Разбирање на ефектот на кожата во преносните линии

Преносната линија е водач кој носи електрична енергија или сигнали од една точка до друга. Преносните линии можат да се направени од различни материјали, форми и големини, в зависност од примената и растојанието. Меѓутоа, кога преносните линии се користат за изменлив ток (AC) системи, може да се појави феномен наречен ефект на кожата, што влијае на нивната работна способност и ефикасност.

Што е ефектот на кожата во преносните линии?

Ефектот на кожата е дефиниран како тенденција на AC ток да се распределува нееднакво над прекрсната површина на водач, така што густината на токот е највисока близу до површината на кожата на водачот и опада експоненцијално кон језглото. Ова значи дека внатрешниот дел на водачот носи помалку ток отколку надворешниот дел, што доведува до зголемена ефективна отпорност на водачот.

Ефектот на кожата го намалува ефективната прекрсна површина на водачот достапна за проток на ток, што ги зголемува губитоците на енергија и загревувањето на водачот. Ефектот на кожата исто така причинува промена во импедансата на преносната линија, што влијае на напонот и распределбата на токот дури и по линијата. Ефектот на кожата е поголем при повисоки фреквенции, поголеми дијаметри и пониски проводливости на водачите.

Ефектот на кожата не се појавува во постојан ток (DC) системи, бидејќи токот теке еднакво низ целата прекрсна површина на водачот. Меѓутоа, во AC системи, особено оние што работат на повисоки фреквенции како радио и микролучни системи, ефектот на кожата може да има значајни влијанија врз дизајнот и анализата на преносните линии и други компоненти.

Што предизвикува ефектот на кожата во преносните линии?

Ефектот на кожата е предизвикан од интеракцијата на магнетното поле генерирано од AC ток со самата водач. Како што е прикажано на сликата подолу, кога AC ток теке низ цилиндричен водач, тој креира магнетно поле околу и внатре во водачот. Смерта и величината на ова магнетно поле се менуваат според фреквенцијата и амплитудата на AC токот.

Според законот на Фарадеј за електромагнетна индукција, променливо магнетно поле индуцира електрично поле во водач. Овој електрични пол, во свој ред, индуцира противопоставен ток во водач, наречен вихрев ток. Вихревите токови циркулираат внатре во водачот и се противопоставуваат на изворниот AC ток.

Вихревите токови се појаки близу до језглото на водачот, каде што имаат повеќе магнетни flux поврзаности со изворниот AC ток. Затоа, тие креираат појако противопоставено електрично поле и намалуваат сетната густина на токот во језглото. Од друга страна, близу до површината на водачот, каде што има помалку магнетни flux поврзаности со изворниот AC ток, има слаби вихреви токови и посилно противопоставено електрично поле. Затоа, постои посилна сетна густина на токот на површината.

Овој феномен резултира во нееднаква распределба на ток над прекрсната површина на водачот, со повеќе ток теке близу до површината отколку близу до језглото. Ова се нарекува ефект на кожата во преносните линии.

Како да се квантификува ефектот на кожата во преносните линии?

Еден начин за квантифицирање на ефектот на кожата во преносните линии е да се користи параметар наречен длабочина на кожата или δ (делта). Длабочината на кожата е дефинирана како длабочина под површината на водачот каде што густината на токот опада до 1/e (око 37%) од неговата вредност на површината. Колку помала е длабочината на кожата, толку повисок е ефектот на кожата.

Длабочината на кожата зависи од неколку фактори, како:

• Фреквенцијата на AC токот: Повисока фреквенција значи побрза промена во магнетното поле и појаки вихреви токови. Затоа, длабочината на кожата опаѓа со зголемување на фреквенцијата.

• Проводливоста на водачот: Повисока проводливост значи нижата отпорност и лесен проток на вихреви токови. Затоа, длабочината на кожата опаѓа со зголемување на проводливоста.

• Пермеабилитетот на водачот: Повисок пермеабилитет значи повеќе магнетни flux поврзаности и појаки вихреви токови. Затоа, длабочината на кожата опаѓа со зголемување на пермеабилитетот.

• Формата на водачот: Различни форми имаат различни геометриски фактори што влијаат на распределбата на магнетното поле и вихревите токови. Затоа, длабочината на кожата варира со различни форми на водачите.

Формулата за пресметување на длабочината на кожата за цилиндричен водач со кругова прекрсна површина е:

каде што:

• δ е длабочината на кожата (во метри)

• ω е углова фреквенција на AC токот (во радијани по секунда)

• μ е пермеабилитетот на водачот (во хенрии по метар)

• σ е проводливоста на водачот (во сијмени по метар)

На пример, за меден водач со кругова прекрсна површина, кој работи на 10 МГц, длабочината на кожата е:

Ова значи дека само тен слој од 0.066 мм близу до површината на водачот носи најголемиот дел од токот на оваа фреквенција.

Како да се намали ефектот на кожата во преносните линии?

Ефектот на кожата може да предизвика неколку проблеми во преносните линии, како:

• Зголемени губитоци на енергија и загревување на водачот, што го намалува ефикасноста и надежноста на системот.

• Зголемена импеданса и пад на напонот на преносната линија, што влијае на качеството на сигналот и испораката на енергија.

• Зголемена електромагнетна интерференција и радијација од преносната линија, што може да влијае на блиски уреди и кола.

Затоа, е желателно да се намали ефектот на кожата во преносните линии колку што е можно. Неколку методи кои можат да се користат за намалување на ефектот на кожата се:

• Користење на водачи со повисока проводливост и пониска пермеабилитет, како медиум или сребро, наместо желе