特性阻抗與頻率的關(guān)系

1、特性阻抗和頻率有關(guān)嗎?時(shí)間：2010-05-21 22:59來源:未知作者:于博士點(diǎn)擊：蚤3718次難得半日清閑，看到留言板有網(wǎng)友留言問道這個(gè)問題，留一篇隨筆，與各位 網(wǎng)友共享。當(dāng)我們提到特性阻抗的時(shí)候，通常很少考慮它與頻率的關(guān)系。其原因在于，特 性阻抗是傳輸線的一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的屬性，主要和傳輸線的結(jié)構(gòu)也就是橫截面的形 狀有關(guān)。從工程的角度來說，把特性阻抗作為一個(gè)恒定量是合理的。說實(shí)話，搞 了這么長時(shí)間的SI設(shè)計(jì)，還沒碰到需要考慮特性阻抗變化的情況。既然有網(wǎng)友一定要考慮這個(gè)問題，今天我們就稍稍深入一下，看看特性阻抗 的真實(shí)面目。雖然沒有太大的工程應(yīng)用價(jià)值，但是對于理解問題還是有好處的。特性阻抗是

2、從理論上分析傳輸線時(shí)經(jīng)常提到的一個(gè)量，從傳輸線的角度來說，它 可以用下面的公式表示Z0 =/ L/N CL表示傳輸線的單位長度電感，C為單位長度電容。乍一看，似乎公式中沒有任 何變化的量。但是特性阻抗真的是個(gè)恒定的量嗎？我們使用Polar軟件對橫截面 固定的傳輸線進(jìn)行掃頻計(jì)算，頻率范圍定在100MHz10GHz，來看看場求解器 給出的結(jié)果，如下圖：102Frequency - MHz你可能感到驚訝，特性阻抗隨著頻率的升高變小了，why?阻抗公式中那個(gè)量 發(fā)生了變化？其實(shí)這涉及到電磁學(xué)方面的一個(gè)深層次的問題。罪魁禍?zhǔn)资请姼?！電感?題是個(gè)很復(fù)雜的問題，對電感的理論計(jì)算很繁瑣，有興趣的網(wǎng)友可以找資

3、料看看 電感的計(jì)算，詳細(xì)的推導(dǎo)過程我就不在這里寫了。簡單的說，導(dǎo)線的電感由兩部 分組成：導(dǎo)線的內(nèi)部電感和導(dǎo)線的外部電感。當(dāng)頻率升高時(shí)，導(dǎo)線的內(nèi)部電感減 小，外部電感不變，總電感減小，因而導(dǎo)致了特性阻抗減小。我們知道，電感的定義是指圍繞在電流周圍的磁力線匝數(shù)。電感隨頻率減小，直 覺告訴我們一定是導(dǎo)線中電流分布發(fā)生了變化。到這里我想各位網(wǎng)友應(yīng)該豁然開 朗了。趨膚效應(yīng)(skin effect)你一定不會陌生?？纯聪旅娴倪@張圖你會有更直 觀的感受，這是用二維場求解器仿真出來的高頻時(shí)導(dǎo)體中電流的分布。黃色部分 是電流所在位置。J(A/niA2)6.6.3361e+007 6.1085t+G07 S.83

4、08+007 5,5532e+D07 5.2755e+D07 L 9978+007 4.7202e+007 4,425t+Q07 4.164 9-1-007 3.8372e+007 3h 6Q$6=+007 3.331?*+007 3.052+0072, -3983+007 2.2213e+007 1.?43S+D07 I.66S?e+D07 1.38S3e+007 1.1106+007 8.3257+005 E.5532e+0Q6 2.7766*+D06 0.DOGDe+OOO當(dāng)頻率升高時(shí)，電流向?qū)Ь€表面集中，在導(dǎo)線內(nèi)部電流密度減小，當(dāng)然電感 減小。電感的本質(zhì)，是圍繞在電流周圍的磁力線匝數(shù)，注意“圍繞在電流周圍” 這個(gè)說法。假設(shè)存在極端情況，導(dǎo)線內(nèi)部電流完全消失，所有的電流集中在導(dǎo)體 表面，磁力線當(dāng)然沒法再內(nèi)部去環(huán)繞電流，內(nèi)部電感消失。導(dǎo)線總電感減小，減 小的那一部分就是導(dǎo)線的內(nèi)部電感。當(dāng)然這種說法不嚴(yán)謹(jǐn)，不過對直觀的理解問 題非常有幫助。結(jié)論:1、傳輸線的特性阻抗確實(shí)和頻率有關(guān)，隨著頻率升高，特性阻抗減小，但會逐 漸趨于穩(wěn)定。2