مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایران
مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایرانعمق پوستی
عمق پوستی یکی از پایه ای ترین مفاهیم در مهندسی مایکروویو است، ولی در فرکانس های پایین نیز اثراتی دارد. اهمیت فرمول عمق پوستی در مهندسی مایکروویو همانند قانون نیوتون (F=ma) در فیزیک است.
در اینجا می خواهیم یکی از بهترین مطالب در ارتباط با عمق پوستی را ارائه دهیم که شامل تمامی مجموعه مقالات قابل جستجو و مرتبط در IEEE باشد، از این امر مطمئنم چون سرچ کردم!
راز و رمز عمق پوستی - یک داستان روزانه: مبحث عمق پوستی به خوبی درک نشده است، ولی امروز میخواهم این مبحث را اینجا و اکنون ببندم. هر زمانی که یک مهندس مایکروویو در یک باند فرکانسی جدید یا از یک فلز جدید در ساختار استفاده می کند، سوالاتی در ارتباط با تلفات RF در خطوط انتقال مطرح می شود. اغلب "متخصصان" این بحث را شروع کرده و به صورت زیر ادامه می دهند....
"هی مهندس، میزان بهره در طراحی جدید نامطلوب است، مشکل از کجاست؟ چیزی رو از طراحی قبلی عوض کردی؟"
"چیز کلی ای نه دکتر، فقط از یک فروشنده جدید مقداری فلز خریدیم که محصولات پاکستان را می فروخت. البته مشکل زبانی داشتیم، اصلا مطمئن نبودیم که مشخصات مورد نظر ما را متوجه شده اند یا خیر. مونتاژ کاران خیلی این فلز را دوست داشتند، آن ها می گفتند که آبکاری طلای آن همانند سنگ سخت است."
"وای خدای من، به نظر میرسه مشکل عمق پوستی داشته باشیم. ما فقط افراد مختلف رو استخدام می کنیم، هیچ چیز راجع به RF نمی دونیم. برو پیش سر مهندس، کسی که شغل فرکانس پایین باند ایکس را برای بیست سال گذشته داشته است!"
اندکی بعد هنگامی که سر مهندس حدود ساعت 10:30 صبح سر کار آمد.....
"وای خدای من، میشه به ما بگی که آیا ما با رمز و راز عمیق و عجیب عمق پوستی سر و کار داریم؟"
"بذار وقتی داری برام چایی می ریزی، بذار یکی از تجهیزاتت رو با چاقوی مایکروویوی خودم خراش دهم.... بله، مشکل اینجاست، آبکاری نیکل!"
"بله، ما اطلاع داشتیم که از جنس نیکل است ولی این مشکل را به سه بار آبکاری طلا حل کردیم!!. حدود 300 میکرون طلا روی نیکل را پوشانده است، باید تلفات خیلی کم باشد!"
" شما نمی فهمید، اصلا اهمیتی ندارد که در اینجا از انگشتر ازدواج .... طلای بیشتری داشته باشد! شما در وضعیت وخیمی هستی و آن طلا اکنون به دردت نمی خوره!"
مکالمه مشابهی بارها ممکن است در سراسر کشور بارها شنیده شود. و هزاران نفر-ساعت تلف خواهد شد. گاهی با آزمایشات و تست های گرانقیمت سعی می کنند که تاثیر عمق پوستی را بر روی آبکاری های متفاوت بسنجند و یا شعبده بازان الکترومغناطیسی تلاش می کنند تا تاثیر عمق پوستی را با نرم افزارهای تحلیل تمام موج مدل کنند. با خواندن این صفحه مسئله قلب شکن عمق پوستی دیگر باعث ایجاد ضرر مالی نخواهد شد.
عمق پوستی چیست؟ عمق پوستی معیار و اندازه ای است که نشان می دهد رسانایی الکتریکی تا چه عمقی از فلز وجود داشته و تابعی از فرکانس کاری است. در DC (فرکانس صفر) تمامی رسانا مورد استفاده قرار می گیرد. اهمیتی ندارد که ضخامت فلز چقدر است. اگر شما سطح مقطع یک سیم را دو برابر کنید، مقاومت DC در واحد طول نصف خواهد شد، همان طور که از قانون اهم انتظار داریم. در فرکانس های RF، رسانایی فلزات هر چه در عمق فلز پیش می رویم غیر خطی (در واقع نمایی منفی) است. به همین دلیل مقدار رسانایی دارای محدودیت خواهد بود. و افزایش ضخامت فلز به منظور کاهش تلفات، خرج بی فایده پول خواهد بود.
یکی از مباحثی که درک درستی از آن وجود ندارد این است که تصور می شود جریان RF بر روی تمامی سطوح رسانا حرکت می کند. جریان بر روی سحطی حرکت می کند که در مجاورت محیط انتشار امواج الکترومغناطیسی باشد. با توجه به شکل نشان داده شده در زیر، سطح مقطع یک مایکرواستریپ، جریان در سطح زیرین خط مایکرواستریپ ماکزیمم است. به همین دلیل است که اولین فلز برای رسانایی در مایکرواستریپ اهمیت دارد. لطفا توجه داشته باشید که در موجبرها خلاف این امر صادق است. در موجبرها جنس فلز زیرین اهمیتی ندارد، بلکه فلزی که آبکاری می شود مورد توجه است.
توجه داشته باشید که امواجی بالای خط مایکرواستریپ نیز وجود دارند، ولی شدت و چگالی اندکی دارند.
معادله عمق پوستی: معادله معروف عمق پوستی در زیر آورده شده است. توجه داشته باشید که عمق پوستی تابعی از سه متغیر فرکانس، رسانایی و گذردهی مغناطیسی است.
چه قبول داشته باشید چه نداشته باشید، رساناها با افزایش فرکانس نازکتر می شوند. بدون اینکه بر روی تلفات مدار تاثیری داشته باشند. زیرا عمق پوستی با افزایش فرکانس کاهش می یابد. بنابراین آبکاری 150 میکرواینچی بر روی آلومینیوم در باند ایکس را می توان با ضخامت نصف نیز استفاده کرد، بدون اینکه کارایی را کاهش دهد ولی در خرج کردن پول صرفه جویی می کند.
حساب کتاب سرانگشتی: همیشه ضخامت فلز را حداقل پنج برابر عمق پوستی در نظر بگیرید. با این کار 99% از اکترون ها با خوشحالی و به راحتی به انجام وظیفه ی خود می پردازند.
حساب کتاب سرانگشتی: هنگامی که از بردهایی با فلز مس 1OZ استفاده می کنید، نیازی ندارید که به عمق پوستی فکر کنید. زیرا ضخامت مس این بردها پنج برابر عمق پوستی برای فرکانس 330MHz است.
