传输线

在我的上电经验开始, 我碰到一块来了 同轴电缆 与标签 “50 欧姆” 沿其外鞘印刷. 所述同轴电缆是由编织线涂层包围的单个导体构成, 与所述两个分开的塑料绝缘材料. 外导体 (编织) 完全包围内导体 (单线), 的两个导体彼此隔离的电缆的整个长度上. 这种类型的配线的通常用于进行弱电压信号 (减小的振幅的), 由于其优异的屏蔽从外部干扰的那些信号的能力.

同轴电缆的建设.

我被弄得标签 “50 欧姆” 此同轴电缆. 通过这种方式，两个导体, 由塑料制成的相对厚的层彼此隔离, 有 50 它们之间的电阻的欧姆? 通过测量外部导体和内部我发现无限大的电阻之间的电阻 (开路), 正如我本来期望两根绝缘导线. 两个导体的电阻的从另一电缆的一端的测量表明几乎零欧姆电阻: 再次, 正是我所期待的连续长度和连续线. 无处我能够测量 50 该电缆的电阻Ω, 不管我什么连接点我欧姆表.

当记者问一位专家告诉我，这是对高频率的有线信号CA. 连续电流 (DC) – 以及所用我的欧姆表来检查电缆的电阻 – 它表明，两个导体完全彼此隔离, 两者之间几乎无限大的电阻. 然而, 由于电容和电感的沿着电缆的长度分布的影响, 电缆响应于该电压迅速改变是这样的，作为阻抗起作用, (吸收的电流成比例的所施加的电压). 我们通常认为只有一对导线的成为瞬态信号和高频AC的存在的一个重要的电路元件, 与所有其特性. 当我们表达这些特性, 我们指的是所述一对导线的作为传输线 .

本章探讨传输线的行为. 传输线的许多影响不会在线路频率的交流电路显著出现, 或连续的电路, 所以我不是我所占据，直到那个时候. 然而, 在涉及高频率的电路和 / 或电缆的长度长, 效果非常显著. 传输线的应用程序的实际效果盛产射频通信电路, 包括计算机网络, 和在低频受到电压瞬变电路 (“峰”) 像电源线雷击.

电路和光的速度

我会尽量用简单的例子，用最小的减少公式来解释非常复杂的概念, 用于处理支持上述参照大学的数学见解, 这本来是很容易的描述与数学公式的行为.

困难的部分就是这样, 解释复杂的事情，如果你是它解释到中等的家伙.

假设我们有由通过开关控制的LED的简单的电路. 当开关被闭合, LED会亮起瞬间. 当开关处于打开状态, 该LED立即关闭:

该LED似乎立即响应开关.

对于所有的实际目的, 相比于LED状态的开关效果是瞬时的. 虽然电子通过导线移动速度非常慢, 该推挤彼此的电子的整体效果发生在光的速度 (大约 300,000 人公里 第二!).

会发生什么, 然而, 如果承载功率给灯的电线被长 300.000 千米? 因为我们知道，电的效果都具有一定的速度 (虽然非常快), 一组很长的电缆应在电路中引入的延迟, 延迟在灯的操作开关.

在光的速度, 后LED响应 1 第二.

假设沿的长度没有阻力 600.000 两个线程的公里, 开关闭合后的LED点亮约一秒钟. 虽然超导电缆的建设和运行，只要将带来巨大的实际问题, 这在理论上是可能的, 所以这 “思想实验” 它是有效的. 当开关被再次打开, 该灯将继续开关的断开之后接收功率一秒, 然后deenergises.

想象着里面的电子导体在火车思考他们作为铁路货车的一种方式: 在对一个小游戏连接在一起. 当车厢 (电子) 开始移动, 他只是把前面和后面拉着一个, 但在此之前的配对游戏被吸收. 如此, 的移动被从车皮转移到车皮 (从电子到电子) 在通过松散耦合限制的最大速度, 确定的运动传递快得多从列车的左端 (电路) 右端比货车的实际速度 (电子):

的移动被从一个车皮有效地传递.

另一个比喻, 也许更适合于传输线的主题, 是，波在水. 假设一个平坦的物体突然沿水的表面水平地移动, 产生一波提前. 波将前往当水分子会彼此碰撞, 快得多转移沿水的表面上的波浪运动比水分子本身实际行驶:

在水中溶胀.

同样, 该 “耦合” 的电子的运动行进的光以大致速度, 虽然电子本身不移动那么快. 在很长一段电路, 这个速度 “耦合” 这将在开关动作和灯的动作之间的短的时间间隔的形式对人类观察者是显而易见.

特性阻抗

假设, 然而, 有一系列长度的平行导线的 无穷, 结尾没有光.

当我们关闭开关，会发生什么?

由于不再有在导线的端部的载荷, 该电路是开放的. 会有在当前?

无限传输线.

虽然我们能够避免通过本使用超导体的导线的电阻 “思想实验”, 我们不能消除导线沿着长度的能力. 任何 一对由一绝缘介质分离的导体的创建这些导体之间的电容:

示出了导体之间的寄生电容等效电路图.

两个导体之间施加的电压创建这些导体之间的电场. 能量被储存在该电场, 而这种积累的能量转换成一个反对电压变化. 对电压的变化的能力的反应由下式I = C描述 (的 / DT), 它告诉我们，目前将是成正比时的电压变化速度. 因此, 当开关被闭合, 导体之间的电容将针对电压充电的突然增加和汲取电流从源反应. 根据公式, 所施加的电压的瞬时增加 (如从开关的完美闭合的产物) 产生了充电电流无限.

然而, 由一对平行线的吸收的电流将不会是无限, 由于存在长的导线的阻抗由于电感系列.

示出寄生电容和电感的等效电路图.

通过电流 任何 导体开发大小成比例的磁场的电流本身. 能量被储存在这个磁场, 这种能量的积累转化成一个反对电流变化.

每个导线开发的磁场，因为它携带充电电流的导线之间的电容, 并且由此根据电感的方程的电压下降

和L = (的 / DT).

该电压降通过分布式电容限制了电压变化速度, 防止电流总是达到无限强度:

因为在两根导线中的电子几乎光速传输朝向彼此和所述运动, 该 “波前” 的电压和电流将沿着线的长度传播到相同的速度, 导致其被逐渐地充电到满电压和电流的分布电容和电感, 分别, 所以:

加载的传输线.

启动波传播.

继续波传播.

这些相互作用的最终结果是由电池提供有限振幅的恒定电流. 换句话说, 这对电缆绘制一条从源电流，直到开关闭合, 充当恒定负荷. 电线是电流和电压承载的不仅多个导体, 但现在它们构成了一个电路组件本身, 具有独特功能. 这两条线不再是简单 一对导体, 而是 传输线.

作为恒负载, 传输线所施加的电压的响应是电阻性的，而不是反应性, 尽管仅由电感和电容构成的被 (假设具有零电阻的超导电缆). 可以说这是因为没有从消耗能量的电阻器和其永远永远吸收能量无限传输线之间的电池的透视差. 阻抗 (阻力) 这条线被称为欧姆 特性阻抗, 并且它由两个导体的几何形状固定. 用于与空气绝缘的平行线线, 的特性阻抗可被计算为这样的:

如果传输线是同轴结构, 特性阻抗遵循不同的方程:

在这两个公式, 它们必须被用在分数的两个术语相同测量单元. 如果绝缘材料是从空气中不同 (或通过真空), 将由两个特性阻抗的影响的传播的速度. 一传输线的实际的传播速度，并在真空中的光速之间的关系被称为 因素 的 速度 这条线的.

速度因子是纯粹的绝缘材料的相对介电常数的因素 (也被称为 介电常数), 定义为材料的电场的电容率和纯真空之间的比率. 任何类型的电缆的速度因子, 同轴或其他, 它可以简单地通过以下的公式来计算:

的特性阻抗也被称为 特性阻抗 它指的是传输线的等效电阻，如果它是无限长的, 由于分布电容和电感时 “哪里” 电压和电流沿其长度传播

它可以在前两个方程之一可以看出，传输线的特性阻抗 (同) 随着导体的间距. 如果导体彼此移开, 分布电容会减小 (之间更大的距离 “板” 聚光器) 和分布电感会增加 (少两个相对的磁场的抵消). A小调并联电容和串联结果的较大的电感在较低的电流从线绘制的施加电压的任何给定的量, 根据定义它是一个较高阻抗. 反过来, 接近两个导体增加并联电容和减小串联的电感. 两者的变化产生用于给定的施加电压更高的电流消耗, 相当于一个较低的阻抗.

除非任何耗散效果 “分散” 电介质和导体电阻, 传输线的阻抗的特性等于每单位长度的线路电感的由线的每单位长度的容量分割的比率的平方根:

线用于在传输长度

无限长度的传输线是一个抽象有趣, 但实际上不可能. 所有的传输线具有有限的长度，并且因此不完全一样的环形线. 如果从该段电缆的 50 哦 “RG-58 / 该” 我用欧姆表测量年前，这是无限长, 在现实中，我就已经能够测量 50 电阻Ω的内部和外部导体之间的. 但它不是无限的，因此测得 “开放” (无限性).

然而, 的传输线的特性阻抗也很重要，当涉及到有限长度. 对于特性阻抗的旧术语, 我喜欢它的描述值, 它是 峰值阻抗. 如果瞬态电压 (一 “势头”) 它被施加到传输线的端, 线吸收的电流成比例的峰值电压通过线路的浪涌阻抗分量值 (我= E / 同).

如果传输线的端部是开放的, 即未连接, 当前 “然后” 沿着线的长度传播，必须在端部止挡, 因为电子不能流那里没有连续的路径. 在该行的结束当前的这种突然戒烟引起 “积压” 沿传输线的整个长度, 由于电子再也找不到任何地方去.

试想一下，在轨道上前面的例子列车行走: 如果主车突然崩溃的一个巨大的路障, 将停止, 导致第一，一旦后面的货车被逮捕的松耦合恢复, 这导致接下来的轨道车一旦未来松弛松弛停止, 依此类推，直到最后一节车厢也不会停止.

反射波

当这 “积压” 的电子传播, 的电流给电池停止和线充当简单开路. 一切都发生得很快的传输线长度合理, 因此，线欧姆表的测量从未揭示了短期间中该行是实际上表现为一个电阻器. 对于具有的速度的因素很长的空心1公里 0.66 (信号传播速度等于 66% 光速, 该 198,000 公里每秒), 你只需要 1 / 198.000 第二 (5.050 微秒) 信号行进从一个极端到另一个. 为了使电流信号到达线的端部并且 “反映” 回到源, 往返时间的两倍图, 或 10,101 微秒.

高速测量仪器能够从源检测该新通行时间到线路和反之亦然的端部, 并且它们可以以确定电缆的长度被使用. 这种技术也可以用于确定存在 它是 在一个断裂的本地化或两个电缆的导体的, 由于电流 “这将体现” 它的导线的破损就好像它是开路. 专为上述目的使用该仪器被称为 时域反射器的 (TDR). 其基本原理是相同的声纳检测字段的: 产生声音脉冲，并测量所述回波返回所需要的时间.

如果传输线的端部被短路时，发生类似的现象: 当相反的电压波形到达行末, 它被反射回源, 因为电压不能在两个电共用点之间存在. 当该反射波到达源, 源看到的整个传输线作为短路.

一个简单的实验示出了在传输线路波的反射的现象. 取一块串的一方和 “鞭” 用手腕的快速上下运动. 你可以看到一个波沿绳移动，直到它完全消散，因为摩擦 (原谅我，但直觉告诉我们，没有一个专业的设计师):

传输线路损耗

这类似于具有内部损耗的长传输线: 的信号变为弱稳定在其沿着线的长度传播, 永远不会回到源. 然而, 如果绳索的远端被附接于固体对象在先前的点的总入射波耗散, 第二次浪潮将在你的手来反映:

反射波

平时, 一传输线的目的是从一个点传递电能到另一个. 即使信号仅用于信息，而不是提供一个显著负载装置, 在理想的情况是原始信号的全部能量从源传递到负载, 并且因此被完全吸收或由负载为最大信噪比消散. 因此, “损失” 沿着传输线的长度是不希望的, 以及反射波, 由于反射能量是能量不传递到终端装置.

该反射可以从传输线可以消除如果负载阻抗恰好等于特征阻抗 (“浪涌”) 行. 例如, 同轴电缆 50 Ω是开放或短路将反映所有的入射能量在源. 然而, 如果在电阻器的端部通过电缆连接 50 哦, 不会有任何反射能量, 所有的信号能量将通过电阻器耗散.

这是非常合情合理的，如果我们回到我们的无限长传输线的假设的例子. 用的特性阻抗的传输线 50 Ω和无限长的行为完全一样的电阻 50 Ω从端部测量.

如果我们切断这条线长度有限, 这将表现为一个电阻 50 Ω的直流电压的一个短周期的恒定源, 但随后他们的行为像一个开路或短路, 这取决于行结束的条件.

然而, 是 我们完成 与电阻器线路 50 哦, 该线将仍然导致时间作为电阻 50 哦, 就好像它是无限长的 .

基本上, 该传输线的特性阻抗相匹配的终端电阻将导致线 “出现” 来自源的透视无限长, 因为电阻器永远具有消散的能量，其中一个无限长的传输线能够传输永远吸收能量的相同的方式的能力.

的反射波发生即使端接电阻是不完全等于所述传输线的特性阻抗, 不仅. 即使反射能量不会有轻微错位终止的总阻抗, 这将是局部的. 发生这种情况的终端电阻是否是不管 更大 该 下 线的特性阻抗.

的反射波的反射也可能发生在端部 起源 的传输线的, 如果源的内部阻抗 (戴维南等效阻抗) 这是不完全等于线的特性阻抗. 它返回到源的反射波将如果源的阻抗对应于线被完全消散, 但它会向线的端部作为另一入射波被反射, 至少部分地, 如果源阻抗不匹配的行. 这种类型的反射可能是特别恼人的, 因为它似乎源已通过另一个提升.

现在，我会停在这里, 我想给一个机会，准确地吸收的概念, 只要我整合的输电线路的话题, 我的目的是为了到达最后描述了波导和谐振腔.

给我安排来解释它以简单的方式的最好办法，而不无尽的一系列会吓跑大多数读者公式的时间.

Amilcare问候