什么是趋肤深度?
什么是趋肤深度?
一、趋肤效应(Skin Effect)
趋肤效应是信号传输过程中信号发生损耗的一个重要因素。当信号的频率较低时,导体中的电流可认为是均匀的通过整个导体的截面进行传输,即导体的中心和表面均有电流流过。但当信号的频率增加时,电流则倾向于沿最低的感抗路径传输,即沿着导体的外表面的路径。频率达到一定大小之后,电流均沿导体表面的路径传输,而导体的中间几乎没有电流通过,这一效应称为电流的趋肤效应。
趋肤效应会造成传输线的有效截面减小,从而导致信号传输路径的串联电阻的增加,且随着频率的增加而更加严重。所以当信号以高速率进行传输时,在传输路径上信号的损耗会随之逐渐增加,通常称这类损耗为趋肤效应的损耗(导体损耗)。
二、趋肤深度的计算公式
趋肤深度则是指在趋肤效应中传输路径的有效厚度,如图1所示。趋肤深度通常可按如下公式进行计算:
其中,
- $\delta$ 表示趋肤深度
- $\mu$ 表示磁导率
- $\sigma$ 为电导率
- $\omega$ 表示圆频率
- $f$ 表示频率
磁导率 $\mu = \mu_0 \mu_r$,其中
- $\mu_0$ 为真空磁导率,$\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \text{H/m}$
- $\mu_r$ 为相对磁导率,对于非铁磁性金属来说,$\mu_r = 1$。铁磁性金属如Fe、Co、Ni的相对磁导率需具体查阅资料得到。
三、不同材料的趋肤深度计算
金(Au)
可见,随着频率的增加,趋肤深度的递减速度变缓慢。由计算可得,Au在1MHz100GHz频率下的趋肤深度范围是77.940.2465μm。在电接触中,若镀金层的厚度是0.3μm,当频率小于50GHz时可穿透镀金层;若镀金层的厚度是1μm,当频率小于5GHz时可穿透。因此,我们需要进一步计算常用的连接器中间层金属镍(Ni)在高频下的趋肤深度。镍(Ni)
计算可知,Ni在1MHz100GHz频率下的趋肤深度范围是65.860.2083μm。在电接触中,若镀镍层的厚度是2μm,当频率小于1GHz时可穿透镀层;若镀镍层的厚度是6μm,当频率小于100MHz时可穿透。因此需要进一步考虑基地金属材料铜(Cu)在高频下的趋肤效应。铜(Cu)
计算可知,Cu在1MHz100GHz频率下的趋肤深度范围是65.630.2075μm,与Ni的趋肤深度数值相近似。锡(Sn)
计算可知,Sn在1MHz100GHz频率下的趋肤深度范围是53.990.1707μm。