Чи розумно завжди використовувати провідники більшого діаметру для перенесення менших сигналів?

16

Це запитання як спочатку написане звучить трохи шалено: його спочатку колега мені задав як жарт. Я експериментальний фізик ЯМР. Мені часто хочеться проводити фізичні експерименти, які в кінцевому підсумку зводяться до вимірювання невеликих напруг змінного струму (~ мкВ) приблизно на 100-300 МГц, і малюють найменший можливий струм. Це робимо з резонансними порожнинами та коаксіальними провідниками (50 Ом), що відповідають імпедансу. Оскільки ми іноді хочемо підірвати наші зразки з кВт КЧ, ці провідники часто бувають досить "вусатими" - коаксіатор діаметром 10 мм з якісними роз'ємами типу N та низькими низькими втратами на введення при частоті, що цікавить.

Однак я думаю, що це питання викликає інтерес із причин, які я викладу нижче. Опір постійного струму сучасних коаксіальних провідникових вузлів часто вимірюється в ~ 1 Ом / км, і його можна нехтувати 2-метровим кабелем. Однак на частоті 300 МГц кабель має глибину шкіри, задану

δ = \sqrt{\frac{2 ρ}{ω μ}}

$\delta=\sqrt{{2\rho }\over{\omega\mu}}$

близько чотирьох мікрон. Якщо припустити, що в центрі мого співавтора суцільний провід (і тому нехтує ефектами близькості), загальний опір змінного струму ефективно

R_{AC} \approx \frac{L ρ}{π D δ},

$R_\text{AC}\approx\frac{L\rho}{\pi D\delta},$

де D - загальний діаметр кабелю. Для моєї системи це приблизно 0,2 Ом. Однак, утримуючи все інше постійним, це наївне наближення означає, що ваші втрати змінного струму масштабуються як 1 / D, що, як правило, означає, що хочеться, щоб провідники були якомога більшими.

Однак вищезгадана дискусія повністю нехтує шумом. Я розумію, що є щонайменше три основні джерела шуму, які я повинен врахувати: (1) тепловий (Джонсон-Найкіст) шум, що індукується в самому провіднику та у відповідних конденсаторах моєї мережі, (2) індукований шум, що виникає від випромінювання ВЧ в інших місцях Всесвіту, і (3) шуму відстрілу та шуму 1 / f, що виникає з основних джерел. Я не впевнений, як взаємодія цих трьох джерел (і будь-якого я, можливо, пропустила!) Змінить висновок, досягнутий вище.

Зокрема, вираз для очікуваної шумової напруги Джонсона,

v_{n} = \sqrt{4 k_{B} T R Δ f},

$v_n=\sqrt{4 k_B T R \Delta f},$

по суті не залежить від маси провідника, яку я наївно вважаю досить дивною - можна очікувати, що більша теплова маса реального матеріалу дасть більше можливостей для (принаймні тимчасово) викликаних шумових струмів. Крім того, все, з чим я працюю, є екранованим радіочастотом, але я не можу не думати, що екранування (і решта приміщення) випромінюватиметься як чорне тіло на 300 К ... і тому випромінює деяку РФ, що це інакше призначений для зупинки.

У якийсь момент моє відчуття кишки полягає в тому, що ці шумові процеси змовляться зробити будь-яке збільшення діаметра використовуваного провідника безглуздим або вниз праворучним. Наївно, я думаю, що це явно повинно бути правдою, інакше лабораторії будуть наповнені абсолютно величезними кабелями, які використовуються при чутливих експериментах. Я правий?

Що це оптимальний коаксіальний діаметр провідника використовувати при перенесенні інформації , що складається з різниці потенціалів деякої малої величини V на частоту F AC? Чи все настільки переважає обмеження попереднього підсилювача (GaAs FET), що це питання цілком безглуздо?

— Ландак
джерело

2

Коефіцієнт викидів для порожніх металів в ІЧ-області дуже низький (ви можете використовувати його як дзеркало і вимірювати -40 ° C за допомогою ІЧ-термометра, вказуючи метал в небо), тому, можливо, це допомагає щодо випромінювання чорного тіла (і це близько 30 ТГц). Мені також цікаво, чи ефективно опікується тепловою масою, оскільки маса матиме вплив на опір, збільшення маси призведе до меншого опору, я ніколи не намагався обчислити це ... Важке питання (можливо, краще для Physics.SE?)

— Арсенал

Щодо LNA / попереднього підсилювача, так, я дозволяю хорошому підсилювачу низького шуму робити важкий підйом і компенсувати втрати, а значить, додатковий шум дуже мінімальний і розрахований на відсутність ніяких наслідків. Цікаве запитання

— johnnymopo

Цікаво також врахувати імпеданс, оскільки окружність дроту наближається до резонансного розміру - BIG на 300 МГц, але, відповідаючи духу питання,

— Johnnymopo

Що стосується випромінювання чорного тіла, то ізоляція кабелю, ймовірно (не підраховувала), пропускає набагато більше енергії при потужності кВт (60+ дБм). Дешевший кабель, можливо, 30 дБ і справді хороший, можливо, ізоляція 90 дБ.

— johnnymopo

3

Ви по суті правильні у всьому, що ви згадали. Більший кабель має менші втрати.

Низькі втрати важливі у двох сферах

1) Шум

Послаблення подачі - це те, що додає сигналу Джонсону шум, відповідний його температурі. Подача, що має майже нульову довжину, має майже нульове загасання і так близько нульового показника шуму.

До метра або декількох (залежно від частоти), у шумовій фігурі типового кабелю, як правило, переважає цифра шуму вхідного підсилювача, який ви використовуєте, навіть кабелі діаметром олівця (ви можете отримати дійсно тонкі кабелі, мм навіть, і в цих випадках вам доведеться турбуватися про довжину метра).

Щоб опустити сигнали зі свого даху в лабораторію, будь-який можливий кабель буде настільки втратним, навіть незвично товстим, що рішення майже завжди є МШП на даху, відразу після антени.

Ось чому, як правило, не бачити по-справжньому жирних кабелів у лабораторіях, вони не потрібні для коротких стрибків, вони недостатньо для тривалих перетяжок.

б) Потужність з високою потужністю

У передавальній станції, як правило, у вас є підсилювач, а антена - десь там. Поставити підсилювач "туди", як правило, не є варіантом, тому ось вам це зробити мають товсті кабелі, як жир , як це можливо за умови , що вони повинні залишатися ТИМ, без Moding. Це означає <3,5 мм для 26 ГГц, <350 мм для 260 МГц і т.д.

$\Omega$ $\Omega$

— Neil_UK
джерело

3

Для більшості людей, які публікують відповіді саме на цьому стеку, відповідь на оптимальний розмір кабелю, як правило, має багато спільного з економією, терміном служби, простотою використання та ін. Кожна окрема проблема має свій набір визначаючих параметрів, які, в свою чергу, будуть використовуватися для створення специфікації, яка буде задоволена або перевищена.

Це важливий крок, оскільки передчасна оптимізація - це справжня проблема. Я можу абсолютно гарантувати декілька речей щодо електронного дизайну, які завжди вірні. Кабелі більшого діаметру відчувають менше відходів тепла через покращену провідність, більш високі напруги дозволяють передавати більше енергії на одиничний струм, а більші акумулятори мають більшу ємність. Але рішення повинно насправді відповідати проблемі, тому часто ви опиняєтесь, використовуючи специфікацію, щоб вибрати саме те, що прийнятно для конкретної проблеми, яка виникає на даний момент.

Ви продемонстрували більш ніж адекватне розуміння існуючих питань, і я покірно стверджую, що ви, ймовірно, краще підходите до деталей, ніж я зараз. Ви також, здається, займаєтесь дослідженнями, а не дизайном. У цьому випадку я б запропонував цю пораду - чітко розуміючи умови шуму і як на них впливає підвищення температури в часі, визначитися з твердим, ненульовим значенням шуму Джонсона, яке прийнятно для вашої роботи, і розробити навколо цього як специфікацію. Встановіть розміри та типи провідників і, якщо необхідно, врахуйте активне охолодження (за умови, звичайно, що це не заважає або не може визначити вашим дослідженням).

— Шон Бодді
джерело

1

Хоча ви правильно в своїх деталях, я думаю, ви пропустили ліс за деревами. При навантаженні 50 Ом вам не потрібно турбуватися про втрати кабелю через резистивні ефекти. принаймні, не для вимірювань ВЧ.

Δ v = \frac{0.2}{50} = 0.4 %

$\Delta v = \frac{0.2}{50} = 0.4\text{%}$

— WhatRoughBeast
джерело