Diese Frage, so wie sie ursprünglich geschrieben wurde, klingt ein bisschen verrückt: Sie wurde mir ursprünglich von einem Kollegen als Scherz gestellt. Ich bin experimenteller NMR-Physiker. Ich möchte häufig physikalische Experimente durchführen, die letztendlich darauf hinauslaufen, kleine Wechselspannungen (~µV) bei etwa 100-300 MHz zu messen und den kleinstmöglichen Strom zu ziehen. Wir tun dies mit Resonanzkörpern und impedanzangepassten (50 Ω) Koaxialleitern. Da wir unsere Proben manchmal mit einem kW HF belasten wollen, sind diese Leiter oft ziemlich „massiv“ – Koaxialkabel mit 10 mm Durchmesser mit hochwertigen N-Typ-Anschlüssen und einer geringen Einfügungsdämpfung bei der interessierenden Frequenz.
Ich denke jedoch, dass diese Frage aus den Gründen, die ich im Folgenden skizziere, von Interesse ist. Der Gleichstromwiderstand moderner Koaxialleiterbaugruppen wird häufig in ~1 Ω/km gemessen und kann für die 2 m Kabel, die ich normalerweise verwende, vernachlässigt werden. Bei 300 MHz hat das Kabel jedoch eine gewisse Skin-Tiefe durch
von etwa vier Mikron. Wenn man davon ausgeht, dass das Zentrum meines Koaxialkabels ein massiver Draht ist (und daher Näherungseffekte vernachlässigt), ist der gesamte AC-Widerstand effektiv
wobei D der Gesamtdurchmesser des Kabels ist. Bei meinem System sind das etwa 0,2 Ω. Wenn jedoch alles andere konstant gehalten wird, impliziert diese naive Annäherung, dass Ihre AC-Verluste mit 1/D skalieren, was dazu führen würde, dass man Leiter so groß wie möglich haben möchte.
Jedoch vernachlässigt die obige Diskussion Rauschen vollständig. Ich verstehe, dass es mindestens drei Hauptrauschquellen gibt, die ich berücksichtigen sollte: (1) thermisches (Johnson-Nyquist) Rauschen, das im Leiter selbst und in den passenden Kondensatoren in meinem Netzwerk induziert wird, (2) induziertes Rauschen, das durch HF-Strahlung entsteht anderswo im Universum und (3) Schrotrauschen und 1/f-Rauschen, die aus fundamentalen Quellen stammen. Ich bin mir nicht sicher, wie das Zusammenspiel dieser drei Quellen (und aller, die ich möglicherweise übersehen habe!) die oben gezogene Schlussfolgerung ändern wird.
Insbesondere der Ausdruck für die erwartete Johnson-Rauschspannung,
ist im Wesentlichen unabhängig von der Masse des Leiters, was ich naiv ziemlich seltsam finde - man könnte erwarten, dass die größere thermische Masse eines realen Materials mehr Gelegenheit für (zumindest vorübergehend) induzierte Rauschströme bieten würde. Außerdem ist alles, womit ich arbeite, HF-abgeschirmt, aber ich kann nicht anders, als zu glauben, dass die Abschirmung (und der Rest des Raums) bei 300 K als schwarzer Körper strahlen wird ... und daher etwas HF abgibt, was sonst der Fall ist entworfen, um aufzuhören.
Irgendwann ist mein Bauchgefühl, dass diese Rauschvorgänge sich dazu verschwören würden, jede Vergrößerung des Durchmessers des verwendeten Leiters sinnlos oder geradezu schädlich zu machen. Naiv denke ich, dass dies eindeutig wahr sein muss, oder Labors würden mit absolut riesigen Kabeln gefüllt sein, die für sensible Experimente verwendet werden könnten. Habe ich recht?
Was ist der optimale Koaxialleiterdurchmesser, der verwendet werden sollte, wenn Informationen übertragen werden, die aus einer Potentialdifferenz einer kleinen Größe v bei einer Wechselstromfrequenz f bestehen? Ist alles so von den Beschränkungen des (GaAs FET) Vorverstärkers dominiert, dass diese Frage völlig sinnlos ist?
Sie haben im Wesentlichen Recht mit allem, was Sie erwähnt haben. Größere Kabel haben geringere Verluste.
Niedriger Verlust ist in zwei Bereichen wichtig
1) Lärm
Die Dämpfung eines Feeders fügt dem Signal Johnson-Rauschen hinzu, das seiner Temperatur entspricht. Ein Feeder mit einer Länge von nahezu null hat eine Dämpfung von nahezu null und somit eine Rauschzahl von nahezu null.
Bis zu einem oder mehreren Metern (je nach Frequenz) neigt die Rauschzahl eines typischen Kabels dazu, von der Rauschzahl des verwendeten Eingangsverstärkers dominiert zu werden, selbst bei Kabeln mit Bleistiftdurchmesser (Sie können wirklich dünne Kabel bekommen, Sub- mm gerade, und bei diesen müssen Sie sich um Meterlängen kümmern).
Um Signale von Ihrem Dach ins Labor zu bringen, ist jedes brauchbare Kabel so verlustbehaftet, sogar ungewöhnlich dick, dass die Lösung fast immer ein LNA auf dem Dach ist, direkt nach der Antenne.
Deshalb sieht man im Labor eher keine wirklich fetten Kabel, für kurze Sprünge braucht man sie nicht, für lange Drags reichen sie nicht aus.
b) Hohe Belastbarkeit
In einer Sendestation befindet sich der Verstärker normalerweise im Gebäude und die Antenne irgendwo „dort draußen“. Den Verstärker auch „draußen“ zu stellen, ist normalerweise keine Option, also haben Sie hier fette Kabel, so fett wie möglich, da sie TEM bleiben müssen, ohne Modifizierung. Das bedeutet < 3,5 mm für 26 GHz, < 350 mm für 260 MHz usw.
Neben der Größe spielt auch die Impedanz des Kabels eine Rolle. Schauen Sie sich das Tutorial dieses Kabelherstellers an, warum wir unterschiedliche Kabelimpedanzen haben, also 75 für den niedrigsten Verlust und 50 als Kompromiss, der sich als Standard etabliert hat.
Für die meisten Leute, die Antworten zu diesem speziellen Stapel posten, hat die Antwort auf die optimale Kabelgröße im Allgemeinen viel mit Wirtschaftlichkeit, Lebensdauer, Benutzerfreundlichkeit und dergleichen zu tun. Jedes einzelne Problem hat seinen eigenen Satz von definierenden Parametern, die wiederum verwendet werden, um eine Spezifikation zu erstellen, die erfüllt oder übertroffen wird.
Dies ist ein wichtiger Schritt, denn eine vorzeitige Optimierung ist ein echtes Problem. Ich kann einige Dinge über elektronisches Design absolut garantieren, die immer wahr sind. Kabel mit größerem Durchmesser erfahren aufgrund der verbesserten Leitfähigkeit weniger Wärmeverlust, höhere Spannungen ermöglichen die Übertragung von mehr Leistung pro Stromeinheit und größere Batterien haben mehr Kapazität. Aber die Lösung muss tatsächlich zum Problem passen, so dass Sie häufig die Spezifikation verwenden, um genau das auszuwählen, was für das spezielle Problem, das Sie gerade haben, akzeptabel ist.
Sie haben ein mehr als angemessenes Verständnis der anstehenden Probleme bewiesen, und ich behaupte demütig, dass Sie für die Details wahrscheinlich besser geeignet sind als ich im Moment. Sie scheinen sich auch eher mit Forschung als mit Design zu beschäftigen. In Anbetracht dessen würde ich diesen Ratschlag geben: Wenn Sie die Rauschbegriffe genau kennen und verstehen, wie sie durch steigende Temperaturen im Laufe der Zeit beeinflusst werden, entscheiden Sie sich für einen festen, von Null verschiedenen Wert des Johnson-Rauschens, der derzeit für Ihre Arbeit akzeptabel ist. und entwerfen Sie darum herum als Spezifikation. Legen Sie Leitergrößen und -typen fest und ziehen Sie ggf. eine aktive Kühlung in Betracht (vorausgesetzt natürlich, dass dies Ihre Forschung nicht stört oder ungültig macht).
Während Sie in Ihren Details richtig sind, denke ich, dass Sie den Wald vor lauter Bäumen verpasst haben. Bei 50-Ohm-Last müssen Sie keine Verluste im Kabel durch Widerstandseffekte befürchten. zumindest nicht für HF-Messungen.
Betrachten Sie Ihr Beispiel für den N-Anschluss. Ein effektiver Leiterwiderstand ergibt einen Spannungsabfall von ca
Arsenal
johnnymopo
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