原创 特性阻抗和频率有关吗？

    难得半日清闲，留一篇随笔，与各位网友共享。

    当我们提到特性阻抗的时候，通常很少考虑它与频率的关系。其原因在于，特性阻抗是传输线的一个相当稳定的属性，主要和传输线的结构也就是横截面的形状有关。从工程的角度来说，把特性阻抗作为一个恒定量是合理的。说实话，搞了这么长时间的SI设计，还没碰到需要考虑特性阻抗变化的情况。


    既然有网友一定要考虑这个问题，今天我们就稍稍深入一下，看看特性阻抗的真实面目。虽然没有太大的工程应用价值，但是对于理解问题还是有好处的。


特性阻抗是从理论上分析传输线时经常提到的一个量，从传输线的角度来说，它可以用下面的公式表示

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Z0 =   /    L

         /   ------

     ^/      C


L表示传输线的单位长度电感，C为单位长度电容。乍一看，似乎公式中没有任何变化的量。但是特性阻抗真的是个恒定的量吗？我们使用Polar软件对横截面固定的传输线进行扫频计算，频率范围定在100MHz~10GHz，来看看场求解器给出的结果，如下图：

    你可能感到惊讶，特性阻抗随着频率的升高变小了，why？阻抗公式中那个量发生了变化？


    其实这涉及到电磁学方面的一个深层次的问题。罪魁祸首是电感！！电感问题是个很复杂的问题，对电感的理论计算很繁琐，有兴趣的网友可以找资料看看电感的计算，详细的推导过程我就不在这里写了。简单的说，导线的电感由两部分组成：导线的内部电感和导线的外部电感。当频率升高时，导线的内部电感减小，外部电感不变，总电感减小，因而导致了特性阻抗减小。


我们知道，电感的定义是指围绕在电流周围的磁力线匝数。电感随频率减小，直觉告诉我们一定是导线中电流分布发生了变化。到这里我想各位网友应该豁然开朗了。趋肤效应（skin effect）你一定不会陌生。看看下面的这张图你会有更直观的感受，这是用二维场求解器仿真出来的高频时导体中电流的分布。黄色部分是电流所在位置。'