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特性阻抗和频率有关吗?(转)

已有 682 次阅读2011-5-14 18:40 |个人分类:硬件

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。说实话,搞了这么长时间的SI设计,还没碰到需要考虑特性阻抗变化的情况。
 
    既然有网友一定要考虑这个问题,今天我们就稍稍深入一下,看看特性阻抗的真实面目。虽然没有太大的工程应用价值,但是对于理解问题还是有好处的。
 
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:

   
    你可能感到惊讶,特性阻抗随着频率的升高变小了,why?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。
 
本文来自CSDN博客,转载请标明出处:http://blog.csdn.net/yd4330152763132/archive/2010/10/14/5940364.aspx

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