È utile comprendere il funzionamento di base di un cavo coassiale. Ma prima ci sono due importanti fenomeni che devono essere compresi per poter procedere.

Effetto pelle

Quando la corrente continua (corrente invariante nel tempo) attraversa un conduttore tende ad utilizzare uniformemente l'intera area della sezione trasversale del conduttore. Quando la corrente alternata (corrente variabile nel tempo) passa attraverso un materiale conduttore, ha la tendenza a concentrare la corrente vicino alle superfici del conduttore. Ciò si verifica per il cambio di direzione del campo magnetico associato alla corrente alternata con conseguente forza controelettromotrice che tende a spingere gli elettroni conduttori verso la superficie del materiale conduttore. All'aumentare della frequenza della corrente alternata, l'affollamento verso la superficie diventa più pronunciato. Poiché l'area conduttiva è minore, la resistenza aumenta con la frequenza.

In un conduttore comune come il rame, l'effetto pelle può essere abbastanza pronunciato alle tipiche frequenze radioamatoriali. Ad esempio, a 1 MHz, il 63% della corrente scorre nei ~ 0,067 mm esterni di un filo di rame rotondo. La corrente diminuisce in modo esponenziale e questo livello del 63% è considerato una profondità della pelle. Il 98% della corrente è contenuto in quattro profondità della pelle (0,298 mm) dalla superficie del filo. Passate le cinque profondità della pelle, per tutti gli scopi pratici non c'è corrente nel filo. Pertanto il centro del filo con un raggio maggiore di cinque profondità della pelle è essenzialmente materiale di scarto e può essere rimosso (creando una forma tubolare) o sostituito con altri materiali strutturali. Vediamo quest'ultimo nei circoli dei radioamatori nella marca di filo CopperWeld® dove il materiale interno è acciaio (per scopi di resistenza) ma con un rivestimento esterno in rame (per scopi RF). Se lo spessore del rivestimento in rame è di almeno 5 profondità della pelle per la frequenza in uso, la corrente RF non "vedrà" mai il nucleo in acciaio a maggiore resistenza a causa dell'effetto pelle.

Effetto di prossimità

Quando la corrente alternata scorre attraverso un conduttore e questo conduttore è in prossimità di un altro conduttore che trasporta corrente alternata, la corrente nei conduttori tenderà ad essere affollata in regioni più piccole del conduttore con conseguente aumento della resistenza. È importante notare che questo è in aggiunta all'effetto pelle. Pertanto l'effetto di prossimità tende ad aumentare ulteriormente la resistenza effettiva del conduttore oltre quella del solo effetto pelle.

Se i due fili trasportano corrente in direzioni opposte, l'affollamento tende a verificarsi sulle superfici del fili più vicini tra loro. Se la corrente scorre nella stessa direzione, l'affollamento tende a verificarsi sulle superfici più distanti.

Cavo coassiale

Si consideri ora un cavo coassiale cavo con uno schermo esterno spesso di diverse profondità della pelle e con una corrente alternata che scorre solo sul conduttore interno (centrale). Lo schermo è completamente scollegato per questa descrizione. La corrente alternata che scorre nel conduttore centrale sviluppa un campo magnetico attorno ad esso. Poiché il conduttore schermato esterno ha uno spessore di diverse profondità della pelle, non vi è praticamente alcun campo magnetico sviluppato all'interno del conduttore esterno.

Possiamo applicare la legge di Ampere per determinare che il campo magnetico del conduttore interno indurrà un Corrente opposta all'interno dello schermo esterno (questo è un esempio funzionante dell'effetto di prossimità). La corrente all'interno del conduttore esterno deve chiudersi su se stessa in modo che la corrente che scorre all'esterno della schermatura sia la stessa della corrente che scorre all'interno della schermatura.

Ora se colleghiamo lo scudo come sarebbe utilizzato nelle normali condizioni per un'applicazione radioamatoriale, abbiamo corrente che scorre all'esterno dello scudo (a causa dell'effetto pelle) che viene completamente annullato a causa del contrario indotto corrente dal conduttore interno descritto in precedenza. Questo ci lascia con solo la corrente all'interno del conduttore esterno. Dovrebbe essere chiaro da questa descrizione che il risultato della corrente che scorre solo all'interno del conduttore esterno è quindi il risultato sia dell'effetto pelle che dell'effetto di prossimità.

Il risultato netto è che lo schermo del cavo coassiale funge da schermo elettrostatico che, per tutti gli scopi pratici, non consente all'energia elettromagnetica di irradiarsi dal cavo coassiale.

Corrente di modo comune su Cavo coassiale

Se ora portiamo un altro conduttore che trasporta una corrente alternata (come un elemento dell'antenna) in prossimità del cavo coassiale, indurrà una corrente nello schermo. Se lo schermo ha uno spessore di diverse profondità della pelle, nessuna di questa corrente indotta apparirà all'interno del conduttore dello schermo (o in qualsiasi altro punto all'interno del cavo coassiale) ma scorrerà all'esterno dello schermo a causa dell'effetto pelle.

In questa condizione, abbiamo due correnti uniche che fluiscono sullo schermo del cavo coassiale: la corrente che scorre all'interno dello schermo che è generata dal trasmettitore collegato al coassiale e la corrente che scorre l'esterno dello schermo dovuto all'accoppiamento magnetico dall'antenna. Con uno spessore sufficiente dello schermo, queste due correnti non si “vedono” l'una con l'altra poiché nessuna delle due passerà (effettivamente) attraverso il centro dello schermo per interagire con l'altra. Questo è abbastanza diverso da dire la corrente riflessa che si verifica a causa di un carico non corrispondente in cui le correnti dirette e riflesse si "vedono" a vicenda e interagiscono per creare un'onda di corrente stazionaria.

Poiché le due correnti non hanno interazione lungo la lunghezza del cavo coassiale, è, per tutti gli scopi pratici, come se viaggiassero su fili separati. Pertanto, quando si descrive la corrente di modo comune coassiale, l'esterno dello schermo è spesso descritto come il "terzo filo" del cavo coassiale. Ovviamente questa è semplicemente una similitudine, ma si adatta perfettamente alle caratteristiche osservabili.

In primo luogo, importa dove scorrono le correnti di modo comune? Il cavo coassiale funziona come una linea di trasmissione perché le correnti (idealmente) uguali ma opposte sul centro e sullo schermo creano campi opposti che si annullano esattamente per i punti esterni al cavo. Quindi, non si irradia. E per reciprocità, l'interferenza esterna viene rifiutata.

Lo stesso concetto è in gioco con le linee di trasmissione a due conduttori: la corrente uguale e opposta si annulla. Nessun effetto pelle richiesto.

L'effetto pelle non fa funzionare l'interno e l'esterno dello schermo come conduttori distinti . Pensate alle contraddizioni che ciò comporterebbe: come fa la corrente a "sapere" se deve fluire all'interno o all'esterno? Come funzionerebbero gli stub di linea di trasmissione aperti se la corrente di schermatura all'interno "si avvolgesse" e tornasse all'esterno una volta raggiunta la fine del cavo coassiale? Come possono funzionare i balun choke a doppia derivazione?

Esiste un fenomeno simile all'effetto pelle chiamato effetto di prossimità. È rilevante per trasformatori e doppi conduttori o qualsiasi applicazione in cui due o più conduttori in prossimità trasportano corrente RF.

Quando due conduttori trasportano correnti in direzioni opposte (modalità differenziale), la densità di corrente è più alto nelle regioni più vicine all'altro conduttore. Quando la corrente è nella stessa direzione (modo comune), la densità di corrente è massima nelle regioni più lontane.

Entrambi gli skin e gli effetti di prossimità si verificano a causa delle correnti parassite. L'effetto pelle è un caso speciale quando c'è un solo conduttore, con la densità di corrente che cerca di allontanarsi il più possibile da tutte le altre parti del conduttore cercando di trasportare la corrente nella stessa direzione.

Quindi in nel caso del cavo coassiale, per una corrente di modo comune la densità di corrente sarà più alta all'esterno dello schermo poiché questo è il punto più lontano da tutti gli altri punti nel cavo coassiale.

Per una corrente di modo differenziale, la densità di corrente è più alta sulla superficie interna dello schermo e sulla superficie esterna del centro poiché è il punto più vicino tra i due.

Questo non è un effetto pelle che crea una barriera magica tra l'interno e l'esterno dello scudo. Sono correnti parassite che rafforzano alcune correnti mentre ne annullano altre. È la stessa fisica di base dell'effetto pelle, ma non c'è barriera magica. L'interno e l'esterno della schermatura non sono "conduttori distinti".

E che la densità di corrente sia maggiore all'esterno dello schermo non è rilevante per la maggior parte degli scopi. È la cancellazione dei campi, non le barriere magiche dell'effetto pelle che sono responsabili del fatto che il nostro coassiale non irradia.

L'affermazione "la corrente di modo comune scorre all'esterno della schermatura" è vera per una schermatura perfetta. Un cavo TV da 60 ohm a basso costo potrebbe avere una corrente di modo comune all'interno. Guardala dall'altra parte, iniettare una corrente di modo comune sul cavo coassiale utilizzando un trasformatore toroidale e misurare la tensione tra lo schermo e il conduttore interno all'estremità del cavo. Un cavo perfetto (Flexwell con tubo di rame dello spessore di 0,5 mm per lo schermo) non mostrerebbe alcun segnale, ma un cavo coassiale TV a basso costo potrebbe mostrare qualcosa come 60 dB sotto l'accoppiamento a un filo non schermato.

• leif -

Il nome "modo comune" significa che la corrente sullo schermo e sul conduttore centrale viaggia in una direzione comune. Questa condizione è una violazione dei presupposti necessari per far funzionare una linea di trasmissione.

Perché la linea di trasmissione funzioni correttamente, la corrente deve essere in direzioni opposte sullo schermo e sul conduttore centrale; in questo caso, la corrente sarà all'interno dello schermo e all'esterno del conduttore centrale, i campi magnetici indotti si opporranno e si annulleranno e non ci saranno dispersioni.

Se esiste la modalità comune corrente, quindi queste condizioni vengono violate e ci saranno perdite RF sia dentro che fuori la linea di trasmissione.

Il mondo generalmente non è perfetto, è possibile che entrambe le condizioni esistano contemporaneamente. In altre parole, puoi avere contemporaneamente sia la corrente di modo comune che la corrente opposta sullo scudo. Quando ciò si verifica, presumibilmente la corrente di modo comune si troverà all'esterno dello schermo e la corrente opposta all'interno dello schermo e la parte della corrente che è di modo comune causerà perdite. Tuttavia, sarebbe anche possibile (ma improbabile, quindi forse solo una piccola frazione della corrente) che la corrente di modo comune viaggiasse in altre parti dello schermo e causasse correnti parassite, che riscalderebbero lo schermo piuttosto che perdite. Il cavo coassiale di scarsa qualità potrebbe avere uno schermo sottile, che è inferiore alla profondità della pelle, consentendo alle due correnti di mescolarsi e consentendo alle correnti parassite di essere peggiori.

In genere, la corrente di modo comune nella linea di trasmissione è causata dal schermo dell'accoppiamento coassiale con l'antenna, in modo che le correnti opposte corrispondenti fluiscano nell'antenna e all'esterno dello schermo oltre alle correnti corrispondenti all'interno dello schermo e all'esterno del conduttore centrale. Questo accoppiamento essenzialmente rende la schermatura parte dell'antenna.