Стандартная коаксиальная линия фактически состоит из трёх электрически разделённых или изолированных проводников: внешней и внутренней сторон экрана и центрального проводника. При толщине экрана, превышающей несколько толщин скин-слоя, толстый скин-слой изолирует внутреннюю и внешнюю стенки экрана.
Этот барьер, создаваемый толщиной скин-слоя, приводит к тому, что коаксиальные кабели, однопроводные экранированные кабели или концентрические линии становятся электрическим эквивалентом трёхпроводных концентрических линий передачи.
Согласно электротехническим правилам, центральный проводник и внутренняя сторона экрана должны всегда проводить равные и противоположные радиочастотные токи.
Обратите внимание, что на рисунке выше центральная и внутренняя поверхности экрана несут равные и противоположно направленные радиочастотные токи. Это ВСЕГДА происходит, когда толщина экрана составляет несколько скин-слоёв. Мы не можем заставить что-либо произойти!
На рисунках выше и ниже внешняя поверхность экрана изолирована скин-эффектом. Она ведёт себя как отдельный внешний проводник. Скин-эффект препятствует проникновению тока, напряжения или поля (даже магнитного) через экран, когда толщина экрана составляет несколько скин-слоёв. Только разрывы на концах соединяют внутренний и внешний проводящие слои экрана.
Излучение в экранированных линиях и из них
Для работы без излучения коаксиальным кабелям необходимы равные и противоположно направленные токи в экране и центральном проводнике. Внешняя поверхность экрана не должна иметь разности высокочастотных потенциалов по всей длине. Не должно быть градиента напряжения (электрических полей) по всей длине, иначе внешний проводящий слой будет проводить токи. Как правило, это означает, что оба конца кабеля должны быть под напряжением 0 В относительно земли или среды, в которой работает кабель.
Уникальная особенность высокочастотного тока заключается в том, что он всегда движется в направлении от плотного магнитного поля. Это то же самое, что вызывает скин-эффект.
Почему же тогда ток течёт внутри некоторых кабелей, например, линий электропередачи? Потому что в центральном проводнике и экране текут противоположно направленные токи!
Когда ток, текущий от C к D, равен току, текущему от B к A, магнитное и электрическое поля центрального проводника «затягивают» весь ток внутрь экрана. Пока толщина экрана составляет несколько глубин скин-слоя, весь ток остаётся внутри экрана. Скин-слой экрана практически является изолятором для всех токов.
Отвод всего тока во внутреннюю стенку и экранирование кабеля всегда требуют встречного течения точно таких же токов.
Любой дополнительный ток, помимо вычитания токов в центре и экране, перемещается наружу экрана.
Если мы подадим на концы коаксиального кабеля абсолютно равные и противоположные токи, у токов не останется другого выбора, кроме как течь ВНУТРИ экрана кабеля! Самый внешний проводник можно рассматривать как один провод, поскольку всё остальное «скрыто внутри». Когда токи равны и противоположны на экране и в центре, «дополнительный» ток, текущий по внешней стороне экрана, существовать не может.
Благодаря этому правилу нам не нужно заземлять экран для предотвращения излучения. Хитрость здесь в том, что нам нужны равные и противоположные токи. Когда экран имеет разность потенциалов по всей длине, мы можем значительно уменьшить внешние токи, обеспечив высокое сопротивление внешней поверхности коаксиального кабеля. Этого можно добиться, выбрав правильную длину кабеля, добавив оболочки из магнитомягкого железа или намотав кабель в катушку с сердечником или без него, чтобы создать дроссель. Глубина скин-слоя не позволяет внутренней части кабеля «видеть» то, что происходит снаружи.
Самое интересное во всей этой истории — утверждение или идея о том, что «экран» экранированной петли пропускает магнитные поля, фильтруя электрические. Действуют те же правила, что и для коаксиальных линий. Экран фактически становится антенной и взаимодействует с внутренней частью только в зазорах экрана. Если зазоры не расположены точно напротив заземлённой части петли, и внутренние проводники не выходят точно в этой заземлённой точке, экран фактически разбалансирует петлю!
Коаксиальный кабель как экранированный заземляющий провод или радиал
Предположим, что протекает высокочастотный ток силой 1 ампер.
- 1A показывает ток в одном проводнике. В этом примере предположим, что ток равен одному амперу. Весь ток течёт по одному проводнику, и проводник свободно излучает ток.
- 1B показывает ток, когда центральный проводник изолирован и питается током 1 ампер. В этом случае ВСЕ токи равны 1 амперу, но эффективное и реактивное сопротивления между точками A и B увеличиваются! Эта линия излучает так же хорошо, как и линия на 1A, но импеданс и сопротивление потерь немного увеличиваются.
- 1C показывает ток при использовании так называемого «экранированного заземления». При использовании конденсаторов с низким реактивным сопротивлением, если между A и C протекает высокочастотный ток, ток, текущий от B к D внутри кабеля, пренебрежимо мал.
То же самое верно, если соединение между B и D используется в качестве соединения. Между B и D нет тока. Весь высокочастотный ток протекает по внешней оболочке кабеля. Высокочастотное сопротивление практически такое же, как и у экрана. Линия свободно излучает, поскольку, опять же, один ампер тока без сопротивления протекает по внешней стенке экрана.
Если в примере 1C конденсаторы удалены, и только центральный проводник от C до D проводит высокочастотный ток, то внутри экрана и во внутреннем проводнике между B и D высокочастотный ток не будет проходить. Импеданс такой же, как и у одного только экрана. Линия снова свободно излучает.
Электрически экранировать заземляющий провод невозможно. Это связано с тем, что ток может течь внутри коаксиального кабеля только тогда, когда в центре и экране текут противоположные токи. Токи одного направления, например, токи заземления от станции к земле, никогда не могут течь внутри любого проводника или группы проводников. Синфазные токи всегда текут с наибольшим током в области, наибольше удалённой от центра.
Тот же эффект наблюдается и при использовании коаксиального кабеля в качестве радиального кабеля или антенны. Это закон электричества, который невозможно обойти или нарушить. Итак, мы снова видим, несмотря на утверждения в нескольких статьях об антеннах и радиальных кабелях, коэффициент укорочения внутри кабеля никоим образом не влияет на электрическую длину радиального кабеля или антенны!
Пояснение принципа работы может вызвать ответ: «Я добавил экранное заземление, и это решило мои проблемы с радиопомехами». На самом деле, они никогда не добавляли экранированное заземление! Они просто изменили имеющееся заземление, как правило, значительно увеличив его толщину и часто изменив его длину. По чистой случайности они изменили заземление так, что в шэке появилось нулевое напряжение, и списали эту счастливую случайность на нечто невозможное. Они изменили одно, думая об одном, и по глупой случайности изменили что-то другое. Затем они использовали случайность, чтобы придумать или подтвердить несостоятельное заявление.
Все уже знают, или должны знать, что более широкие заземляющие провода обеспечивают лучшее заземление! Помогло не так называемое «экранирование». На самом деле, от конденсаторов и внутреннего проводника можно было бы отказаться и ничуть не изменить систему на радиочастотах. На самом деле проблему решило использование более толстого заземляющего провода и, возможно, изменение его длины на более подходящую. Более того, когда был проложен новый экранированный заземляющий провод, большинство людей, вероятно, убрали все остальные неисправные или некачественные соединения.
Более широкие заземляющие провода обеспечивают низкое сопротивление высокочастотного заземления. Волшебства не существует, и экранированного заземления не существует.
W8JI
