Esta pregunta, tal como se escribió originalmente, suena un poco loca: originalmente me la planteó un colega como una broma. Soy un físico experimental de RMN. Con frecuencia quiero realizar experimentos físicos que en última instancia se reducen a medir pequeños voltajes de CA (~ µV) a aproximadamente 100-300 MHz, y extraer la corriente más pequeña posible. Hacemos esto con cavidades resonantes y conductores coaxiales de impedancia (50 Ω). Debido a que a veces queremos explotar nuestras muestras con un kW de RF, estos conductores a menudo son bastante "robustos": coaxiales de 10 mm de diámetro con conectores tipo N de alta calidad y una baja pérdida de inserción baja a la frecuencia de interés.
Sin embargo, creo que esta pregunta es de interés, por las razones que detallaré a continuación. La resistencia de CC de los conjuntos de conductores coaxiales modernos se mide con frecuencia en ~ 1 Ω / km, y puede descuidarse para los 2 m de cable que uso habitualmente. Sin embargo, a 300 MHz, el cable tiene una profundidad de revestimiento dada por
de unas cuatro micras. Si se supone que el centro de mi cable coaxial es un cable sólido (y, por lo tanto, descuida los efectos de proximidad), la resistencia de CA total es efectiva
donde D es el diámetro total del cable. Para mi sistema, esto es aproximadamente 0.2 Ω. Sin embargo, manteniendo todo lo demás constante, esta aproximación ingenua implica que sus pérdidas de CA se escalan como 1 / D, lo que implicaría que uno querría conductores lo más grandes posible.
Sin embargo, la discusión anterior descuida completamente el ruido. Entiendo que hay al menos tres fuentes principales de ruido que debo considerar: (1) ruido térmico (Johnson-Nyquist), inducido en el propio conductor y en los condensadores correspondientes en mi red, (2) ruido inducido por la radiación de RF en otras partes del universo, y (3) ruido de disparo y ruido 1 / f proveniente de fuentes fundamentales. No estoy seguro de cómo la interacción de estas tres fuentes (¡y cualquiera que me haya perdido!) Cambiará la conclusión alcanzada anteriormente.
En particular, la expresión para el voltaje de ruido Johnson esperado,
es esencialmente independiente de la masa del conductor, lo que ingenuamente encuentro bastante extraño: uno puede esperar que la masa térmica más grande de un material real brinde más oportunidades para (al menos transitoriamente) corrientes de ruido inducidas. Además, todo con lo que trabajo está protegido contra RF, pero no puedo evitar pensar que el blindaje (y el resto de la habitación) se irradiará como un cuerpo negro a 300 K ... y, por lo tanto, emitirá algo de RF de lo contrario. diseñado para detenerse.
En algún momento , mi intuición es que estos procesos de ruido conspirarían para hacer que cualquier aumento en el diámetro del conductor utilizado no tenga sentido o sea perjudicial. Ingenuamente, creo que esto claramente tiene que ser cierto, o los laboratorios se llenarían de cables absolutamente enormes para ser utilizados con experimentos sensibles. Estoy en lo cierto?
¿Cuál es el diámetro óptimo del conductor coaxial para usar cuando se transporta información que consiste en una diferencia de potencial de una pequeña magnitud v a una frecuencia de CA f? ¿Está todo tan dominado por las limitaciones del preamplificador (GaAs FET) que esta pregunta no tiene sentido?
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Respuestas:
Tienes mucha razón en todo lo que has mencionado. Un cable más grande tiene menores pérdidas.
La baja pérdida es importante en dos áreas.
1) ruido
La atenuación de un alimentador es lo que agrega el ruido Johnson correspondiente a su temperatura en la señal. Un alimentador de longitud casi cero tiene una atenuación cercana a cero y, por lo tanto, una cifra cercana a cero.
Hasta un metro o varios (dependiendo de la frecuencia), la figura de ruido de un cable típico tiende a estar dominada por la figura de ruido del amplificador de entrada que está utilizando, incluso cables de diámetro de lápiz (puede obtener cables muy delgados, sub- mm incluso, y en estos tienes que preocuparte por las longitudes de metro).
Para que las señales bajen de su techo al laboratorio, cualquier cable factible será tan con pérdidas, incluso inusualmente gruesas, que la solución es casi siempre un LNA en el techo, justo después de la antena.
Es por eso que tienden a no ver cables realmente gruesos en los laboratorios, no son necesarios para saltos cortos, no son suficientes para largos arrastres.
b) manejo de alta potencia
En una estación transmisora, tiendes a tener el amplificador en el edificio y la antena 'allá afuera' en alguna parte. Poniendo el amplificador 'ahí fuera', así por lo general no es una opción, así que aquí lo tienen cables de grasa, tal como grasa como sea posible teniendo en cuenta que tienen que permanecer TEM, sin moding. Eso significa <3,5 mm para 26 GHz, <350 mm para 260 MHz, etc.
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Para la mayoría de las personas que publican respuestas en esta pila en particular, la respuesta al tamaño óptimo del cable generalmente tiene mucho que ver con la economía, la vida útil, la facilidad de uso y demás. Cada problema individual tiene su propio conjunto de parámetros de definición, que a su vez se utilizarán para crear una especificación que se cumplirá o superará.
Este es un paso importante, porque la optimización prematura es un problema real. Puedo garantizar absolutamente varias cosas sobre el diseño electrónico que siempre son ciertas. Los cables de mayor diámetro experimentan menos desperdicio de calor debido a la conductividad mejorada, los voltajes más altos permiten que se transmita más potencia por unidad de corriente, y las baterías más grandes tienen más capacidad. Pero la solución realmente debe ajustarse al problema, por lo que con frecuencia se encontrará utilizando la especificación para elegir exactamente qué es aceptable para el problema particular que está teniendo en este momento.
Usted ha demostrado una comprensión más que adecuada de los problemas en cuestión, y humildemente afirmo que es probable que se adapte mejor a los detalles que yo en este momento. También parece estar involucrado en la investigación, en lugar del diseño. Siendo ese el caso, ofrecería este consejo: si comprende con firmeza los términos del ruido y cómo se ven afectados por el aumento de las temperaturas con el tiempo, decida un valor firme, distinto de cero, del ruido Johnson que sea actualmente aceptable para su trabajo, y diseñar alrededor de eso como una especificación. Establezca los tamaños y tipos de conductores y, si es necesario, considere el enfriamiento activo (siempre que, por supuesto, no interfiera o invalide su investigación).
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Si bien tienes los detalles correctos, creo que te has perdido el bosque por los árboles. Con cargas de 50 ohmios, no necesita preocuparse por las pérdidas en el cable debido a los efectos resistivos. al menos no para mediciones de RF.
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