เป็นเรื่องที่สมเหตุสมผลหรือไม่ที่จะใช้ตัวนำเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่กว่าในการรับสัญญาณขนาดเล็กกว่า?

16

คำถามนี้ตามที่เขียนไว้ในตอนแรกฟังดูบ้าไปแล้ว: เพื่อนร่วมงานคนหนึ่งถามฉันว่าเป็นเรื่องตลก ฉันเป็นนักฟิสิกส์ NMR ทดลอง ฉันต้องการทำการทดลองทางกายภาพบ่อยครั้งซึ่งในที่สุดก็ต้มลงมาเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับขนาดเล็ก (~ µV) ที่ประมาณ 100-300 MHz และวาดกระแสไฟฟ้าที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้ เราทำสิ่งนี้กับโพรงเรโซแนนท์และตัวนำความต้านทานโคแอกเซียลที่จับคู่ (50 matched) เนื่องจากบางครั้งเราต้องการที่จะระเบิดตัวอย่างของเราด้วย kW ของ RF ตัวนำเหล่านี้มักจะค่อนข้าง "อ้วน" - Coax เส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม. ที่มีหัวต่อชนิด N คุณภาพสูงและสูญเสียการแทรกต่ำที่ความถี่ที่น่าสนใจ

อย่างไรก็ตามฉันคิดว่าคำถามนี้น่าสนใจด้วยเหตุผลที่ฉันจะอธิบายด้านล่าง ความต้านทานกระแสตรงของชุดตัวนำตัวนำกระแสไฟฟ้าที่ทันสมัยนั้นมักจะวัดใน ~ 1 Ω / km และสามารถละเลยสายเคเบิลยาว 2 ม. ที่ฉันใช้ ที่ 300 MHz อย่างไรก็ตามสายเคเบิลมีความลึกของผิวที่กำหนดโดย

δ = \sqrt{\frac{2 ρ}{ω μ}}

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

ประมาณสี่ไมครอน หากมีใครสมมติว่าจุดศูนย์กลางของ coax ของฉันเป็นเส้นลวดที่เป็นของแข็ง (และดังนั้นจึงละเลยผลกระทบด้านความใกล้ชิด) ความต้านทาน AC ทั้งหมดจะมีประสิทธิภาพ

R_{AC} \approx \frac{L ρ}{π D δ},

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

โดยที่ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางรวมของสายเคเบิล สำหรับระบบของฉันนี่คือประมาณ 0.2 Ω อย่างไรก็ตามการถือครองทุกอย่างคงที่การประมาณการไร้เดียงสานี้บ่งบอกว่าระดับการสูญเสีย AC ของคุณเท่ากับ 1 / Dซึ่งมีแนวโน้มที่จะบอกเป็นนัยว่าต้องการให้ตัวนำมีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

อย่างไรก็ตามการสนทนาข้างต้นได้ละเลยเสียงดังอย่างสมบูรณ์ ฉันเข้าใจว่ามีอย่างน้อยสามแหล่งหลักของเสียงฉันควรพิจารณา: (1) เสียงความร้อน (Johnson-Nyquist) เสียงเหนี่ยวนำในตัวนำเองและในตัวเก็บประจุที่ตรงกันในเครือข่ายของฉัน (2) เสียงเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นจากรังสี RF ที่อื่นในจักรวาลและ (3) เสียงยิงและเสียง 1 / f ที่เกิดจากแหล่งพื้นฐาน ฉันไม่แน่ใจว่าการโต้ตอบของแหล่งข้อมูลทั้งสามนี้ (และฉันอาจพลาดได้อย่างไร) จะเปลี่ยนข้อสรุปที่กล่าวถึงข้างต้น

โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแสดงออกของแรงดันเสียงรบกวนจอห์นสันที่คาดหวัง

{โวลต์}_{n} = \sqrt{4 k_{B} T R Δ ฉ},

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

โดยพื้นฐานแล้วเป็นอิสระจากมวลของตัวนำซึ่งฉันพบว่าค่อนข้างแปลก - ใคร ๆ อาจคาดหวังว่ามวลความร้อนที่มีขนาดใหญ่กว่าของวัสดุจริงจะให้โอกาสมากขึ้นสำหรับกระแสเสียงเหนี่ยวนำ (อย่างน้อย transiently) นอกจากนี้ผมทำงานทุกอย่างด้วยคือ RF ป้องกัน แต่ฉันไม่สามารถช่วย แต่คิดว่าการป้องกัน (และส่วนที่เหลือของห้องพัก) จะแผ่เป็นตัวสีดำที่ 300 K ... และดังนั้นจึงปล่อยบาง RF ว่ามันเป็นอย่างอื่น ออกแบบมาเพื่อหยุด

ในบางจุดความรู้สึกของฉันคือกระบวนการเสียงเหล่านี้จะสมคบกันเพื่อเพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวนำที่ใช้อย่างไม่มีจุดหมายหรือลดลงอย่างถูกต้อง ไม่จริงฉันคิดว่าสิ่งนี้ต้องเป็นจริงอย่างชัดเจนหรือห้องปฏิบัติการจะเต็มไปด้วยสายเคเบิลขนาดใหญ่มากเพื่อใช้ในการทดลองที่ละเอียดอ่อน ฉันถูกไหม?

อะไรคือเหมาะสมเส้นผ่าศูนย์กลางตัวนำคู่ที่จะใช้เมื่อการดำเนินการข้อมูลที่ประกอบด้วยความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นจากบางขนาดวีขนาดเล็กที่ AC ความถี่ F? ทุกอย่างถูกครอบงำโดยข้อ จำกัด ของ preamplifier (GaAs FET) ที่คำถามนี้ไม่มีจุดหมายหรือไม่?

— Landak
แหล่งที่มา

2

ค่าสัมประสิทธิ์การปล่อยสำหรับโลหะว่างเปล่าในภูมิภาค IR นั้นต่ำมาก (คุณสามารถใช้เป็นกระจกและวัดอุณหภูมิ -40 ° C ด้วยเครื่องวัดอุณหภูมิ IR โดยการชี้โลหะที่ท้องฟ้า) ดังนั้นอาจช่วยเกี่ยวกับรังสีของวัตถุดำ (และประมาณ 30 THz) ฉันยังสงสัยด้วยว่ามวลความร้อนได้รับการดูแลอย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่เนื่องจากมวลจะมีอิทธิพลต่อความต้านทานการเพิ่มขึ้นของมวลจะนำไปสู่การต่อต้านที่เล็กลงฉันไม่เคยลองคำนวณว่า ... คำถามยาก (อาจจะดีกว่าสำหรับฟิสิกส์. SE?)

— Arsenal

เกี่ยวกับ LNA / พรีแอมป์ใช่ฉันปล่อยให้เครื่องขยายเสียงรบกวนต่ำทำหน้าที่ยกของหนักและชดเชยการสูญเสียดังนั้นเสียงรบกวนเพิ่มเติมจึงน้อยมากและออกแบบมาให้ไม่มีผล คำถามที่น่าสนใจ

— johnnymopo

สิ่งที่น่าสนใจที่จะต้องพิจารณาถึงอิมพิแดนซ์เมื่อเส้นรอบวงของลวดเข้าใกล้ขนาดพ้อง - ใหญ่ที่ 300 MHz แต่ทำตามจิตวิญญาณของคำถาม

— johnnymopo

สำหรับการแผ่รังสีของร่างกายสีดำการแยกของสายเคเบิลอาจเป็นไปได้ว่า (ไม่ได้คำนวณ) การรั่วไหลของพลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างมากที่กำลัง kW (60+ dBm) สายที่ถูกกว่าอาจจะเป็น 30 เดซิเบลและอาจจะแยกได้ดีมาก 90 เดซิเบล

— johnnymopo

3

คุณถูกต้องมากกับทุกสิ่งที่คุณพูดถึง สายที่ใหญ่กว่ามีการสูญเสียต่ำกว่า

การสูญเสียต่ำเป็นสิ่งสำคัญในสองพื้นที่

1) เสียงรบกวน

การลดทอนของตัวป้อนคือสิ่งที่จะเพิ่มเสียงของจอห์นสันที่สอดคล้องกับอุณหภูมิลงในสัญญาณ เครื่องป้อนที่มีความยาวเกือบเป็นศูนย์จะมีการลดทอนที่ใกล้เคียงศูนย์

ขึ้นไปหรือหลายเมตร (ขึ้นอยู่กับความถี่) รูปเสียงของสายเคเบิลทั่วไปมีแนวโน้มที่จะถูกครอบงำโดยตัวเลขเสียงของอินพุตเครื่องขยายเสียงที่คุณกำลังใช้แม้สายเส้นผ่าศูนย์กลางดินสอ (คุณจะได้รับจริงๆสายบางย่อย มม. และสิ่งเหล่านี้คุณต้องกังวลเกี่ยวกับความยาวเมตร)

ในการรับสัญญาณจากหลังคาของคุณลงในห้องแล็บสายเคเบิลที่เป็นไปได้ใด ๆ จะสูญเสียไปแม้แต่สายที่หนาผิดปกติซึ่งโซลูชันนี้มักจะเป็น LNA บนหลังคาเสมอหลังจากเสาอากาศ

นั่นเป็นเหตุผลที่มักจะไม่เห็นสายเคเบิลที่อ้วนในห้องปฏิบัติการพวกเขาไม่จำเป็นสำหรับการกระโดดสั้น ๆ พวกเขาไม่เพียงพอสำหรับลากยาว

b) การจัดการพลังงานสูง

ในสถานีส่งสัญญาณคุณมักจะมีแอมพลิไฟเออร์ในอาคารและเสาอากาศ 'อยู่ตรงนั้น' ที่ไหนซักแห่ง วางเครื่องขยายเสียง 'ออกมี' เช่นเดียวมักจะไม่ได้เป็นตัวเลือกเพื่อให้ที่นี่คุณจะมีสายไขมันเป็นไขมันที่เป็นไปได้ระบุว่าพวกเขาจะต้องยังคงอยู่ TEM โดยไม่ต้อง Moding นั่นหมายถึง <3.5 มม. สำหรับ 26GHz, <350 มม. สำหรับ 260MHz ฯลฯ

ความต้านทานของสายเคเบิลมีความสำคัญเช่นเดียวกับขนาด มีลักษณะที่นี้กวดวิชาผลิตสายเคเบิลในเหตุผลที่เรามีความต้านทานสายเคเบิลแตกต่างกันดังนั้น 75 $\Omega$ สำหรับการสูญเสียต่ำสุดและ 50 $\Omega$ เป็นประนีประนอมที่ได้ตัดสินตัวเองเป็นมาตรฐาน

— Neil_UK
แหล่งที่มา

3

สำหรับคนส่วนใหญ่ที่โพสต์คำตอบในสแต็คนี้โดยเฉพาะคำตอบของขนาดสายเคเบิลที่เหมาะสมโดยทั่วไปมักเกี่ยวข้องกับเศรษฐศาสตร์อายุการใช้งานความสะดวกในการใช้งานและอื่น ๆ แต่ละปัญหามีชุดของการกำหนดพารามิเตอร์ซึ่งจะถูกใช้เพื่อสร้างข้อมูลจำเพาะที่จะตรงหรือเกิน

นี่เป็นขั้นตอนสำคัญที่ต้องดำเนินการเนื่องจากการปรับให้เหมาะสมก่อนกำหนดเป็นปัญหาที่แท้จริง ฉันสามารถรับประกันได้หลายอย่างเกี่ยวกับการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นจริงเสมอ สายเคเบิลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่จะมีการสูญเสียความร้อนน้อยกว่าเนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้นแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นทำให้สามารถส่งพลังงานต่อหน่วยในปัจจุบันได้มากขึ้นและแบตเตอรี่ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจะมีความจุมากขึ้น แต่การแก้ปัญหาจะต้องจริงพอดีกับปัญหาที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งดังนั้นคุณจะพบตัวเองโดยใช้สเปคที่จะเลือกเพียงว่าสิ่งที่เป็นที่ยอมรับสำหรับปัญหาโดยเฉพาะอย่างยิ่งคุณมีในขณะนี้

คุณได้แสดงให้เห็นถึงความเข้าใจที่เพียงพอเกี่ยวกับปัญหาที่เกิดขึ้นและฉันขอเสนออย่างถ่อมตนว่าคุณเหมาะสมกับรายละเอียดมากกว่าที่ฉันเป็นอยู่ในขณะนี้ คุณดูเหมือนจะมีส่วนร่วมในการวิจัยมากกว่าการออกแบบ ในกรณีดังกล่าวฉันจะให้คำแนะนำนี้โดยมีความเข้าใจอย่างชัดเจนเกี่ยวกับเงื่อนไขด้านเสียงรบกวนและผลกระทบที่เกิดจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปตัดสินใจเลือก บริษัท Johnson ที่มีมูลค่าไม่เป็นศูนย์ซึ่งเป็นที่ยอมรับสำหรับงานของคุณ และการออกแบบที่เป็นข้อกำหนด กำหนดขนาดและประเภทของตัวนำและถ้าจำเป็นให้พิจารณาการระบายความร้อนที่แอคทีฟ (แน่นอนว่ามันไม่รบกวนหรือทำให้การวิจัยของคุณเป็นโมฆะ)

— Sean Boddy
แหล่งที่มา

1

ในขณะที่คุณถูกต้องในรายละเอียดของคุณฉันคิดว่าคุณพลาดป่าสำหรับต้นไม้ ด้วยการโหลด 50 โอห์มคุณไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการสูญหายของสายเคเบิลเนื่องจากมีเอฟเฟกต์การต้านทาน อย่างน้อยไม่ใช่สำหรับการวัด RF

พิจารณาตัวอย่างตัวเชื่อมต่อ N ของคุณ ความต้านทานตัวนำที่มีประสิทธิภาพจะทำให้แรงดันไฟฟ้าตกประมาณ

Δ โวลต์ = \frac{0.2}{50} = 0.4 %

$\Delta v = \frac{0.2}{50} = 0.4\text{%}$ ซึ่งลดลงประมาณ 48 เดซิเบล อีกวิธีหนึ่งสัญญาณ 10 uV จะให้ค่าเล็กน้อย -100 dBV แต่ตัวนำ 0.2 ohm จะสร้างสัญญาณที่โหลด 9.96 uV หรือ -100.035 dBV และอย่างใดฉันก็มีเวลายากที่เชื่อว่าจะเป็น ปัญหา.

— WhatRoughBeast
แหล่งที่มา