Czy rozsądne jest zawsze stosowanie przewodów o większej średnicy do przenoszenia mniejszych sygnałów?

To pierwotnie napisane pytanie brzmi trochę szalone: ​​pierwotnie zadał mi je kolega jako żart. Jestem eksperymentalnym fizykiem NMR. Często chcę przeprowadzać eksperymenty fizyczne, które ostatecznie sprowadzają się do pomiaru małych napięć prądu przemiennego (~ µV) przy około 100–300 MHz i pobierają możliwie najmniejszy prąd. Robimy to z wnękami rezonansowymi i przewodami koncentrycznymi dopasowanymi impedancją (50 Ω). Ponieważ czasami chcemy wysadzić nasze próbki za pomocą kW RF, przewodniki te są często dość „mocne” - koncentryczne o średnicy 10 mm z wysokiej jakości złączami typu N i niską niską stratą wtrąceniową przy częstotliwości, o której mowa.

Myślę jednak, że to pytanie jest interesujące z powodów, które przedstawię poniżej. Rezystancja prądu stałego nowoczesnych zespołów przewodów koncentrycznych jest często mierzona w ~ 1 Ω / km i może być pomijana w przypadku 2 m kabla, którego zwykle używam. Przy 300 MHz kabel ma jednak głębokość skóry podaną przez

około czterech mikronów. Jeśli przyjmie się, że środek mojego przewodu koncentrycznego jest drutem pełnym (a zatem zaniedbuje efekty zbliżeniowe), całkowita rezystancja prądu przemiennego jest efektywna

gdzie D jest całkowitą średnicą kabla. W moim systemie jest to około 0,2 Ω. Jednak utrzymując wszystko inne na stałym poziomie, to naiwne przybliżenie implikuje, że twoje straty prądu przemiennego są skalowane jako 1 / D, co zwykle sugeruje, że chciałoby się, aby przewodniki były tak duże, jak to możliwe.

Jednak powyższa dyskusja całkowicie pomija hałas. Rozumiem, że istnieją co najmniej trzy główne źródła hałasu, które powinienem wziąć pod uwagę: (1) szum termiczny (Johnson-Nyquist), indukowany w samym przewodniku i w dopasowanych kondensatorach w mojej sieci, (2) szum indukowany pochodzący z promieniowania RF gdzie indziej we wszechświecie oraz (3) hałas wystrzeliwany i hałas 1 / f pochodzący ze źródeł podstawowych. Nie jestem pewien, w jaki sposób interakcja tych trzech źródeł (i tych, których mogłem przegapić!) Zmieni wniosek wyciągnięty powyżej.

W szczególności wyrażenie dotyczące oczekiwanego napięcia szumu Johnsona,

jest zasadniczo niezależny od masy przewodnika, co naiwnie uważam za raczej dziwne - można oczekiwać, że większa masa termiczna prawdziwego materiału zapewni więcej możliwości (przynajmniej przejściowo) indukowanych prądów szumowych. Ponadto wszystko, z czym pracuję, jest ekranowane za pomocą fal radiowych, ale nie mogę nie myśleć, że ekranowanie (i reszta pokoju) będzie promieniować jak czarne ciało przy 300 K ... i dlatego emituje część fal radiowych, że inaczej zaprojektowany, aby zatrzymać.

W pewnym momencie mam przeczucie, że te procesy szumowe spowodowałyby spisek, aby jakikolwiek wzrost średnicy zastosowanego przewodnika był bezcelowy lub wręcz szkodliwy. Naiwnie uważam, że to musi być prawda, w przeciwnym razie laboratoria byłyby wypełnione absolutnie ogromnymi kablami, które mogłyby być użyte w wrażliwych eksperymentach. Czy mam rację?

Co jest optymalny koncentryczny przewód o średnicy do wykorzystania podczas przenoszenia informacji składający się z ewentualnej różnicy jakiejś małej wielkości V przy częstotliwości f AC? Czy wszystko jest tak zdominowane przez ograniczenia przedwzmacniacza (GaAs FET), że to pytanie jest całkowicie bezcelowe?

Masz zasadniczo rację we wszystkim, o czym wspomniałeś. Większy kabel ma mniejsze straty.

Mała strata jest ważna w dwóch obszarach

1) Hałas

Tłumienie podajnika dodaje szum sygnału Johnsona odpowiadający jego temperaturze do sygnału. Podajnik o długości bliskiej zeru ma tłumienie bliskie zeru, a więc prawie zerowy poziom szumu.

Aż do metra lub kilku (w zależności od częstotliwości) liczba szumów typowego kabla jest zdominowana przez liczbę szumów wzmacniacza wejściowego, którego używasz, nawet kable o średnicy ołówka (można uzyskać naprawdę cienkie kable, sub- mm nawet, i w tych trzeba martwić się o długości metrów).

Aby uzyskać sygnały z dachu do laboratorium, każdy wykonalny kabel będzie tak stratny, nawet niezwykle gruby, że rozwiązaniem jest prawie zawsze LNA na dachu, tuż za anteną.

Dlatego raczej nie widzą naprawdę grubych kabli w laboratoriach, nie są one potrzebne do krótkich przeskoków, nie są wystarczające do długich przeciągów.

b) Obsługa dużej mocy

W stacji nadawczej masz zwykle wzmacniacz w budynku, a antena gdzieś tam. Umieszczenie wzmacniacz „tam”, a zwykle nie jest opcją, więc tu masz zrobić mieć kable tłuszczu, a tłuszcz jak to możliwe, biorąc pod uwagę, że mają pozostać TEM, bez Moding. Oznacza to <3,5 mm dla 26 GHz, <350 mm dla 260 MHz itp.

$\Omega$$\Omega$

Dla większości osób wysyłających odpowiedzi na ten konkretny stos, odpowiedź na optymalny rozmiar kabla ma na ogół wiele wspólnego z ekonomią, żywotnością, łatwością użycia i tym podobne. Każdy problem ma swój własny zestaw parametrów definiujących, które z kolei zostaną wykorzystane do stworzenia specyfikacji, która zostanie spełniona lub przekroczona.

Jest to ważny krok do podjęcia, ponieważ przedwczesna optymalizacja jest prawdziwym problemem. Absolutnie mogę zagwarantować kilka rzeczy dotyczących projektowania elektronicznego, które zawsze są prawdziwe. Kable o większej średnicy mają mniej strat ciepła ze względu na lepszą przewodność, wyższe napięcia umożliwiają przesyłanie większej mocy na jednostkę prądu, a większe akumulatory mają większą pojemność. Ale rozwiązanie musi faktycznie pasować do problemu, więc często używasz specyfikacji, aby wybrać dokładnie to, co jest dopuszczalne dla konkretnego problemu, który masz w tej chwili.

Wykazywałeś więcej niż wystarczające zrozumienie omawianych problemów i pokornie twierdzę, że prawdopodobnie lepiej nadajesz się do szczegółów niż obecnie. Wydaje się, że zajmujesz się badaniami, a nie projektowaniem. W takim razie doradziłbym tę radę - mając dogłębne zrozumienie warunków hałasu i ich wpływu na rosnące temperatury w czasie, zdecyduj o niezerowej wartości hałasu Johnsona, która jest obecnie akceptowalna dla twojej pracy, i zaprojektować wokół tego jako specyfikację. Ustaw rozmiary i typy przewodów, a jeśli to konieczne, rozważ aktywne chłodzenie (pod warunkiem, że nie zakłóci to lub nie unieważni twoich badań).

Chociaż masz poprawne dane, myślę, że tęskniłeś za lasem za drzewami. Przy obciążeniu 50 omów nie musisz martwić się stratami w kablu spowodowanymi efektami rezystancyjnymi. przynajmniej nie do pomiarów RF.