Daha küçük sinyalleri taşımak için her zaman daha büyük çaplı iletkenler kullanmak mantıklı mıdır?

16

Başlangıçta yazıldığı gibi bu soru biraz çılgınca geliyor: aslen bana bir meslektaşım tarafından şaka olarak soruldu. Deneysel bir NMR fizikçisiyim. Sıklıkla yaklaşık 100-300 MHz'de küçük AC voltajlarını (~ µV) ölçmek için kaynar ve mümkün olan en küçük akımı çeken fiziksel deneyler yapmak istiyorum. Bunu rezonant boşluklar ve empedans uyumlu (50 Ω) koaksiyel iletkenlerle yapıyoruz. Bazen örneklerimizi bir kW RF ile patlatmak istediğimiz için, bu iletkenler genellikle oldukça "sığır eti" dir - yüksek kaliteli N tipi konektörler ve ilgi frekansında düşük bir düşük ekleme kaybı ile 10 mm çapında koaksiyel.

Ancak, aşağıda ana hatlarıyla açıklayacağım nedenlerden dolayı bu sorunun ilgi çekici olduğunu düşünüyorum. Modern koaksiyel iletken gruplarının DC direnci genellikle ~ 1 Ω / km olarak ölçülür ve tipik olarak kullandığım 2 m kablo için ihmal edilebilir. 300 MHz 'de, bununla birlikte, kablo sahip cilt derinliği verdiği

δ = \sqrt{\frac{2 ρ}{ω μ}}

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

yaklaşık dört mikron. Koaksımın merkezinin katı bir tel olduğunu varsayarsak (ve dolayısıyla yakınlık etkilerini ihmal ederse), toplam AC direnci etkili bir şekilde

{R,}_{AC} \approx \frac{L ρ}{π D δ},

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

burada D kablonun toplam çapıdır. Sistemim için bu yaklaşık 0.2 Ω. Bununla birlikte, diğer her şeyi sabit tutarak, bu naif yaklaşım AC kayıplarınızın 1 / D olarak ölçeklendiğini ima eder, bu da birinin mümkün olduğunca büyük iletkenler isteyeceğini ima etme eğilimindedir.

Bununla birlikte, yukarıdaki tartışma gürültüyü tamamen ihmal etmektedir. Düşünmem gereken en az üç ana gürültü kaynağı olduğunu anlıyorum: (1) iletkenin kendisinde ve ağımdaki eşleşen kapasitörlerde indüklenen termal (Johnson-Nyquist) gürültü, (2) RF radyasyonundan kaynaklanan gürültü (3) temel kaynaklardan kaynaklanan gürültü ve 1 / f gürültü. Bu üç kaynağın (ve kaçırmış olabileceklerimin) etkileşiminin yukarıda varılan sonucu nasıl değiştireceğinden emin değilim.

Özellikle, beklenen Johnson gürültü voltajının ifadesi,

v_{n} = \sqrt{4 k_{B} T R, Δ f},

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

esasen oldukça garip bulduğum iletken kütlesinden bağımsızdır - gerçek bir malzemenin daha büyük termal kütlesinin (en azından geçici olarak) indüklenen gürültü akımları için daha fazla fırsat sağlayacağını bekleyebiliriz. Ayrıca, birlikte her şey çalışma RF korumalı, ama yardım yapamaz ama koruyucu (ve odanın geri kalanı), 300 K siyah bir organ olarak yaymak ... ve bu nedenle yayarlar düşünüyorum bazı aksi olduğunu RF durmak için tasarlanmıştır.

Bir noktada , bağırsak hissim, bu gürültü işlemlerinin, kullanılan iletkenin çapında herhangi bir artış yapmak için komplo ya da sağ aşağı zararlı olması gerektiği anlamına geliyor. Naif olarak, bunun açıkça doğru olması gerektiğini düşünüyorum, ya da laboratuvarlar hassas deneylerle kullanılacak kesinlikle büyük kablolarla doldurulacaktı . Haklı mıyım?

Ne olduğunu Optimum AC f frekansında bazı küçük büyüklük v potansiyel farkı oluşan bilgiyi taşıyan kullanılacak koaksiyel kablo çapı? Her şey (GaAs FET) ön yükseltecinin sınırlamaları bu kadar hakim mi?

— Landak
kaynak

2

Kızılötesi bölgedeki boş metaller için emisyon katsayısı çok düşüktür (ayna olarak kullanabilirsiniz ve gökyüzünü metali işaret ederek bir IR termometresi ile -40 ° C ölçebilirsiniz), bu yüzden belki de siyah gövde radyasyonuna yardımcı olur (ve yaklaşık 30 THz). Ayrıca, kütlenin direnç üzerinde bir etkisi olacağı için termal kütlenin etkili bir şekilde ele alınıp alınmadığını merak ediyorum, kütle artışı daha küçük bir dirence yol açacaktır, bunu asla hesaplamaya çalışmadım ... Zor soru (fizik için belki daha iyi.SE?)

— Arsenal

LNA / pre-amp hakkında, evet, iyi bir düşük gürültü amplifikatörünün ağır kaldırmayı yapmasına ve kayıpları telafi etmesine izin verdim ve bu nedenle, ek gürültü çok azdır ve hiçbir sonucu olmayacak şekilde tasarlanmıştır. İlginç soru

— johnnymopo

Ayrıca empedansı telin çevresi bir rezonans boyutuna yaklaştığında düşünmek ilginç - 300 MHz'de BÜYÜK ama sorunun ruhunu takip eden

— johnnymopo

Siyah cisim radyasyonuna gelince, kablonun izolasyonu muhtemelen (hesaplanmadı) kW güçlerinde (60+ dBm) çok daha fazla güç sızdırıyor. Daha ucuz kablo belki 30 dB ve gerçekten iyi belki 90 dB izolasyon.

— johnnymopo

3

Bahsettiğiniz her şeyde büyük ölçüde haklısınız. Daha büyük kabloların kayıpları daha düşüktür.

İki alanda düşük kayıp önemlidir

1) Gürültü

Besleyicinin zayıflaması, sıcaklığa karşılık gelen Johnson gürültüsünü sinyale ekleyen şeydir. Sıfır uzunluğa yakın bir besleyici sıfıra yakın zayıflamaya ve dolayısıyla sıfır gürültü rakamına sahiptir.

Bir veya birkaç metreye kadar (frekansa bağlı olarak), tipik bir kablonun gürültü rakamı, kullandığınız giriş amplifikatörünün gürültü figürüne, hatta kalem çaplı kablolara ( gerçekten ince kablolar, alt mm bile ve bunlarda metre uzunlukları hakkında endişelenmeniz gerekir).

Çatıdan sinyalleri laboratuvara indirmek için, herhangi bir uygun kablo o kadar kayıplı olacak, alışılmadık derecede kalın kablolar bile, çözüm neredeyse her zaman çatıdan, antenden hemen sonra bir LNA olacak.

Bu yüzden laboratuarlarda gerçekten şişman kabloları görmüyorlar, kısa atlamalara ihtiyaç duymuyorlar, uzun sürüklemeler için yeterli değiller.

b) Yüksek güç kullanımı

Bir verici istasyonunda, amplifikatörün binada ve anten bir yerde 'dışarıda' olma eğilimindedir. 'Orada' yükseltici koyarak yanı işte sen, genellikle bir seçenek değildir do onlar moding olmadan TEM kalmak zorunda göz önüne alındığında mümkün olduğunca yağ olarak yağ kablolar var. Bu 26GHz için <3.5mm, 260MHz için <350mm vb. Anlamına gelir.

$\Omega$ $\Omega$

— Neil_UK
kaynak

3

Bu özel yığın üzerinde cevap gönderen çoğu insan için, optimum kablo boyutuna cevap genellikle ekonomi, hizmet ömrü, kullanım kolaylığı ve benzerleri ile ilgilidir. Her münferit problemin kendi tanımlayıcı parametreleri vardır, bu da yerine getirilecek veya aşılacak bir spesifikasyon oluşturmak için kullanılacaktır.

Bu önemli bir adımdır, çünkü erken optimizasyon gerçek bir sorundur. Elektronik tasarım hakkında her zaman doğru olan birkaç şeyi kesinlikle garanti edebilirim. Daha büyük çaplı kablolar, gelişmiş iletkenlik nedeniyle daha az ısı atığı yaşar, daha yüksek voltajlar birim akım başına daha fazla güç iletilmesini sağlar ve daha büyük piller daha fazla kapasiteye sahiptir. Ancak çözüm aslında soruna uymalıdır, bu yüzden sık sık şu anda yaşadığınız belirli sorun için kabul edilebilir olanı tam olarak seçmek için spesifikasyonu kullanarak kendinizi bulacaksınız.

Elinizdeki sorunları yeterli bir şekilde anladığınızdan daha fazlasını gösterdiniz ve alçakgönüllülükle ayrıntılara şu anda olduğumdan daha uygun olduğunuzu alçakgönüllülükle sunuyorum. Tasarımdan ziyade araştırmayla da uğraşıyorsunuz. Bu durumda, bu tavsiyeyi sunacağım - gürültü koşullarını ve zaman içinde artan sıcaklıklardan nasıl etkilendiklerini tam olarak anlayarak, şu anda işiniz için kabul edilebilir olan Johnson gürültüsünün sıfır, sıfır olmayan bir değerine karar verin, ve bir şartname olarak bunun etrafında tasarım. İletken boyutlarını ve türlerini ayarlayın ve gerekirse aktif soğutmayı düşünün (tabii ki araştırmanıza müdahale etmemesi veya geçersiz kılmaması koşuluyla).

— Sean Boddy
kaynak

1

Bilgileriniz doğruyken, sanırım ağaçlar için ormanı kaçırdınız. 50 ohm yüklerde, dirençli etkiler nedeniyle kablodaki kayıplar hakkında endişelenmenize gerek yoktur. en azından RF ölçümleri için değil.

N konektör örneğinizi düşünün. Etkili bir iletken direnci yaklaşık voltaj düşüşü verecektirbu da yaklaşık 48 dB kadar. Başka bir deyişle, 10 uV'luk bir sinyal nominal -100 dBV verir, ancak 0.2 ohm'luk bir iletken 9.96 uV veya -100.035 dBV yükünde bir sinyal üretir ve bir şekilde bunun olacağına inanmakta zorlanıyorum bir sorun.

Δ v = \frac{0.2}{50} = 0.4 %

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

— WhatRoughBeast
kaynak