩個金屬面,一個是朝著空氣,另一個是朝著介質(zhì)。

那我們主要關(guān)注的是哪個介質(zhì)面?

我們知道,微帶線中的場分布主要集中在介質(zhì)中。因此,朝著介質(zhì)的那一面金屬,是趨膚深度要考慮的問題,如下圖所示。

雖然,在向著空氣的那一面,也有少量的場,但是密度要小的多。

參考文獻:

【1】微波工程

【2】https://www.microwaves101.com/encyclopedias/skin-depth

【3】https://www.microwaves101.com/encyclopedias/basics-of-good-emi-emc-design#skin

【4】https://www.youtube.com/watch?v=Tyg0zdfWE5I&t=1015s

 

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