Линия передачи - Transmission line

Эта статья о радиочастотной составляющей. Для движения электрической энергии см. Передача электроэнергии. Для использования в акустике см. Линия передачи звука.

Схема волны, движущейся вправо по двухпроводной линии передачи без потерь. Черные точки представляют электроны, а стрелки показывают электрическое поле.

Один из самых распространенных типов ЛЭП, коаксиальный кабель.

В электротехника, а линия передачи специальный кабель или другая конструкция, предназначенная для проведения электромагнитные волны в сдержанной манере. Этот термин применяется, когда проводники достаточно длинные, чтобы волна необходимо учитывать характер передачи. Особенно это касается радиочастотная техника потому что короткий длины волн означают, что волновые явления возникают на очень коротких расстояниях (в зависимости от частоты они могут достигать миллиметров). Тем не менее теория линий передачи исторически был разработан для объяснения явлений на очень долгое время телеграф линии, особенно подводные телеграфные кабели.

Линии передачи используются для таких целей, как соединение радиопередатчики и приемники с их антенны (их тогда называют линии подачи или кормушки), распределяя кабельное телевидение сигналы, магистральные линии маршрутизация вызовов между телефонными коммутационными центрами, компьютерными сетевыми соединениями и высокоскоростным компьютером шины данных. ВЧ инженеры обычно используют короткие отрезки линии передачи, обычно в виде печатных планарные линии передачи, расположенные по определенным шаблонам для построения схем, таких как фильтры. Эти схемы, известные как схемы с распределенными элементами, являются альтернативой традиционным схемам, использующим дискретные конденсаторы и индукторы.

Обычных электрических кабелей достаточно для передачи низких частот. переменный ток (AC) и звуковые сигналы. Однако их нельзя использовать для передачи токов в радиочастота диапазон выше примерно 30 кГц, потому что энергия имеет тенденцию излучаться от кабеля как радиоволны, вызывая потери мощности. Радиочастотные токи также имеют тенденцию отражаться от разрывов в кабеле, таких как разъемы и шарниров, и спуститесь по кабелю к источнику. Эти отражения действуют как узкие места, не позволяя сигналу достичь места назначения. Линии электропередачи используют специализированную конструкцию, а согласование импеданса, чтобы передавать электромагнитные сигналы с минимальными отражениями и потерями мощности. Отличительной чертой большинства линий электропередачи является то, что они имеют одинаковые размеры поперечного сечения по всей длине, что придает им однородность. сопротивление, называется характеристическое сопротивление, чтобы предотвратить отражение. Чем выше частота электромагнитных волн, проходящих через данный кабель или среду, тем короче длина волны волн. Линии передачи становятся необходимыми, когда длина волны передаваемой частоты достаточно мала, и длина кабеля становится значительной частью длины волны.

В микроволновая печь частоты и выше, потери мощности в линиях передачи становятся чрезмерными, и волноводы вместо этого используются, которые функционируют как «трубы» для ограничения и направления электромагнитных волн. На еще более высоких частотах в терагерц, инфракрасный и видимый диапазоны, волноводы, в свою очередь, становятся с потерями, и оптический методы (например, линзы и зеркала) используются для направления электромагнитных волн.

Обзор

Обычных электрических кабелей достаточно для передачи низких частот. переменный ток (AC), например сетевое питание, который меняет направление от 100 до 120 раз в секунду, и звуковые сигналы. Однако их нельзя использовать для передачи токов в радиочастота классифицировать,^[1] выше примерно 30 кГц, потому что энергия имеет тенденцию излучаться от кабеля как радиоволны, вызывая потери мощности. Радиочастотные токи также имеют тенденцию отражаться от разрывов в кабеле, таких как разъемы и шарниров, и спуститесь по кабелю к источнику.^[1][2] Эти отражения действуют как узкие места, не позволяя сигналу достичь места назначения. Линии электропередачи используют специализированную конструкцию, и согласование импеданса, чтобы передавать электромагнитные сигналы с минимальными отражениями и потерями мощности. Отличительной чертой большинства линий электропередачи является то, что они имеют одинаковые размеры поперечного сечения по всей длине, что придает им однородность. сопротивление, называется характеристическое сопротивление,^[2][3][4] для предотвращения отражений. Типы линии передачи включают параллельную линию (лестница, витая пара ), коаксиальный кабель, и планарные линии передачи Такие как полоса и микрополоска.^[5][6] Чем выше частота электромагнитных волн, проходящих через данный кабель или среду, тем короче длина волны волн. Линии передачи становятся необходимыми, когда длина волны передаваемой частоты достаточно мала, и длина кабеля становится значительной частью длины волны.

В микроволновая печь частоты и выше, потери мощности в линиях передачи становятся чрезмерными, и волноводы вместо этого используются^[1] которые функционируют как «трубы» для ограничения и направления электромагнитных волн.^[6] Некоторые источники определяют волноводы как тип линии передачи;^[6] однако эта статья не будет их включать. На еще более высоких частотах в терагерц, инфракрасный и видимый диапазоны, волноводы, в свою очередь, становятся с потерями, и оптический методы (например, линзы и зеркала) используются для направления электромагнитных волн.^[6]

История

Математический анализ поведения линий электропередачи явился результатом работы Джеймс Клерк Максвелл, Лорд Кельвин, и Оливер Хевисайд. В 1855 году лорд Кельвин сформулировал диффузионную модель тока в подводном кабеле. Модель правильно предсказала плохие характеристики трансатлантического корабля 1858 года. подводный телеграфный кабель. В 1885 году Хевисайд опубликовал первые статьи, в которых описал свой анализ распространения в кабелях и современную форму уравнения телеграфа.^[7]

Модель с четырьмя терминалами

Вариации на тему схематический электронный символ для линии передачи.

В целях анализа линию электропередачи можно смоделировать как двухпортовая сеть (также называемый четырехполюсником) следующим образом:

В простейшем случае сеть предполагается линейной (т.е. сложный напряжение на любом порте пропорционально сложному току, протекающему через него, когда нет отражений), и предполагается, что эти два порта взаимозаменяемы. Если линия передачи однородна по длине, то ее поведение в основном описывается одним параметром, называемым характеристическое сопротивление, символ Z₀. Это отношение комплексного напряжения данной волны к комплексному току той же волны в любой точке линии. Типичные значения Z₀ 50 или 75 лет Ом для коаксиальный кабель, около 100 Ом для витой пары проводов и около 300 Ом для обычного типа нескрученной пары, используемой в радиопередаче.

При отправке мощности по линии передачи обычно желательно, чтобы как можно больше мощности поглощалось нагрузкой и как можно меньше отражалось обратно в источник. Этого можно добиться, сделав импеданс нагрузки равным Z₀, в этом случае линия передачи называется совпадает.

Линия передачи изображена в виде двух черных проводов. На расстоянии Икс в линию, есть ток Я (х) проходит через каждый провод, и есть разница напряжений V (х) между проводами. Если ток и напряжение исходят от одной волны (без отражения), то V(Икс) / я(Икс) = Z₀, куда Z₀ это характеристическое сопротивление линии.

Часть мощности, подаваемой в линию передачи, теряется из-за ее сопротивления. Этот эффект называется омический или же резистивный потеря (см. омический нагрев ). На высоких частотах другой эффект, называемый диэлектрические потери становится значительным, увеличивая потери, вызванные сопротивлением. Диэлектрические потери возникают, когда изоляционный материал внутри линии передачи поглощает энергию переменного электрического поля и преобразует ее в высокая температура (видеть диэлектрический нагрев ). Линия передачи моделируется последовательным сопротивлением (R) и индуктивностью (L), а параллельно - емкостью (C) и проводимостью (G). Сопротивление и проводимость способствуют потерям в линии передачи.

Полная потеря мощности в линии передачи часто указывается в децибелы на метр (дБ / м), и обычно зависит от частоты сигнала. Производитель часто предоставляет диаграмму, показывающую потери в дБ / м в диапазоне частот. Потеря 3 дБ примерно соответствует уменьшению мощности вдвое.

Линии высокочастотной передачи могут быть определены как линии, предназначенные для переноса электромагнитных волн, длины волн короче или сопоставимы с длиной лески. В этих условиях приближения, полезные для расчетов на более низких частотах, перестают быть точными. Это часто происходит с радио, микроволновая печь и оптический сигналы, оптические фильтры с металлической сеткой, и с сигналами, найденными в высокоскоростном цифровые схемы.

Уравнения телеграфа

Основная статья: Уравнения телеграфа

Смотрите также: Размышления о медных линиях

В уравнения телеграфа (или просто телеграфные уравнения) представляют собой пару линейных дифференциальных уравнений, описывающих Напряжение (${\displaystyle V}$) и Текущий (${\displaystyle I}$) на линии электропередачи с расстоянием и временем. Они были разработаны Оливер Хевисайд кто создал модель линии передачи, и основаны на Уравнения Максвелла.

Схематическое изображение элементарного компонента линии передачи.

Модель линии передачи является примером модель с распределенными элементами. Он представляет линию передачи как бесконечную серию двухполюсных элементарных компонентов, каждый из которых представляет бесконечно короткий сегмент линии передачи:

• Распределенное сопротивление ${\displaystyle R}$ проводов представлен последовательным резистором (выраженным в Ом на единицу длины).
• Распределенная индуктивность ${\displaystyle L}$ (из-за магнитное поле вокруг проводов, самоиндукция и др.) представлена ​​серией индуктор (в Генри на единицу длины).
• Емкость ${\displaystyle C}$ между двумя проводниками представлен шунт конденсатор (в фарады на единицу длины).
• В проводимость ${\displaystyle G}$ диэлектрического материала, разделяющего два проводника, представлен шунтирующим резистором между сигнальным проводом и обратным проводом (в Сименс на единицу длины).

Модель состоит из бесконечная серия элементов, показанных на рисунке, а значения компонентов указаны на единицу длины поэтому изображение компонента может ввести в заблуждение. ${\displaystyle R}$, ${\displaystyle L}$, ${\displaystyle C}$, и ${\displaystyle G}$ также могут быть функциями частоты. Альтернативное обозначение - использовать ${\displaystyle R'}$, ${\displaystyle L'}$, ${\displaystyle C'}$ и ${\displaystyle G'}$ чтобы подчеркнуть, что значения являются производными по длине. Эти величины также могут быть известны как константы первичной линии чтобы отличить от вторичных констант линии, производных от них, это постоянная распространения, постоянная затухания и фазовая постоянная.

Напряжение в сети ${\displaystyle V(x)}$ и нынешний ${\displaystyle I(x)}$ можно выразить в частотной области как

${\displaystyle {\frac {\partial V(x)}{\partial x}}=-(R+j\,\omega \,L)\,I(x)}$

${\displaystyle {\frac {\partial I(x)}{\partial x}}=-(G+j\,\omega \,C)\,V(x)~\,.}$

(видеть дифференциальное уравнение, угловая частота ω и мнимая единица j )

Частный случай линии без потерь

Когда элементы ${\displaystyle R}$ и ${\displaystyle G}$ пренебрежимо малы, линия передачи считается структурой без потерь. В этом гипотетическом случае модель зависит только от ${\displaystyle L}$ и ${\displaystyle C}$ элементы, что значительно упрощает анализ. Для линии передачи без потерь уравнения телеграфа второго порядка имеют следующий вид:

${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}V(x)}{\partial x^{2}}}+\omega ^{2}L\,C\,V(x)=0}$

${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}I(x)}{\partial x^{2}}}+\omega ^{2}L\,C\,I(x)=0~\,.}$

Это волновые уравнения который имеет плоские волны с одинаковой скоростью распространения в прямом и обратном направлениях в качестве решений. Физическое значение этого заключается в том, что электромагнитные волны распространяются по линиям передачи и, как правило, существует отраженный компонент, который мешает исходному сигналу. Эти уравнения являются фундаментальными для теории линий передачи.

Общий случай линии с потерями

В общем случае условия убытков, ${\displaystyle R}$ и ${\displaystyle G}$, оба включены, и полная форма уравнений Телеграфа становится:

${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}V(x)}{\partial x^{2}}}=\gamma ^{2}V(x)\,}$

${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}I(x)}{\partial x^{2}}}=\gamma ^{2}I(x)\,}$

куда ${\displaystyle \gamma }$ это (сложный ) постоянная распространения. Эти уравнения являются фундаментальными для теории линий передачи. Они также волновые уравнения, и имеют решения, аналогичные частному случаю, но представляющие собой смесь синусов и косинусов с экспоненциальными коэффициентами затухания. Решение для постоянной распространения ${\displaystyle \gamma }$ по основным параметрам ${\displaystyle R}$, ${\displaystyle L}$, ${\displaystyle G}$, и ${\displaystyle C}$ дает:

${\displaystyle \gamma ={\sqrt {(R+j\,\omega \,L)(G+j\,\omega \,C)\,}}}$

а характеристический импеданс можно выразить как

${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {{\frac {R+j\,\omega \,L}{G+j\,\omega \,C}}\,}}~\,.}$

Решения для ${\displaystyle V(x)}$ и ${\displaystyle I(x)}$ находятся:

${\displaystyle V(x)=V_{(+)}e^{-\gamma \,x}+V_{(-)}e^{+\gamma \,x}\,}$

${\displaystyle I(x)={\frac {1}{Z_{0}}}\,\left(V_{(+)}e^{-\gamma \,x}-V_{(-)}e^{+\gamma \,x}\right)~\,.}$

Константы ${\displaystyle V_{(\pm )}}$ должен определяться из граничных условий. Для импульса напряжения ${\displaystyle V_{\mathrm {in} }(t)\,}$, начинается с ${\displaystyle x=0}$ и двигаться в позитиве ${\displaystyle x}$ направление, то передаваемый импульс ${\displaystyle V_{\mathrm {out} }(x,t)\,}$ на позиции ${\displaystyle x}$ можно получить, вычислив преобразование Фурье, ${\displaystyle {\tilde {V}}(\omega )}$, из ${\displaystyle V_{\mathrm {in} }(t)\,}$, ослабляя каждую частотную составляющую на ${\displaystyle e^{-\operatorname {Re} (\gamma )\,x}\,}$, продвигая свою фазу на ${\displaystyle -\operatorname {Im} (\gamma )\,x\,}$, и принимая обратное преобразование Фурье. Реальная и мнимая части ${\displaystyle \gamma }$ можно вычислить как

${\displaystyle \operatorname {Re} (\gamma )=\alpha =(a^{2}+b^{2})^{1/4}\cos(\psi )\,}$

${\displaystyle \operatorname {Im} (\gamma )=\beta =(a^{2}+b^{2})^{1/4}\sin(\psi )\,}$

с

${\displaystyle a~\equiv ~R\,G\,-\omega ^{2}L\,C\ ~=~\omega ^{2}L\,C\,\left[\left({\frac {R}{\omega L}}\right)\left({\frac {G}{\omega C}}\right)-1\right]}$

${\displaystyle b~\equiv ~\omega \,C\,R+\omega \,L\,G~=~\omega ^{2}L\,C\,\left({\frac {R}{\omega \,L}}+{\frac {G}{\omega \,C}}\right)}$

правильные выражения держатся, когда ни ${\displaystyle L}$, ни ${\displaystyle C}$, ни ${\displaystyle \omega }$ равен нулю, а с

${\displaystyle \psi ~\equiv ~{\tfrac {1}{2}}\operatorname {atan2} (b,a)\,}$

куда atan2 является повсеместно определенной формой двухпараметрической функции арктангенса с произвольным нулевым значением, когда оба аргумента равны нулю.

В качестве альтернативы, комплексный квадратный корень можно вычислить алгебраически, чтобы получить:

${\displaystyle \alpha ={\frac {\pm b}{\sqrt {2\left(-a+{\sqrt {a^{2}+b^{2}}}\right)~}}},}$

и

${\displaystyle \beta =\pm {\sqrt {{\tfrac {1}{2}}\left(-a+{\sqrt {a^{2}+b^{2}}}\right)~}},}$

со знаком плюс или минус, выбранным напротив направления движения волны через проводящую среду. (Обратите внимание, что а обычно отрицательный, так как ${\displaystyle G}$ и ${\displaystyle R}$ обычно намного меньше, чем ${\displaystyle \omega C}$ и ${\displaystyle \omega L}$соответственно так −a обычно положительный. б всегда положительный.)

Особый случай с низкими потерями

Для малых потерь и высоких частот общие уравнения можно упростить: Если ${\displaystyle {\tfrac {R}{\omega \,L}}\ll 1}$ и ${\displaystyle {\tfrac {G}{\omega \,C}}\ll 1}$ тогда

${\displaystyle \operatorname {Re} (\gamma )=\alpha \approx {\tfrac {1}{2}}{\sqrt {L\,C\,}}\,\left({\frac {R}{L}}+{\frac {G}{C}}\right)\,}$

${\displaystyle \operatorname {Im} (\gamma )=\beta \approx \omega \,{\sqrt {L\,C\,}}~.\,}$

Поскольку продвижение по фазе на ${\displaystyle -\omega \,\delta }$ эквивалентно временной задержке на ${\displaystyle \delta }$, ${\displaystyle V_{out}(t)}$ можно просто вычислить как

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }(x,t)\approx V_{\mathrm {in} }(t-{\sqrt {L\,C\,}}\,x)\,e^{-{\tfrac {1}{2}}{\sqrt {L\,C\,}}\,\left({\frac {R}{L}}+{\frac {G}{C}}\right)\,x}.\,}$

Состояние Хевисайда

Основная статья: Состояние Хевисайда

В Состояние Хевисайда это частный случай, когда волна распространяется по линии без каких-либо разброс искажение. Условием для этого является

${\displaystyle {\frac {G}{C}}={\frac {R}{L}}}$

Входное сопротивление линии передачи

Глядя на груз по длине ${\displaystyle \ell }$ линии передачи без потерь импеданс изменяется как ${\displaystyle \ell }$ увеличивается, следуя синему кругу на этом диаграмма Смита импеданса. (Этот импеданс характеризуется коэффициент отражения, которое представляет собой отраженное напряжение, деленное на падающее напряжение.) Синий кружок в центре диаграммы иногда называют КСВ круг (Короче для постоянный коэффициент стоячей волны ).

В характеристическое сопротивление ${\displaystyle Z_{0}}$ линии передачи - это отношение амплитуды Один волна напряжения к его текущей волне. Поскольку большинство линий передачи также имеют отраженную волну, характеристический импеданс обычно не является импедансом, измеренным на линии.

Импеданс, измеренный на заданном расстоянии ${\displaystyle \ell }$ от импеданса нагрузки ${\displaystyle Z_{\mathrm {L} }}$ может быть выражено как

${\displaystyle Z_{\mathrm {in} }\left(\ell \right)={\frac {V(\ell )}{I(\ell )}}=Z_{0}{\frac {1+{\mathit {\Gamma }}_{\mathrm {L} }e^{-2\gamma \ell }}{1-{\mathit {\Gamma }}_{\mathrm {L} }e^{-2\gamma \ell }}}}$,

куда ${\displaystyle \gamma }$ - постоянная распространения и ${\displaystyle {\mathit {\Gamma }}_{\mathrm {L} }={\frac {\,Z_{\mathrm {L} }-Z_{0}\,}{Z_{\mathrm {L} }+Z_{0}}}}$ это напряжение коэффициент отражения измеряется на стороне нагрузки линии передачи. В качестве альтернативы, приведенная выше формула может быть изменена, чтобы выразить входное сопротивление в терминах полного сопротивления нагрузки, а не коэффициента отражения напряжения нагрузки:

${\displaystyle Z_{\mathrm {in} }(\ell )=Z_{0}\,{\frac {Z_{\mathrm {L} }+Z_{0}\tanh \left(\gamma \ell \right)}{Z_{0}+Z_{\mathrm {L} }\,\tanh \left(\gamma \ell \right)}}}$.

Входное сопротивление линии передачи без потерь

Для линии передачи без потерь постоянная распространения является чисто мнимой, ${\displaystyle \gamma =j\,\beta }$, поэтому приведенные выше формулы можно переписать как

${\displaystyle Z_{\mathrm {in} }(\ell )=Z_{0}{\frac {Z_{\mathrm {L} }+j\,Z_{0}\,\tan(\beta \ell )}{Z_{0}+j\,Z_{\mathrm {L} }\tan(\beta \ell )}}}$

куда ${\displaystyle \beta ={\frac {\,2\pi \,}{\lambda }}}$ это волновое число.

При расчете ${\displaystyle \beta ,}$ длина волны вообще разная внутри линия передачи в то, что было бы в свободном пространстве. Следовательно, при выполнении таких расчетов необходимо учитывать фактор скорости материала, из которого сделана линия передачи.

Особые случаи линий передачи без потерь

Длина полуволны

Для особого случая, когда ${\displaystyle \beta \,\ell =n\,\pi }$ где n - целое число (что означает, что длина линии кратна половине длины волны), выражение сводится к импедансу нагрузки, так что

${\displaystyle Z_{\mathrm {in} }=Z_{\mathrm {L} }\,}$

для всех ${\displaystyle n\,.}$ Сюда входит случай, когда ${\displaystyle n=0}$, что означает, что длина линии передачи ничтожно мала по сравнению с длиной волны. Физическое значение этого состоит в том, что линию передачи можно игнорировать (то есть рассматривать как провод) в любом случае.

Четверть длины волны

Основная статья: четвертьволновой трансформатор импеданса

Для случая, когда длина линии составляет одну четверть длины волны или нечетное кратное четверти длины волны, входной импеданс становится равным

${\displaystyle Z_{\mathrm {in} }={\frac {Z_{0}^{2}}{Z_{\mathrm {L} }}}~\,.}$

Соответствующая нагрузка

Другой частный случай - когда полное сопротивление нагрузки равно характеристическому сопротивлению линии (т. Е. Линия совпадает), и в этом случае полное сопротивление уменьшается до характеристического сопротивления линии, так что

${\displaystyle Z_{\mathrm {in} }=Z_{\mathrm {L} }=Z_{0}\,}$

для всех ${\displaystyle \ell }$ и все ${\displaystyle \lambda }$.

короткий

Стоячие волны на линии передачи с нагрузкой холостого хода (вверху) и нагрузкой короткого замыкания (внизу). Черные точки представляют электроны, а стрелки показывают электрическое поле.

Основная статья: заглушка

В случае короткого замыкания нагрузки (т.е. ${\displaystyle Z_{\mathrm {L} }=0}$), входной импеданс является чисто мнимым и является периодической функцией положения и длины волны (частоты).

${\displaystyle Z_{\mathrm {in} }(\ell )=j\,Z_{0}\,\tan(\beta \ell ).\,}$

Открыть

Основная статья: заглушка

В случае открытой нагрузки (т.е. ${\displaystyle Z_{\mathrm {L} }=\infty }$) входной импеданс снова мнимый и периодический.

${\displaystyle Z_{\mathrm {in} }(\ell )=-j\,Z_{0}\cot(\beta \ell ).\,}$

Ступенчатая линия передачи

Простой пример ступенчатой ​​линии передачи, состоящей из трех сегментов.

Ступенчатая линия передачи используется для широкого диапазона согласование импеданса. Его можно рассматривать как несколько сегментов линии передачи, соединенных последовательно, с характеристическим импедансом каждого отдельного элемента. ${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }}$.^[8] Входной импеданс может быть получен путем последовательного применения цепного отношения

${\displaystyle Z_{\mathrm {i+1} }=Z_{\mathrm {0,i} }\,{\frac {\,Z_{\mathrm {i} }+j\,Z_{\mathrm {0,i} }\,\tan(\beta _{\mathrm {i} }\ell _{\mathrm {i} })\,}{Z_{\mathrm {0,i} }+j\,Z_{\mathrm {i} }\,\tan(\beta _{\mathrm {i} }\ell _{\mathrm {i} })}}\,}$

куда ${\displaystyle \beta _{\mathrm {i} }}$ волновое число ${\displaystyle \mathrm {i} }$-й участок линии электропередачи и ${\displaystyle \ell _{\mathrm {i} }}$ - длина этого сегмента, а ${\displaystyle Z_{\mathrm {i} }}$ это входной импеданс, который нагружает ${\displaystyle \mathrm {i} }$-й сегмент.

Круг преобразования импеданса вдоль линии передачи, характеристический импеданс которой ${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }}$ меньше, чем у входного кабеля ${\displaystyle Z_{0}}$. И в результате кривая импеданса смещена по направлению к ${\displaystyle -x}$ ось. Наоборот, если ${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }>Z_{0}}$, кривая импеданса должна быть смещена относительно центра ${\displaystyle +x}$ ось.

Поскольку характеристический импеданс каждого сегмента линии передачи ${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }}$ часто отличается от импеданса ${\displaystyle Z_{0}}$ четвертого, входного кабеля (показан только стрелкой, обозначенной ${\displaystyle Z_{0}}$ в левой части диаграммы выше), круг преобразования импеданса смещен по центру ${\displaystyle x}$ ось Диаграмма Смита представление импеданса обычно нормируется относительно ${\displaystyle Z_{0}}$.

Ступенчатая линия передачи является примером схема с распределенными элементами. Большое количество других цепей также может быть построено с линиями передачи, включая фильтры, делители мощности и направленные ответвители.

Практические типы

Коаксиальный кабель

Основная статья: коаксиальный кабель

Коаксиальные линии ограничивают практически всю электромагнитную волну внутри кабеля. Таким образом, коаксиальные линии можно изгибать и скручивать (в определенных пределах) без отрицательных эффектов, и их можно прикреплять к проводящим опорам, не создавая в них нежелательных токов. В радиочастотных приложениях до нескольких гигагерц волна распространяется в поперечный Только электрическая и магнитная мода (ТЕМ), что означает, что электрическое и магнитное поля перпендикулярны направлению распространения (электрическое поле является радиальным, а магнитное поле - окружным). Однако на частотах, для которых длина волны (в диэлектрике) значительно короче, чем длина окружности кабеля, другие поперечные моды может размножаться. Эти режимы подразделяются на две группы: поперечные электрические (TE) и поперечно-магнитные (TM). волновод режимы. Когда может существовать более одного режима, изгибы и другие неровности в геометрии кабеля могут вызвать передачу мощности из одного режима в другой.

Чаще всего коаксиальные кабели используются для передачи телевизионных и других сигналов с полосой пропускания в несколько мегагерц. В середине 20 века возили междугородний телефон соединения.

Плоские линии

Основная статья: Планарная линия передачи

Микрополоска

Тип линии передачи, называемый линия клетки, используется для приложений с высокой мощностью и низкой частотой. Он работает так же, как большой коаксиальный кабель. Этот пример - антенна линия подачи для длинноволновый радиопередатчик в Польша, который работает на частоте 225 кГц и мощностью 1200 кВт.

Основная статья: микрополоска

В микрополосковой схеме используется тонкий плоский проводник, который параллельно к плоскость земли. Микрополоску можно сделать, разместив полоску меди на одной стороне печатная плата (PCB) или керамическая подложка, а другая сторона представляет собой сплошную заземленную поверхность. Ширина полосы, толщина изоляционного слоя (печатной платы или керамики) и диэлектрическая постоянная изоляционного слоя определяют характеристический импеданс. Микрополосковый кабель - это открытая конструкция, а коаксиальный кабель - закрытая.

Полосковая линия

Основная статья: Полосковая линия

В полосковой схеме используется плоская металлическая полоса, зажатая между двумя параллельными плоскостями заземления. Изолирующий материал подложки образует диэлектрик. Ширина полосы, толщина подложки и относительная диэлектрическая проницаемость подложки определяют характеристический импеданс полосы, которая является линией передачи.

Копланарный волновод

Основная статья: Копланарный волновод

Компланарный волновод состоит из центральной полосы и двух смежных внешних проводников, все три из которых являются плоскими структурами, которые нанесены на одну и ту же изолирующую подложку и, таким образом, расположены в одной плоскости («копланарности»). Ширина центрального проводника, расстояние между внутренним и внешним проводниками и относительная диэлектрическая проницаемость подложки определяют характеристический импеданс копланарной линии передачи.

Сбалансированные линии

Основная статья: Сбалансированная линия

Симметричная линия - это линия передачи, состоящая из двух проводов одного типа и равного сопротивления относительно земли и других цепей. Существует множество форматов симметричных линий, среди наиболее распространенных - витая пара, четырехполюсный и двухпроводной.

Витая пара

Основная статья: Витая пара

Витые пары обычно используются для наземных телефон коммуникации. В таких кабелях в один кабель сгруппировано множество пар, от двух до нескольких тысяч.^[9] Формат также используется для распределения сети передачи данных внутри зданий, но кабель более дорогой, поскольку параметры линии передачи жестко контролируются.

Звездный квад

Основная статья: Кабель со звездочкой

Star quad - это четырехжильный кабель, в котором все четыре жилы скручены вместе вокруг оси кабеля. Иногда он используется для двух цепей, например 4-х проводный телефония и другие телекоммуникационные приложения. В этой конфигурации каждая пара использует два несмежных проводника. В других случаях он используется для сингла, сбалансированная линия, например, аудиоприложения и 2-х проводный телефония. В этой конфигурации два несмежных проводника соединены вместе на обоих концах кабеля, а два других проводника также соединены вместе.

При использовании для двух цепей перекрестные помехи уменьшаются по сравнению с кабелями с двумя отдельными витыми парами.

При использовании для сингла сбалансированная линия магнитные помехи, улавливаемые кабелем, поступают в виде практически идеального синфазного сигнала, который легко устраняется с помощью соединительных трансформаторов.

Комбинированные преимущества скручивания, сбалансированной передачи сигналов и квадрупольной диаграммы направленности обеспечивают превосходную помехоустойчивость, что особенно полезно для приложений с низким уровнем сигнала, таких как микрофонные кабели, даже при установке очень близко к кабелю питания.^{[10][11][12][13][14]} Недостатком является то, что звездообразный четырехжильный кабель при объединении двух проводов обычно имеет удвоенную емкость, чем аналогичный двухжильный скрученный и экранированный аудиокабель. Высокая емкость вызывает увеличение искажений и большую потерю высоких частот с увеличением расстояния.^[15][16]

Твин-свинец

Основная статья: Твин-свинец

Двойной вывод состоит из пары проводников, разделенных сплошным изолятором. Удерживая проводники на известном расстоянии друг от друга, геометрия фиксируется, а характеристики линий надежно согласованы. Это более низкие потери, чем у коаксиального кабеля, поскольку характеристический импеданс двухжильного кабеля обычно выше, чем у коаксиального кабеля, что приводит к более низким резистивным потерям из-за пониженного тока. Однако он более подвержен помехам.

Линии Лечера

Основная статья: Линии Лечера

Линии Лехера - это форма параллельного проводника, который можно использовать в УВЧ для создания резонансных цепей. Это удобный практический формат, который заполняет пробел между сосредоточенный компоненты (используются в HF /УКВ ) и резонансные полости (используется в УВЧ /СВЧ ).

Однопроводная линия

Несбалансированные линии раньше широко использовались для телеграфной передачи, но теперь эта форма связи вышла из употребления. Кабели похожи на витую пару в том, что многие жилы связаны в один и тот же кабель, но для каждой цепи предусмотрен только один проводник, и скручивание отсутствует. Все цепи на одном и том же маршруте используют общий путь для обратного тока (возврат на землю). Существует передача энергии версия однопроводное заземление используется во многих местах.

Общие приложения

Передача сигнала

Линии электропередачи очень широко используются для передачи высокочастотных сигналов на большие или короткие расстояния с минимальными потерями мощности. Один знакомый пример - это вниз ведущий с телевизора или радио воздушный к получателю.

Генерация импульса

Линии передачи также используются в качестве генераторов импульсов. Заряжая линию передачи, а затем разряжая ее в резистивный нагрузки, прямоугольный импульс, равный по длине удвоенной электрическая длина линии можно получить, хотя и с половиной напряжения. А Линия передачи Blumlein представляет собой соответствующее устройство формирования импульсов, которое преодолевает это ограничение. Иногда они используются как импульсная мощность источники для радар передатчики и другие устройства.

Заглушки фильтров

Смотрите также: Фильтр с распределенными элементами § Шлейфовые полосовые фильтры

Если короткозамкнутая или разомкнутая линия передачи подключена параллельно с линией, используемой для передачи сигналов из точки A в точку B, то она будет функционировать как фильтр. Метод изготовления заглушек аналогичен методу использования линий Лечера для грубого измерения частоты, но он «работает в обратном направлении». Один метод, рекомендованный в RSGB в справочнике по радиосвязи рассматривается отрезок разомкнутой линии передачи, соединенный параллельно с кормушка доставка сигналов с антенны. Обрезая свободный конец линии передачи, можно найти минимум силы сигнала, наблюдаемого на приемнике. На этом этапе шлейфовый фильтр будет отклонять эту частоту и нечетные гармоники, но если свободный конец шлейфа закорочен, шлейф станет фильтром, отклоняющим четные гармоники.

Звук

Теория звуковая волна математически распространение очень похоже на распространение электромагнитных волн, поэтому методы теории линий передачи также используются для создания структур, проводящих акустические волны; и они называются акустические линии передачи.

Смотрите также

• Искусственная линия передачи
• Продольная электромагнитная волна
• Скорость распространения
• Радиочастотная передача энергии
• Рефлектометр во временной области

Рекомендации

Часть этой статьи была взята из Федеральный стандарт 1037C.

1. Джекман, Шон М .; Мэтт Шварц; Маркус Бертон; Томас У. Хед (2011). CWDP Certified Wireless Design Professional Official Study Guide: Exam PW0-250. Джон Вили и сыновья. стр. гл. 7. ISBN  978-1118041611.
2. Oklobdzija, Vojin G .; Рам К. Кришнамурти (2006). Высокопроизводительный энергоэффективный микропроцессор. Springer Science & Business Media. п. 297. ISBN  978-0387340470.
3. Гуру, Бхаг Сингх; Хусейн Р. Хызыроглу (2004). Основы теории электромагнитного поля, 2-е изд.. Cambridge Univ. Нажмите. С. 422–423. ISBN  978-1139451925.
4. Шмитт, Рон Шмитт (2002). Объяснение электромагнетизма: Справочник по беспроводной / радиочастотной, электромагнитной и высокоскоростной электронике. Newnes. стр.153. ISBN  978-0080505237.
5. Карр, Джозеф Дж. (1997). СВЧ и технологии беспроводной связи. США: Ньюнес. С. 46–47. ISBN  978-0750697071.
6. Raisanen, Antti V .; Арто Лехто (2003). Радиотехника для беспроводной связи и сенсорных приложений. Артек Хаус. С. 35–37. ISBN  978-1580536691.
7. Вебер, Эрнст; Небекер, Фредерик (1994). Эволюция электротехники. Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE Press. ISBN  0-7803-1066-7.
8. Цянь, Чуньци; Брей, Уильям В. (2009). «Согласование импеданса с регулируемой сегментированной линией передачи». Журнал магнитного резонанса. 199 (1): 104–110. Bibcode:2009JMagR.199..104Q. Дои:10.1016 / j.jmr.2009.04.005. PMID  19406676.
9. Сайед В. Ахамед, Виктор Б. Лоуренс, Проектирование и разработка интеллектуальных систем связи, стр.130–131, Springer, 1997 г. ISBN  0-7923-9870-X.
10. Важность микрофонного кабеля Star-Quad
11. Оценка характеристик и характеристик микрофонного кабеля
12. История звездного квадрата
13. Что особенного в кабеле Star-Quad?
14. Как работает Starquad
15. Лампен, Стивен Х. (2002). Карманное руководство для установщика аудио / видео кабеля. Макгроу-Хилл. С. 32, 110, 112. ISBN  978-0071386210.
16. Рейберн, Рэй (2011). Книга Eargle «Микрофоны: от моно к стерео и объемному звучанию» - руководство по дизайну и применению микрофона (3-е изд.). Focal Press. стр.164 –166. ISBN  978-0240820750.

• Стейнмец, Чарльз Протеус (27 августа 1898 г.). «Собственный период линии передачи и частота грозовых разрядов от нее». Электрический мир: 203–205.

• Grant, I.S .; Филлипс, W.R. (1991-08-26). Электромагнетизм (2-е изд.). Джон Вили. ISBN  978-0-471-92712-9.

• Улаби, Ф. (2004). Основы прикладной электромагнетизма (СМИ, 2004). Прентис Холл. ISBN  978-0-13-185089-7.

• «Глава 17». Справочник по радиосвязи. Радио общество Великобритании. 1982. с. 20. ISBN  978-0-900612-58-9.

• Naredo, J.L .; Soudack, A.C .; Марти, Дж. Р. (январь 1995 г.). «Моделирование переходных процессов на ЛЭП с коронным разрядом методом характеристик». Протоколы IEE - Генерация, передача и распространение. 142 (1): 81. Дои:10.1049 / ip-gtd: 19951488. ISSN  1350-2360.

дальнейшее чтение

• Почитание Гульельмо Маркони. Ежегодный ужин института в Вальдорф-Астории. Нью-Йорк: Американский институт инженеров-электриков. 13 января 1902 г.

• «Использование уравнений и параметров линии передачи». Руководство Star-Hspice. Avant! Программного обеспечения. Июнь 2001 г. Архивировано с оригинал 25 сентября 2005 г.

• Корнилл, П. (1990). «О распространении неоднородных волн». Журнал физики D: Прикладная физика. 23 (2): 129–135. Bibcode:1990JPhD ... 23..129C. Дои:10.1088/0022-3727/23/2/001.

• Фарлоу, С.Дж. (1982). Уравнения в частных производных для ученых и инженеров. Дж. Уайли и сыновья. п. 126. ISBN  0-471-08639-8.

• Купершмидт, Борис А. (1998). «Замечания о случайных эволюциях в гамильтоновом представлении». J. Нелинейная математика. Phys. 5 (4): 383–395. arXiv:math-ph / 9810020. Bibcode:1998JNMP .... 5..483K. Дои:10.2991 / jnmp.1998.5.4.10. Math-ph / 9810020.

• «Согласование линии передачи» (PDF). Кафедра электронной и информационной инженерии. Проектирование высокочастотных схем. Гонконгский политехнический университет. EIE403.

• Уилсон, Б. (19 октября 2005 г.). "Уравнения телеграфа". Связи. Архивировано из оригинал 9 января 2006 г.

• Wöhlbier, Джон Грейтон (2000). Моделирование и анализ бегущей волны при многотональном возбуждении. (PDF). Электротехника и вычислительная техника (M.S.). Мэдисон, Висконсин: Университет Висконсина. § «Основное уравнение» и § «Преобразование уравнений телеграфа». Архивировано из оригинал (PDF) 19 июня 2006 г.

• «Распространение волн по линии передачи» (Образовательный Java-апплет). Образовательные ресурсы. Keysight Technologies. (Может потребоваться добавить "http://www.keysight.com "в ваш список сайтов исключений Java.)

• Цянь, Чуньци; Брей, Уильям В. (2009). «Согласование импеданса с регулируемой сегментированной линией передачи». Журнал магнитного резонанса. 199 (1): 104–110. Bibcode:2009JMagR.199..104Q. Дои:10.1016 / j.jmr.2009.04.005. PMID  19406676.

внешняя ссылка

• «Калькулятор линии передачи (включая потери на излучение и возбуждение поверхностных волн)». terahertz.tudelft.nl. Делфт, Нидерланды: Технический университет Делфта.

• «Калькулятор параметров линии передачи». cecas.clemson.edu/cvel. Клемсон, Южная Каролина: Университет Клемсона.