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趨膚效應、電流密度和電磁場
趨膚效應、電流密度和電磁場
一個關于集膚效應的重要誤解，即電流密度集中的地方，以及傳輸線周圍的電磁場。雖然這當然不是一個常見問題，但我仍然認為這是一個值得討論的有益物理情況，因為它說明了圍繞傳輸線中的集膚效應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，以及集膚效應如何影響它。您可能已經在互聯網上看到過傳輸線周圍的電場線圖像。這些圖像是正確的，但我會更進一步，解釋為什么它們在電流密度和趨膚效應方面很重要。
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，您可能會發現許多顯示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是，電場線從跡線上的所有表面沿法線方向發出。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生相等且相反的鏡像電荷。這是關于電磁邊界條件的基本結果，這可以從麥克斯韋方程組，特別是高斯定律中得到證實。
現在回到這個問題，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？所提出的問題似乎暗示趨膚效應僅發生在跡線的底面，并且電流密度只會在那里經歷粗糙度。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域表示集膚效應電流。接下來，如果您假設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體（微帶線）周圍的位置以及由此產生的電場線的錯誤描述。
上圖不正確。雖然附近導體（接地和浮動）的存在確實會改變電磁場的空間分布，從而改變導體上的電流分布，但電磁場不會突然集中在走線和平面之間，因為存在趨膚效應。事實上，趨膚效應總是存在的，它只是由趨膚效應產生的附加阻抗程度的問題。
田野到底發生了什么？
不管集膚效應如何，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產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致更大的電流集中在導體表面下方。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這一點。如上所示，傳輸線周圍的電場分布產生了一些從傳輸線理論已知的重要結果，特別是將傳輸線的阻抗作為頻率的函數。
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，一旦出現趨膚效應，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告訴我們，一定存在邊緣電容。但是，趨膚效應對走線的分布電容沒有影響，因此邊緣電容不受趨膚效應電流的影響。
非 TEM 傳播
如果開關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傳輸線結構中的非 TEM 模式時，也會發生這種情況。因為我們知道發生趨膚效應不需要非 TEM 模式，所以應該清楚的是，場應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。這不是在實際實驗中觀察到的，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致更大的電阻增加，正如您預期的那樣，趨膚效應僅限于跡線橫截面積的較小區域。
上面的討論應該說明為什么理解電磁場的基礎知識如此重要，以及它與真實介質中電荷/電流的行為有何關系。上述幾點是根據微帶傳輸線討論的，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，更容易發現諸如寄生效應等導致噪聲耦合、輻射發射和從外部源接收EMI的問題。