Razumevanje efekta kože u prenosnim linijama

Prenosna linija je vodilj koji prenosi električnu energiju ili signale sa jedne tačke na drugu. Prenosne linije mogu biti izrađene od različitih materijala, oblika i veličina, zavisno od primene i rastojanja. Međutim, kada se prenosne linije koriste za izmjenjivanje struje (AC) sisteme, one mogu pokazati fenomen poznat kao efekat kože, što utiče na njihovu performansu i efikasnost.

Šta je efekat kože u prenosnim linijama?

Efekat kože se definiše kao tendencija AC struje da se neuniformno rasporedi preko preseka vodilja, tako da je gustina struje najveća blizu površine vodilja i eksponencijalno opada ka jezgru. To znači da unutrašnji deo vodilja prenosi manju struju od spoljnog dela, što rezultira povećanim efektivnim otporom vodilja.

Efekat kože smanjuje efektivnu površinu preseka vodilja dostupnu za protok struje, što povećava gubitke snage i zagrevanje vodilja. Efekat kože takođe uzrokuje promenu impedancije prenosne linije, što utiče na napon i raspodelu struje duž linije. Efekat kože je izraženiji na višim frekvencijama, većim prečnicima i nižim provodnosti vodilja.

Efekat kože ne nastupa u direktnim strujama (DC) sistemima, jer se struja uniformno širi kroz presek vodilja. Međutim, u AC sistemima, posebno onima koji operiraju na visokim frekvencijama, poput radio i mikrovalnih sistema, efekat kože može imati značajne uticaje na dizajn i analizu prenosnih linija i drugih komponenti.

Šta uzrokuje efekat kože u prenosnim linijama?

Efekat kože je rezultat interakcije magnetskog polja generisanog od strane AC struje sa samim vodiljem. Kao što je prikazano na slici ispod, kada AC struja teče kroz cilindrični vodilj, stvara magnetsko polje oko i unutar vodilja. Smer i intenzitet ovog magnetskog polja menjaju se u skladu sa frekvencijom i amplitudom AC struje.

Prema Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije, menjajuće se magnetsko polje indukuje električno polje u vodilju. Ovo električno polje, na svoj red, indukuje suprotnu struju u vodilju, poznatu kao edvijska struja. Edvijske struje cirkuliraju unutar vodilja i suprotstavljaju originalnoj AC struji.

Edvijske struje su jače blizu jezgra vodilja, gde imaju više magnetskih fluksova vezanih sa originalnom AC strujom. Stoga, stvaraju veće suprotne električno polje i smanjuju neto gustinu struje u jezgru. S druge strane, blizu površine vodilja, gde postoji manje magnetskih fluksova vezanih sa originalnom AC strujom, postoje slabejše edvijske struje i niže suprotne električno polje. Stoga, postoji veća neto gustina struje na površini.

Ovaj fenomen rezultira neuniformnim raspodelom struje preko preseka vodilja, sa većom strujom koja teče blizu površine nego blizu jezgra. Ovo je poznato kao efekat kože u prenosnim linijama.

Kako kvantifikovati efekat kože u prenosnim linijama?

Jedan način da se kvantifikuje efekat kože u prenosnim linijama jeste korišćenje parametra poznatog kao dubina kože ili δ (delta). Dubina kože se definiše kao dubina ispod površine vodilja gde se gustina struje smanji na 1/e (oko 37%) njene vrednosti na površini. Što je manja dubina kože, to je oštriji efekat kože.

Dubina kože zavisi od nekoliko faktora, kao što su:

• Frekvencija AC struje: Viša frekvencija znači brže promene magnetskog polja i jače edvijske struje. Stoga, dubina kože smanjuje kako frekvencija raste.

• Provodnost vodilja: Viša provodnost znači niži otpor i lakši protok edvijskih struja. Stoga, dubina kože smanjuje kako provodnost raste.

• Permeabilnost vodilja: Viša permeabilnost znači više magnetskih fluksova vezanih i jače edvijske struje. Stoga, dubina kože smanjuje kako permeabilnost raste.

• Oblik vodilja: Različiti oblici imaju različite geometrijske faktore koji utiču na raspodelu magnetskog polja i edvijske struje. Stoga, dubina kože varira sa različitim oblicima vodilja.

Formula za izračunavanje dubine kože za cilindrični vodilj sa kružnim presekom je:

gde je:

• δ je dubina kože (u metrima)

• ω je kutna frekvencija AC struje (u radijanima po sekundi)

• μ je permeabilnost vodilja (u henrijevima po metru)

• σ je provodnost vodilja (u siemensima po metru)

Na primer, za bakarni vodilj sa kružnim presekom, koji radi na 10 MHz, dubina kože je:

To znači da samo tanki sloj od 0,066 mm blizu površine vodilja prenosi većinu struje na toj frekvenciji.

Kako smanjiti efekte kože u prenosnim linijama?

Efekti kože mogu uzrokovati nekoliko problema u prenosnim linijama, kao što su:

• Povećani gubici snage i zagrevanje vodilja, što smanjuje efikasnost i pouzdanost sistema.

• Povećana impedanca i pad napona prenosne linije, što utiče na kvalitet signala i prenos snage.

• Povećana elektromagnetna interferencija i zračenje prenosne linije, što može uticati na okolne uređaje i krugove.

Stoga je željeno smanjiti efekat kože u prenosnim linijama koliko god je moguće. Neke od metoda koje se mogu koristiti da smanje efekte kože su:

• Korišćenje vodilja sa višom provodnošću i nižom permeabilnošću, poput bakra ili srebra, umesto čelika ili čelika.

• Korišćenje vodilja sa manjim prečnicima ili površinama preseka smanjuje razliku između gustine struje na površini i u jezgru.

• Korišćenje straženih ili pleštenih vodilja umesto čvrstih vodilja povećava efektivnu površinu vodilja i smanjuje edvijske struje. Poseban tip straženog vodilja poznat kao litz žica je dizajniran da minimizuje efekat kože savijanjem konopaca na način da svaki konopac zauzima različite pozicije u preseku tokom dužine.

• Korišćenje praznih ili cevasti