Разумно ли всегда использовать проводники большего диаметра для передачи сигналов меньшего размера?

Этот вопрос, как первоначально написано, звучит немного безумно: он был задан мне коллегой в шутку. Я экспериментальный физик ЯМР. Я часто хочу проводить физические эксперименты, которые в конечном итоге сводятся к измерению малых напряжений переменного тока (~ мкВ) на частоте около 100-300 МГц и измерению наименьшего возможного тока. Мы делаем это с помощью резонансных полостей и согласованных по сопротивлению (50 Ом) коаксиальных проводников. Поскольку мы иногда хотим взорвать наши образцы с помощью радиочастотного сигнала кВт, эти проводники часто являются довольно «мощными» - коаксиальный кабель диаметром 10 мм с высококачественными разъемами N-типа и низкими низкими вносимыми потерями на интересующей частоте.

Однако я думаю, что этот вопрос представляет интерес по причинам, которые я изложу ниже. Сопротивление постоянному току современных сборок коаксиальных проводников часто измеряется в ~ 1 Ом / км, и им можно пренебречь для 2 м кабеля, который я обычно использую. Однако при частоте 300 МГц глубина проникновения кабеля определяется

около четырех микрон. Если предположить, что центр моего коаксиала сплошной провод (и, следовательно, пренебрегает эффектами близости), общее сопротивление переменного тока эффективно

где D - общий диаметр кабеля. Для моей системы это около 0,2 Ом. Однако, оставляя все остальное постоянным, это наивное приближение подразумевает, что ваши потери на переменном токе масштабируются как 1 / D, что может означать, что вы хотите, чтобы проводники были максимально большими.

Однако вышеприведенное обсуждение полностью игнорирует шум. Я понимаю, что есть по крайней мере три основных источника шума, которые я должен рассмотреть: (1) тепловой (Джонсон-Найквистский) шум, индуцированный в самом проводнике и в согласующих конденсаторах в моей сети, (2) индуцированный шум, возникающий от радиочастотного излучения в других местах вселенной и (3) дробовой шум и шум 1 / f, возникающий из основных источников. Я не уверен, как взаимодействие этих трех источников (и любых, которые я мог пропустить!) Изменит вывод, сделанный выше.

В частности, выражение для ожидаемого напряжения шума Джонсона,

по существу не зависит от массы проводника, что я наивно нахожу довольно странным - можно ожидать, что большая тепловая масса реального материала предоставит больше возможностей для (по крайней мере, кратковременных) индуцированных шумовых токов. Кроме того, все, с чем я работаю, это радиочастотное экранирование, но я не могу не думать, что экранирование (и остальная часть комнаты) будет излучать как черное тело при 300 К ... и, следовательно, излучать некоторые радиочастоты, что в противном случае предназначен для остановки.

В какой-то момент мое интуитивное чувство состоит в том, что эти шумовые процессы могут привести к тому, что любое увеличение диаметра используемого проводника будет бессмысленным или вредным. Наивно, я думаю, что это должно быть правдой, иначе лаборатории будут заполнены абсолютно огромными кабелями, которые будут использоваться в чувствительных экспериментах. Я прав?

Что это оптимальный коаксиальный диаметр проводника использовать при переноске информации , состоящей из разности потенциалов некоторой малой величины V на частоту F AC? Все ли настолько ограничено ограничением предусилителя (GaAs FET), что этот вопрос совершенно бессмыслен?

Вы в основном правы во всем, что вы упомянули. Большой кабель имеет меньшие потери.

Низкие потери важны в двух областях

1) Шум

Затухание фидера - это то, что добавляет шум Джонсона, соответствующий его температуре, в сигнал. Фидер почти нулевой длины имеет почти нулевое затухание и, следовательно, почти нулевой коэффициент шума.

До метра или нескольких (в зависимости от частоты) коэффициент шума типичного кабеля, как правило, зависит от коэффициента шума используемого вами входного усилителя, даже кабелей с диаметром карандаша (вы можете получить действительно тонкие кабели, мм, и в этом случае вам придется беспокоиться о длине метра).

Чтобы получить сигналы от вашей крыши в лабораторию, любой выполнимый кабель будет настолько потерянным, даже необычайно толстым, что решением почти всегда будет LNA на крыше, сразу после антенны.

Вот почему в лабораториях не видно действительно толстых кабелей, они не нужны для коротких прыжков, их недостаточно для длинных перетаскиваний.

б) Высокая мощность обработки

На передатчике вы, как правило, располагаете усилителем в здании, а антенна где-то там. Включение усилителя «там» , а также, как правило , не вариант, так что здесь вы делаете имеют толстые кабели, как жир , как это возможно при условии , что они должны оставаться ТЕМ, без Moding. Это означает <3,5 мм для 26 ГГц, <350 мм для 260 МГц и т. Д.

$\Omega$$\Omega$

Для большинства людей, публикующих ответы в этом конкретном стеке, ответ на вопрос об оптимальном размере кабеля, как правило, имеет много общего с экономичностью, сроком службы, простотой использования и тому подобным. Каждая отдельная проблема имеет свой собственный набор определяющих параметров, которые, в свою очередь, будут использоваться для создания спецификации, которая будет соблюдена или превышена.

Это важный шаг, потому что преждевременная оптимизация является реальной проблемой. Я могу абсолютно гарантировать несколько вещей об электронном дизайне, которые всегда верны. В кабелях большего диаметра меньше тепловых потерь благодаря улучшенной проводимости, более высокие напряжения позволяют передавать больше энергии на единицу тока, а батареи большего размера имеют большую емкость. Но решение должно действительно соответствовать проблеме, поэтому часто вы используете спецификацию, чтобы выбрать именно то, что является приемлемым для конкретной проблемы, с которой вы столкнулись в данный момент.

Вы продемонстрировали более чем адекватное понимание рассматриваемых вопросов, и я смиренно заявляю, что вы, вероятно, лучше подходите к деталям, чем я в данный момент. Вы также, кажется, занимаетесь исследованиями, а не дизайном. В таком случае, я бы предложил этот совет - имея четкое представление об условиях шума и о том, как они влияют на повышение температуры с течением времени, определите твердое ненулевое значение шума Джонсона, которое в настоящее время приемлемо для вашей работы, и дизайн вокруг этого в качестве спецификации. Установите размеры и типы проводников и, при необходимости, подумайте об активном охлаждении (при условии, конечно, что это не мешает и не делает ваше исследование недействительным).

Хотя вы правы в своих данных, я думаю, что вы пропустили лес за деревьями. При нагрузках 50 Ом вам не нужно беспокоиться о потерях в кабеле из-за резистивных воздействий. по крайней мере, не для измерений RF.

Рассмотрим пример с разъемом N Эффективное сопротивление проводника даст падение напряжения примерно