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特性阻抗和频率有关吗?

已有 1451 次阅读2010-6-28 22:47 |个人分类:PCB相关| 关键词:

当我们提到特性阻抗的时候,通常很少考虑它与频率的关系。其原因在于,特性阻抗是传输线的一个相当稳定的属性,主要和传输线的结构也就是横截面的形状有关。从工程的角度来说,把特性阻抗作为一个恒定量是合理的。

 

特性阻抗是从理论上分析传输线时经常提到的一个量,从传输线的角度来说,它可以用下面的公式表示

            ---------------

Z0 =   /    L

         /   ------

     ^/      C

 

L表示传输线的单位长度电感,C为单位长度电容。乍一看,似乎公式中没有任何变化的量。但是特性阻抗真的是个恒定的量吗?我们使用Polar软件对横截面固定的传输线进行扫频计算,频率范围定在100MHz~10GHz,来看看场求解器给出的结果,如下图:

   

   特性阻抗随着频率的升高变小了,阻抗公式中那个量发生了变化?

 

    其实这涉及到电磁学方面的一个深层次的问题。罪魁祸首是电感!!电感问题是个很复杂的问题,对电感的理论计算很繁琐,有兴趣的网友可以找资料看看电感的计算,详细的推导过程我就不在这里写了。简单的说,导线的电感由两部分组成:导线的内部电感和导线的外部电感。当频率升高时,导线的内部电感减小,外部电感不变,总电感减小,因而导致了特性阻抗减小。

我们知道,电感的定义是指围绕在电流周围的磁力线匝数。电感随频率减小,直觉告诉我们一定是导线中电流分布发生了变化。到这里我想各位网友应该豁然开朗了。趋肤效应(skin effect)你一定不会陌生。看看下面的这张图你会有更直观的感受,这是用二维场求解器仿真出来的高频时导体中电流的分布。黄色部分是电流所在位置。

  



 

    当频率升高时,电流向导线表面集中,在导线内部电流密度减小,当然电感减小。电感的本质,是围绕在电流周围的磁力线匝数,注意“围绕在电流周围”这个说法。假设存在极端情况,导线内部电流完全消失,所有的电流集中在导体表面,磁力线当然没法再内部去环绕电流,内部电感消失。导线总电感减小,减小的那一部分就是导线的内部电感。当然这种说法不严谨,不过对直观的理解问题非常有帮助。

 

结论:

1、传输线的特性阻抗确实和频率有关,随着频率升高,特性阻抗减小,但会逐渐趋于稳定。

2、特性阻抗的变化的原因是导线的单位长度电感随频率升高而减小。

3、这种特性阻抗的变化很小,在工程应用中一般不用考虑它的影响。知道有这个事就是了


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发表评论 评论 (1 个评论)

回复 hongsayang 2010-9-23 00:15
thanks

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