Utilización del efecto piel para intra

El efecto piel es un término que describe la tendencia de la densidad de corriente de las corrientes de alta radiofrecuencia a “aglomerarse” hacia las capas superficiales (límites de la superficie) de un material conductor. El grado en que se forma la densidad de corriente hacia la superficie se relaciona con la profundidad de la corriente de radiofrecuencia primaria debajo de la superficie, de ahí el término profundidad de la piel.

Para aplicaciones de corriente continua (CC) y corriente alterna (CA) de baja frecuencia (por ejemplo, por debajo de un megahercio, donde las profundidades de la piel suelen ser valores dimensionales más grandes), la sección transversal de la mayoría de los conductores estará completamente involucrada en la transferencia de corriente. Esta participación total provoca una densidad uniforme de distribución de corriente en toda la sección transversal del conductor.

Figura 1

Cada vez más a frecuencias más altas, la presencia (y ubicación) del flujo magnético afecta la distribución de la densidad de corriente a través de la sección transversal del conductor (Figura 2).

Figura 2

Para descripciones prácticas, la combinación de las características del material, la frecuencia (que en combinación determina la profundidad de la piel) y la distribución del patrón de flujo determinarán la redistribución de la densidad de corriente en toda la sección transversal. La distribución del patrón de flujo que circunscribe al conductor es la influencia motivadora para dirigir las alteraciones aplicadas a la densidad de corriente.

figura 3

Dado que el factor motivador de la densidad de corriente es la forma y la presencia formativa del flujo a alta frecuencia, la dirección de la distribución de la densidad de corriente en la sección transversal de un conductor se verá alterada por la ubicación del flujo. En la Figura 4, la densidad de flujo se forma intensamente en el límite entre dos conductores que transportan la corriente (y forman el flujo) en una relación de fase opuesta. Debido a la interrelación del flujo con la distribución de la densidad de corriente a altas frecuencias, esto sugiere que las densidades de corriente en los dos conductores se “amontonarán” en las dos superficies específicas mutuamente opuestas que corresponden a la distribución de la densidad de flujo.

Figura 4

El examen del efecto y la influencia ilustrados anteriormente sugiere que en placas de circuitos multicapa, la disposición de las capas planas que propagan corrientes de alta frecuencia en direcciones opuestas puede ser eficaz para establecer la partición de los efectos de acoplamiento de modo común dentro del eje Z. Esta proyección supone que existe un número suficiente de profundidades de piel que están activamente disponibles dentro de cada capa plana en los espectros de frecuencia de interés.

Para enfatizar la formación del efecto de piel, cuanto mayor es la frecuencia, menor es la profundidad de la piel, y cuanto más conductor y/o más permeable sea el material (a mayor frecuencia), menor es la profundidad de la piel. Dada esta observación, en términos del efecto de piel, las profundidades de piel más pequeñas ocurren con la mayoría de los materiales conductores con mayor permeabilidad (asumiendo que la permeabilidad es evidente como una característica del material a alta frecuencia) y con las frecuencias más altas.

Figura 5

Para ilustrar el alcance del efecto de la piel, la Figura 6 describe el porcentaje de captura de corriente hacia la superficie, que se expresa como un porcentaje de la densidad de corriente en relación con las profundidades de la piel. La conclusión a la que se llegó es que se requieren 5 profundidades de piel para capturar aproximadamente el 99 por ciento de la densidad de corriente.

Figura 6

Figura 7

La importancia del efecto superficial como beneficio característico a frecuencias más altas hacia las particiones intraplanas (dentro del eje Z de una placa de circuito) se puede reconocer revisando la profundidad de la piel del cobre recocido en la tabulación que se muestra en la Figura 8.

Figura 8

Entendiendo que un peso de cobre en el plano de una placa de circuito de una onza representa un espesor de aproximadamente 1,4 mils, se observa que en distribuciones de frecuencia espectral más altas, los planos dentro de las placas de circuito pueden utilizarse para señales, categorías de señales y potencia. partición dentro de las placas de circuito.

Los parámetros dentro de un conductor que funcionan para influir en la profundidad de la piel incluyen los valores de conductividad relativa y permeabilidad magnética relativa. Estos son también los parámetros que es importante considerar en términos de rendimiento del blindaje. En términos prácticos, la mayoría de los enfoques hacia el blindaje relacionan la conductividad del material como un valor relativo al cobre. El valor de la permeabilidad magnética es relativo a la permeabilidad del espacio libre.

Como referencia, la conductividad del cobre recocido se da como símbolo σ, donde

σ = 5,82 × 107 mos/metros para cobre

con los valores relativos de otros metales asignados al símbolo σr.

σr es un valor numérico que resulta de aplicar el factor indicado por el designado para σr al valor de la referencia, σ.

La permeabilidad del espacio libre recibe el símbolo μ donde

μ = 4π × 10-7 Henrys/metro para espacio libre

con los valores relativos de otros materiales asignados al símbolo μr.

μr es un valor numérico que resulta de aplicar el factor indicado por el designado para μr al valor de referencia, μ.

El cobre y muchos otros materiales razonablemente conductores, como el aluminio, el berilio, el latón, el bronce, el oro, el platino, la plata, el estaño o el zinc, varían en conductividad entre sí. Sin embargo, se entiende que estos materiales enumerados poseen mutuamente una permeabilidad magnética que es igual a la permeabilidad exhibida en el espacio [μr = μ]. En consecuencia, para estos materiales, la profundidad de la piel variará sólo en función de la conductividad, siendo los materiales de mayor conductividad los que producirán profundidades de piel más pequeñas. Para materiales que exhiben valores de permeabilidad mayores que el espacio libre, la profundidad de la piel también se verá influenciada. Dado que una característica de la permeabilidad incluye una mayor eficiencia en la propagación de la densidad de flujo y dado que la densidad de flujo está involucrada en reunir la densidad de corriente hacia la superficie de los conductores, los materiales con mayor permeabilidad y conductividad razonable exhibirán dimensiones más pequeñas de profundidad de la piel en comparación con aquellos donde μr = μ. ¡Esta observación, sin embargo, no es uniformemente correcta! En frecuencias más altas, por encima de, por ejemplo, 5 GHz, muchos metales ferrosos exhiben una permeabilidad relativa de sólo 1, aunque en frecuencias más bajas el valor puede ser 1000. En este ejemplo, el parámetro predominante que controla la profundidad de la piel sería el de la conductividad. Si la característica de conductividad relativa del material muestra una resistencia mayor que la del valor de referencia del cobre recocido, entonces en el ancho de banda de microondas la profundidad de la piel del metal ferroso podría ser mayor. Estas delineaciones son específicas de cada configuración de aleación.

Por ejemplo, los aceros típicos (asumiendo μr = μ × 1000) que pueden utilizarse para el empaquetamiento de productos del sistema pueden exhibir profundidades de revestimiento que son un factor dimensional de 5 a 10 menos que las del cobre recocido, pero solo a frecuencias más bajas. Sin embargo, debido a que la conductividad de diversas composiciones de “aceros” puede variar con el contenido de carbono y las densidades moleculares generales, no se anticiparía que las profundidades de la capa de una categoría de acero a otra fueran iguales entre las aleaciones. Los aceros inoxidables, en particular los de tipo austenítico, pueden alearse hasta el punto de ser esencialmente no magnéticos, a pesar del nombre acero. Los aceros inoxidables austeníticos suelen tener altos contenidos de cromo y níquel dentro de la aleación. Ambos componentes exhiben un valor de μr = μ y pueden comprender aproximadamente el 30% de la aleación de acero, lo que sugiere que el valor total de la permeabilidad relativa puede ser la mitad del valor de los aceros laminados en frío. Dado que la base de los aceros inoxidables suele estar formada con acero con bajo contenido de carbono, la conductividad también se ve comprometida. En general, se observa que el valor de conductividad relativa informado para los aceros inoxidables es (σr) de solo 0,02 × σ. [1] En consecuencia, los valores sugieren que debido a la combinación de baja permeabilidad relativa y baja conductividad relativa, las aleaciones de acero inoxidable producen capas superficiales comparativamente ineficientes (por ejemplo, profundas) como escudos. Los bajos valores de conductividad proporcionados por las aleaciones de acero inoxidable también implican que el rendimiento de protección contra las pérdidas por reflexión también es comparativamente limitado.

El valor de la profundidad de la piel viene dado por

(en metros ya que los valores de r y r se expresan en relación a metros)

donde, ω = 2π f donde f está en Hertz. [2]

Referencias

W. Michael Rey es un asesor de diseño de sistemas que ha participado activamente en el desarrollo de más de 1000 diseños de sistemas y productos en una carrera de 50 años. Sirve a una base de clientes internacionales como asesor de diseño independiente. Muchos de los términos utilizados para el diseño de la placa de PC, como la “regla de las 3 W”, la “regla de corte del plano V” y “nulos de costura del suelo”, fueron creados por él mismo. Su biografía completa puede consultarse a través de su sitio web: www.SystemsEMC.com. Cabe destacar que es el autor de EMCT: High Speed ​​Design Tutorial (ISBN 0-7381-3340-X), que es la fuente de algunos de los gráficos utilizados en esta presentación. EMCT está disponible a través de Elliott Laboratories/NTS, de marca compartida con IEEE Standards Information Network.

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