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趋肤效应、电流密度和电磁场
趋肤效应、电流密度和电磁场
一个关于集肤效应的重要误解，即电流密度集中的地方，以及传输线周围的电磁场。虽然这当然不是一个常见问题，但我仍然认为这是一个值得讨论的有益物理情况，因为它说明了围绕传输线中的集肤效应和电流密度的基本物理。因此，在本文中，我们将研究承载信号的传输线周围的电场，以及集肤效应如何影响它。您可能已经在互联网上看到过传输线周围的电场线图像。这些图像是正确的，但我会更进一步，解释为什么它们在电流密度和趋肤效应方面很重要。
传输线周围的电场线和磁场线
在其接地平面上方的传输线周围绘制电场线非常容易。如果您在Google上查找，您可能会发现许多显示PCB中传输线周围的电场和磁场分量的图像。下图显示了围绕迹线和地平面上方的这些场线的草图。
微带周围的电场线和磁场线。
需要注意的重要一点是，电场线从迹线上的所有表面沿法线方向发出。然后它们终止于地平面，也沿着法线方向，即垂直于地平面。场线从表面上存在非零电荷的迹线开始，它们在接地平面上产生相等且相反的镜像电荷。这是关于电磁边界条件的基本结果，这可以从麦克斯韦方程组，特别是高斯定律中得到证实。
现在回到这个问题，附近的地面如何影响电流密度，从而影响沿传输线长度的集肤效应？所提出的问题似乎暗示趋肤效应仅发生在迹线的底面，并且电流密度只会在那里经历粗糙度。换句话说，错误的画面是接地层将电流密度“拉”到了走线的底面。
这看起来如下图所示，其中迹线底部的红色区域表示集肤效应电流。接下来，如果您假设走线就像一个理想电容器，电场线将仅集中在走线的底面和接地层之间。
该图像显示了电流密度集中在导体（微带线）周围的位置以及由此产生的电场线的错误描述。
上图不正确。虽然附近导体（接地和浮动）的存在确实会改变电磁场的空间分布，从而改变导体上的电流分布，但电磁场不会突然集中在走线和平面之间，因为存在趋肤效应。事实上，趋肤效应总是存在的，它只是由趋肤效应产生的附加阻抗程度的问题。
田野到底发生了什么？
不管集肤效应如何，电磁场在传输线周围仍然保持相同的分布。沿迹线表面的电流密度始终相同。表面以下的电流浓度决定了由趋肤效应产生的附加阻抗的大小。显然，这随频率而变化，其中更高的频率会导致更大的电流集中在导体表面下方。换句话说，体积电流密度增加，但表面电流保持不变，并且在所有频率下具有相同的空间分布。
即使集肤效应开始改变电流密度并将其集中在迹线的边缘，电场线（以及磁场线）仍然存在于迹线周围。
我们怎么知道上面的图像是正确的？我们可以通过反驳上面显示的不正确的电流密度图像来证实这一点。如上所示，传输线周围的电场分布产生了一些从传输线理论已知的重要结果，特别是将传输线的阻抗作为频率的函数。
边缘电容
如果场完全集中在走线的底面，那么就没有边缘电容了，一旦出现趋肤效应，传输线的分布电容就会突然下降3.5到4倍。电场线一直绕过走线并终止于附近的接地层这一事实告诉我们，一定存在边缘电容。但是，趋肤效应对走线的分布电容没有影响，因此边缘电容不受趋肤效应电流的影响。
非 TEM 传播
如果开关电场被限制在走线和接地平面之间，则磁场将在电场线周围产生。换句话说，我们将有横向电(TE)模式传播。即使在频率不足以激发传输线结构中的非 TEM 模式时，也会发生这种情况。因为我们知道发生趋肤效应不需要非 TEM 模式，所以应该清楚的是，场应该存在于迹线周围的其他地方，而不是迹线与其参考平面之间。
电感和电阻阻抗
如果由于趋肤效应引起的阻抗变化是由于电容减小，那么互连的阻抗谱不会有任何额外的电阻。这不是在实际实验中观察到的，其中测量显示传输线阻抗的电感和电阻部分增加。此外，更大的铜粗糙度会导致更大的电阻增加，正如您预期的那样，趋肤效应仅限于迹线横截面积的较小区域。
上面的讨论应该说明为什么理解电磁场的基础知识如此重要，以及它与真实介质中电荷/电流的行为有何关系。上述几点是根据微带传输线讨论的，但同样的想法也适用于带状线或共面配置。通过更好地了解电场及其在传输线周围的位置，更容易发现诸如寄生效应等导致噪声耦合、辐射发射和从外部源接收EMI的问题。