5-非理想導體情形下的傳輸線特性

YihaoMaxwell發表於2024-06-20

Nonideal Conductor Models

1. 在非閉合導體中傳播的訊號

1.1 傳播常數

從Maxwell‘s Equations可以匯出如下旋度方程:

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更進一步的,可以將介電常數展開成頻變的

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這裡方程等號右邊的項整體會被視作$\gamma^{2}$,由於該項前面的$j\omega$,括號內的虛部最終會導致訊號的衰減,實部會導致相位常數的變化。

對於一個金屬導體來說,介質損耗是不存在的,因此可以得到傳播常數:

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1.2 趨膚深度

將頻域下在金屬導體中傳播的波函式轉換成時域形式,可以得到:
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趨膚深度的定義就是當電磁波的賦值衰減為$e^{-1}$時對應的深度,對於良導體來說,有

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從而可以推匯出趨膚深度為:

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2. 傳輸線的經典導體模型

2.1 直流損耗 (DC Resistance)

經典的電阻公式:

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2.2 頻變損耗 (AC Resistance)

2.2.1對於微帶線來說

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  • 對於趨膚深度近似的討論

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  • 電阻曲線

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可以看到電阻曲線先不變,然後會產生一個跳變。但在現實中,這種跳變是不存在的,採用平方開根號的方法來平滑曲線:

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除了訊號線之外,地的電阻也應當被考慮。

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地上的電流密度滿足上述關係,可以看到h越小d的係數就越大,電流密度隨著位置遠離中心點變化也越劇烈,說明電流越集中。通常選取w=6h去計算地上的電阻:
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所以微帶線的完整的交流電阻應為:

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2.2.2 Stripline

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將Stripline看成是兩個微帶線並聯,其電阻就可使用電路的知識得到:

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2.3 頻變電感

趨膚效應的另一個結果:導致頻變的電感值。

在低頻時,電流分佈在整個導體內,高頻時電流由於趨膚深度被擠到導體表面。

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根據電感的定義:

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隨著loop的減小,電感值會受到影響。

完整的電感值可以被分為兩個方面,其數學表示式為:

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對於良導體來說,位移電流可以忽略不計,因此,磁場的旋度定理可以被簡化為:

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結合電場的旋度定理,利用雙叉乘恆等式可得二階偏微分方程:

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設定J沿著z方向,偏微分只對x作偏導,可以得到:

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完整的電流可以使用積分積出來:

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從而可以引出一個表面阻抗的概念:

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從(5-28)這個式子中我們可以看到,表面阻抗的實部和虛部是一樣的,其可以有另一種表達形式:

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令(5-28)和(5-29)相等,可以得到:

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至於Lexternal,利用傳輸線的特徵阻抗和相速度可以求得:

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2.4 良導體表面吸收的功率

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3. 粗糙度對損耗的影響

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當趨膚深度和粗糙度的齒深接近時,對損耗的影響比較大。從電阻的角度來說等效的電流路徑變長了,從而導致電阻變大,損耗變大。

總之總的趨勢就是損耗會變大,粗糙度越高,損耗相比於光滑金屬導體就越大。

4. 非理想導體傳輸線的一些引數

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  • 對應的電報方程:image-20240620202340849

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