¿Por qué un cable coaxial está desbalanceado?

Consideremos un cable coaxial que alimenta una antena dipolo. Mi referencia para todas mis declaraciones está aquí .

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  1. Mi referencia dice:

Tenga en cuenta que la corriente a lo largo de una línea de transmisión debe ser de igual magnitud en los conductores interior y exterior, como suele ser el caso. Observe lo que sucede cuando el cable coaxial se conecta al dipolo. La corriente en el conductor central (el núcleo central rojo/rosado del cable coaxial, etiquetado como IA) no tiene adónde ir, por lo que debe fluir a lo largo del brazo del dipolo que está conectado a él. Sin embargo, la corriente que viaja a lo largo del lado interno del conductor externo (IB) tiene dos opciones: puede viajar por la antena dipolo o por el lado inverso (exterior) del conductor externo del cable coaxial (etiquetado como IC en la Figura 1). 1).

Bueno, no entiendo por qué la corriente en el conductor exterior debe dividirse en IB ("directa") e IC ("Reversa"). Yo lo veo así: el cable coaxial es alimentado por una fuente de voltaje o corriente, con sus terminales conectados uno al blindaje y otro al conductor interior. La corriente en el conductor interior es igual a la corriente total en el blindaje. El último, debido al efecto piel, fluye principalmente en la superficie del escudo, por lo que va parcialmente por el lado interior y parcialmente por el lado exterior del escudo. Ambas corrientes tienen la misma dirección, como la corriente que circula por cualquier superficie conductora en RF.

Diría que IA es igual a la corriente total que fluye en la superficie del escudo. Y un dipolo con brazos conectados a todo el conductor del blindaje y al conductor interior recibirá corrientes iguales. ¿Cuál es el error en mi análisis?

  1. Como veo, la naturaleza desequilibrada del cable coaxial se debe a que su blindaje tiene una superficie tanto interna como externa. Entonces, es un efecto parásito del cable coaxial, y diría que está ausente, por ejemplo, en una línea de transmisión simple de 2 hilos. ¿Es correcto?

  2. Nuevamente, el problema es la corriente parásita IC en un cable coaxial. Bueno, ¿qué tiene que ver con esta representación habitual de un balun como un convertidor de una señal con conexión a tierra a una señal flotante?

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Incluso en una línea de transmisión de 2 hilos, que diría que está balanceada, consideramos un conductor como GND, como en la siguiente imagen (indicada como "0").

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Generalmente, un circuito balanceado tendrá dos caminos que son idénticos pero que operan 180 grados desfasados, y ambos están referenciados a una tierra común. La clave es el uso antifase o diferencial del circuito. El principal beneficio es la reducción de la sensibilidad al ruido de fuentes externas. Esto se debe a que el agresor externo influirá en ambos caminos por igual, aplicando ruido de modo común, que el circuito ignorará en gran medida. Entonces, realmente, puede pensar que el término "equilibrado" tiene un significado especial en electrónica, más allá de las corrientes coincidentes de un cable y su retorno.
Kinka, esta pregunta podría parecer un poco más fácil de encontrar una respuesta decente si olvidaste la parte del dipolo de la pregunta y te concentraste en una carga que no tenía la impedancia característica correcta. Solo escaneé su pregunta y sus respuestas, por lo que es posible que me haya perdido un punto crucial.
Hay algo mal aquí. El campo magnético azimutal en el medio del escudo coaxial seguramente es cero. Entonces, la integral de línea de ese campo magnético es cero, por lo que, según la ley de Ampere, la corriente neta en el interior debe ser cero. Cualquier exceso de corriente en el interior del blindaje coaxial debe inducir una corriente opuesta igual en el exterior del conductor central. Es decir, todo se equilibra. En efecto, supongo, se podría decir que son ambas corrientes dentro de ese cable coaxial las que crean la corriente IC en el exterior del cable coaxial. Pero el interior del cable coaxial debe estar equilibrado. Ampere no es solo una regla. ¡Es una ley!

Respuestas (3)

La señal del transmisor llega a lo largo de la capa de aislamiento entre el blindaje y el cable central. El metal conductor tiene algo de corriente inducida: es necesario para que la onda pueda propagarse en la capa de aislamiento. La corriente inducida existe en la superficie interior del blindaje y la superficie exterior del conductor central.

Cuando la onda se encuentra con el final de la línea, en realidad se encuentra con una antena altamente asimétrica. Una pieza es la vara roja y la otra es la vara gris y la superficie exterior del escudo. Bastante lejos de algo equilibrado. Pero todavía puede hacer su trabajo como antena. He utilizado radios portátiles de HF con antenas dipolo en frecuencias 3...20 MHz. Cuando había alimentación coaxial sin balun, la comunicación por radio aún ocurría, pero el cable de la antena se convirtió en parte de la antena y toda la radio hizo lo mismo. Si uno tocaba flojamente el metal de la radio o la tecla morse al transmitir, la piel comenzaba a humear en el punto de contacto. Nocivo, pero no grave debido a la baja potencia (alrededor de 10 W de salida total máxima del transmisor).

Pero usted preguntó por qué el cable coaxial está desequilibrado, no por qué la construcción de la antena está desequilibrada. Eso es porque sus conductores no son iguales. Su escudo puede recolectar un voltaje de ruido sustancialmente mayor de los campos eléctricos externos que el conductor central que está rodeado de metal: una jaula de Faraday casi completa, excepto que los extremos tienen agujeros.

Gracias por su respuesta. ¿Puede explicarme por qué la señal de corriente de entrada del transmisor no entra en ambas superficies (interior y exterior) del escudo? Me imagino que si conecto una fuente de voltaje o corriente a un conductor, la corriente de entrada lo atraviesa todo.
La corriente fluye en toda la sección transversal del escudo si es CC o tiene una frecuencia tan baja que la profundidad de la piel (debido al efecto de la piel) es igual o mayor que el grosor del escudo. A 10 MHz, la profundidad de la piel es de unos 0,02 milímetros. El escudo generalmente es mucho más grueso. La prueba perfecta solo es posible con ecuaciones diferenciales. La conexión de una fuente de CA entre el blindaje y el cable central genera una forma de onda TEM y existe entre los conductores, no fuera del cable. Los campos de la forma de onda TEM inducen corrientes sustanciales solo en la profundidad de la piel. Debo saltarme la prueba.

La corriente en el conductor interior es igual a la corriente total en el blindaje.

Uno podría pensar que sí, pero no es necesariamente el caso.

va parcialmente en el lado interior y parcialmente en el lado exterior del escudo. Ambas corrientes tienen la misma dirección, como la corriente que circula por cualquier superficie conductora en RF.

Nuevamente, la corriente en el exterior del escudo no fluye necesariamente en la misma dirección que la corriente en el interior del escudo.

Diría que IA es igual a la corriente total que fluye en la superficie del escudo.

Una vez más, uno podría pensar que sí, pero no es necesariamente cierto.

un dipolo con brazos conectados a todo el conductor de pantalla y al conductor interior recibirá corrientes iguales.

No necesariamente

está ausente, por ejemplo, en una línea de transmisión simple de 2 hilos. ¿Es correcto?

Una línea de escalera, o para corrientes más bajas, un par trenzado, es mucho, mucho menos probable que esté desequilibrada.

¿Cuál es el error en mi análisis?

Su error radica en suponer que las corrientes están equilibradas . Y supongo que cree que las corrientes deben estar equilibradas porque no está familiarizado con la corriente de desplazamiento . Supongo que está razonando que si las corrientes en el conductor interno y externo son iguales cuando salen de su fuente, deben ser iguales en todas partes del cable coaxial. Si se vuelven desiguales, por lo que podría razonar, ¿a dónde va la corriente "faltante"? Para entender la respuesta a eso, considere a dónde "va" la corriente cuando está en la antena. No hay corriente en los extremos lejanos del dipolo, pero ¿está entrando corriente? La respuesta es que hay cambios de voltaje , y estos cambios de voltaje dan lugar a lo que se denomina corrientes de desplazamiento.

Bueno, ¿qué tiene que ver con esta representación habitual de un balun como un convertidor de una señal con conexión a tierra a una señal flotante?

Un balun se convierte de una configuración no balanceada a una balanceada , no de "conectado a tierra" a "flotante".

Incluso en una línea de transmisión de 2 hilos, que diría que está balanceada, consideramos un conductor como GND, como en la siguiente imagen (indicada como "0").

Uno podría considerar un conductor "GND", sin embargo, si hay CA fluyendo en la línea de transmisión, entonces hay diferencias de potencial (eléctrico) entre varios puntos en ese cable "GND". Dadas estas diferencias de potencial entre puntos, no pueden estar todos a 0V.

Anexo: Si las corrientes a través de un cable coaxial están balanceadas, entonces el cable no generará un campo magnético externo. Un transformador de corriente que rodee a un cable coaxial de este tipo no mostrará ninguna señal. Sin embargo, si se induce una corriente en el (secundario del) transformador de corriente, tenemos una prueba práctica de que las corrientes no son iguales. Pensé que era importante mencionar esto, ya que nos da una forma de salir del ámbito de la teoría y entrar en el ámbito de las hipótesis comprobables. De hecho, el experimento se ha realizado con los resultados que muestran la corriente neta (la suma algebraica no es cero) a través de los cables coaxiales que alimentan las antenas.

Gracias por tu respuesta. Precisamente, ¿por dónde fluye la corriente de desplazamiento de la que hablas? Sobre el conductor de referencia en una línea de transmisión, en esta pregunta anterior habíamos concluido que es una práctica común imaginar un conductor de una línea de transmisión como un único nodo GND ( electronics.stackexchange.com/questions/540327/… )
La corriente de desplazamiento es la "corriente" que "fluye" a través de un dieléctrico cuando se carga un capacitor. "Fluye" desde un punto que está experimentando un voltaje ascendente, hasta un punto que está experimentando un voltaje descendente (o negativo ascendente). No es un flujo de cargas reales, aunque hay cargas que fluyen para crear el voltaje ascendente (o descendente). // Puede ser una práctica común considerar un cable en una línea de transmisión como "tierra". Sin embargo, si la línea de transmisión se curvara de modo que el extremo "lejano" esté cerca del extremo "cercano", se puede probar que tienen diferentes potenciales.

La corriente en el conductor interior es igual a la corriente total en el blindaje.

Si está correctamente terminado será igual y opuesto.

El último, debido al efecto piel, fluye principalmente en la superficie del escudo, por lo que va parcialmente por el lado interior y parcialmente por el lado exterior del escudo.

No, debido a los efectos magnéticos del conductor interno, un cable coaxial perfectamente terminado tendrá toda la corriente de protección fluyendo por el interior de la protección.

Si hay un desequilibrio de corriente, el exceso o el déficit fluirá hacia el exterior del escudo debido al efecto pelicular.

Puede que me equivoque, pero el "efecto piel" describe específicamente el flujo de corriente a través de las capas exteriores de un conductor, no fuera de él. Es decir, a menos que cuando diga "fuera del escudo" en realidad quiera decir "en la capa superficial del escudo que mira hacia afuera", a diferencia de la superficie del escudo que mira hacia adentro (dieléctrica).
Solo una precaución. Un cable coaxial "terminado correctamente" conectado a una antena dipolo requiere un balun. Por otro lado, el desajuste de impedancia entre la impedancia característica y la terminación no provoca desequilibrio. Véase, por ejemplo, el mito de SWR que causa radiación coaxial.
La terminación no tiene nada que ver con esto.
requiriendo terminación I me permite ignorar varios casos extremos.
¿Por qué un cable coaxial está desbalanceado?
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