Линия передачи

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

Один из самых распространенных типов линий передачи - коаксиальный кабель .

В области электротехники , A линия передачи представляет собой специальный кабель или другая структура , предназначенная для проведения электромагнитных волн в содержащемуся образом. Этот термин применяется, когда проводники достаточно длинные, чтобы учитывать волновую природу передачи. Это особенно относится к радиочастотной технике, потому что короткие длины волн означают, что волновые явления возникают на очень коротких расстояниях (они могут составлять всего миллиметры в зависимости от частоты). Однако теория линий передачи исторически развивалась для объяснения явлений на очень протяженных телеграфных линиях, особенноподводные телеграфные кабели .

Линии передачи используются для таких целей, как соединение радиопередатчиков и приемников с их антеннами (тогда они называются линиями передачи или фидерами), распределение сигналов кабельного телевидения , магистральные линии , маршрутизирующие вызовы между телефонными коммутационными центрами, соединения компьютерной сети и высокоскоростные компьютерные шины данных . Радиочастотные инженеры обычно используют короткие отрезки линии передачи, обычно в виде печатных планарных линий передачи , расположенных по определенным схемам, для построения таких схем, как фильтры . Эти схемы, известные как схемы с распределенными элементами, являются альтернативой традиционным схемам с использованием дискретных конденсаторов и катушек индуктивности .

Обычных электрических кабелей достаточно для передачи низкочастотного переменного тока (AC) и аудиосигналов . Однако их нельзя использовать для передачи токов в радиодиапазоне выше 30 кГц, потому что энергия имеет тенденцию исходить от кабеля в виде радиоволн , вызывая потери мощности. Радиочастотные токи также имеют тенденцию отражаться от разрывов в кабеле, таких как разъемы и соединения, и возвращаться вниз по кабелю к источнику. Эти отражения действуют как узкие места, не позволяя сигналу достичь места назначения. Линии передачи используют специализированную конструкцию и согласование импеданса, чтобы передавать электромагнитные сигналы с минимальными отражениями и потерями мощности. Отличительной особенностью большинства линий передачи является то, что они имеют одинаковые размеры поперечного сечения по всей длине, что дает им одинаковый импеданс , называемый характеристическим сопротивлением , для предотвращения отражений. Чем выше частота электромагнитных волн, движущихся через данный кабель или среду, тем короче длина волны. Линии передачи становятся необходимыми, когда длина волны передаваемой частоты достаточно мала, и длина кабеля становится значительной частью длины волны.

На микроволновых частотах и ​​выше потери мощности в линиях передачи становятся чрезмерными, и вместо них используются волноводы , которые функционируют как «трубы» для ограничения и направления электромагнитных волн. На еще более высоких частотах, в терагерцовом , инфракрасном и видимом диапазонах, волноводы, в свою очередь, становятся с потерями, и для направления электромагнитных волн используются оптические методы (например, линзы и зеркала).

Обзор [ править ]

Обычных электрических кабелей достаточно для передачи низкочастотного переменного тока (переменного тока), такого как сетевое питание , которое меняет направление от 100 до 120 раз в секунду, и аудиосигналы . Тем не менее, они не могут быть использованы для проведения тока в радиочастотном диапазоне, ^[1] выше примерно 30 кГц, так как энергия , как правило, излучают покинуть кабель как радиоволны , в результате чего потери мощности. Радиочастотные токи также имеют тенденцию отражаться от разрывов в кабеле, таких как разъемы и соединения, и возвращаться вниз по кабелю к источнику. ^{[1] [2]} Эти отражения действуют как узкие места, не позволяя сигналу достичь места назначения. Линии передачи используют специальную конструкцию и согласование импеданса для передачи электромагнитных сигналов с минимальными отражениями и потерями мощности. Отличительной особенностью большинства линий передачи является то, что они имеют одинаковые размеры поперечного сечения по всей длине, что дает им одинаковый импеданс , называемый характеристическим импедансом , ^{[2] [3] [4]} для предотвращения отражений. Типы линий передачи включают параллельную линию ( лестничная линия , витая пара ), коаксиальный кабель и планарные линии передачи, такие какполосковая и микрополосковая . ^{[5] [6]} Чем выше частота электромагнитных волн, движущихся через данный кабель или среду, тем короче длина волны. Линии передачи становятся необходимыми, когда длина волны передаваемой частоты достаточно мала, и длина кабеля становится значительной частью длины волны.

На микроволновых частотах и ​​выше потери мощности в линиях передачи становятся чрезмерными, и вместо них используются волноводы ^[1], которые функционируют как «трубы» для ограничения и направления электромагнитных волн. ^[6] Некоторые источники определяют волноводы как тип линии передачи; ^[6] однако в эту статью они не включены. На еще более высоких частотах, в терагерцовом , инфракрасном и видимом диапазонах, волноводы, в свою очередь, становятся с потерями, и для направления электромагнитных волн используются оптические методы (например, линзы и зеркала). ^[6]

История [ править ]

Математический анализ поведения линий электропередачи стал результатом работ Джеймса Клерка Максвелла , лорда Кельвина и Оливера Хевисайда . В 1855 году лорд Кельвин сформулировал диффузионную модель тока в подводном кабеле. Модель правильно предсказала плохие характеристики трансатлантического подводного телеграфного кабеля 1858 года . В 1885 году Хевисайд опубликовал первые статьи, в которых описал свой анализ распространения в кабелях и современную форму телеграфных уравнений . ^[7]

Модель с четырьмя терминалами [ править ]

Для целей анализа линия электропередачи может быть смоделирована как двухпортовая сеть (также называемая четырехполюсной) следующим образом:

В простейшем случае предполагается, что сеть является линейной (т. Е. Комплексное напряжение на любом из портов пропорционально сложному току, протекающему в нем, когда нет отражений), и предполагается, что два порта взаимозаменяемы. Если линия передачи однородна по своей длине, то ее поведение в значительной степени описывается одним параметром, называемым характеристическим сопротивлением , символом Z ₀ . Это отношение комплексного напряжения данной волны к комплексному току той же волны в любой точке линии. Типичные значения Z ₀ - 50 или 75 Ом для коаксиального кабеля., 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 полное сопротивление нагрузки равным Z ₀ , и в этом случае линия передачи называется согласованной .

Часть мощности, подаваемой в линию передачи, теряется из-за ее сопротивления. Этот эффект называется омическими или резистивными потерями (см. Омический нагрев ). На высоких частотах становится существенным другой эффект, называемый диэлектрическими потерями , который увеличивает потери, вызванные сопротивлением. Диэлектрические потери возникают, когда изоляционный материал внутри линии передачи поглощает энергию переменного электрического поля и преобразует ее в тепло (см. 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.

Общие потери мощности в линии передачи часто указываются в децибелах на метр (дБ / м) и обычно зависят 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 передачи электромагнитных волн, длина которых короче или сопоставима с длиной линии. В этих условиях приближения, полезные для расчетов на более низких частотах, перестают быть точными. Это часто происходит с радио , микроволновыми и оптическими сигналами, оптическими фильтрами с металлической сеткой , а также с сигналами, обнаруженными в высокоскоростных цифровых схемах .

Уравнения телеграфа [ править ]

Уравнения телеграфа (или просто уравнения телеграфа ) представляют собой пару линейных дифференциальных уравнений, которые описывают напряжение ( ) и ток ( ) на линии электропередачи с расстоянием и временем. Они были разработаны Оливером Хевисайдом , создавшим модель линии передачи , и основаны на уравнениях Максвелла .${\ displaystyle V}$${\ displaystyle I}$

Модель линии передачи является примером модели распределенных элементов . Он представляет линию передачи как бесконечную серию двухполюсных элементарных компонентов, каждый из которых представляет бесконечно короткий сегмент линии передачи:

• Распределенное сопротивление проводников представлено последовательным резистором (выраженным в омах на единицу длины).${\ displaystyle R}$
• Распределенная индуктивность (из-за магнитного поля вокруг проводов, самоиндукции и т. Д.) Представлена ​​последовательным индуктором (в генри на единицу длины).${\ displaystyle L}$
• Емкость между двумя проводниками представлена шунтирующим конденсатором (в фарадах на единицу длины).${\ displaystyle C}$
• Проводимость диэлектрического материала , разделяющего два проводника представлена шунтирующий резистор между проводом сигнала и обратным проводом (в сименсах на единицу длину).${\ displaystyle G}$

Модель состоит из бесконечного ряда элементов, показанных на рисунке, а значения компонентов указаны на единицу длины, поэтому изображение компонента может вводить в заблуждение. ` ` , а также могут быть функциями частоты. Альтернативой обозначения использовать , , и , чтобы подчеркнуть , что значения являются производными по отношению к длине. Эти величины могут быть также известны как константы первичных линий отличить от констант вторичных линий , полученных из них, это является постоянная распространения , постоянная затухания и фазовая постоянная .${\ displaystyle R}$${\ displaystyle L}$${\ displaystyle C}$${\ displaystyle G}$${\ displaystyle R '}$${\ displaystyle L '}$${\displaystyle C'}$${\displaystyle G'}$

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

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

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

(см. дифференциальное уравнение , угловую частоту ω и мнимую единицу j )

Особый случай линии без потерь [ править ]

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

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

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

Это волновые уравнения, решения которых имеют плоские волны с одинаковой скоростью распространения в прямом и обратном направлениях. 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 строки с потерями [ править ]

В общем случае включаются члены потерь и , и полная форма уравнений Телеграфа принимает следующий вид:${\displaystyle R}$${\displaystyle G}$

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

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

где - ( комплексная ) постоянная распространения . Эти уравнения являются фундаментальными для теории линий передачи. Они также являются волновыми уравнениями и имеют решения, аналогичные частному случаю, но представляют собой смесь синусов и косинусов с экспоненциальными коэффициентами затухания. Решение для постоянная распространения в терминах основных параметров , , и дает:${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle R}$${\displaystyle L}$${\displaystyle G}$${\displaystyle C}$

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

а характеристический импеданс можно выразить как

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

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

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

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

Константы должны определяться из граничных условий. Для импульса напряжения , начиная и двигающийся в положительном  направлении, то передаваемый импульс в положении может быть получен путем вычисления преобразования Фурье, , из , ослабляя каждый частотный компонент пути , выдвигая его фазу, и беря обратное преобразование Фурье . Действительная и мнимая части могут быть вычислены как${\displaystyle V_{(\pm )}}$${\displaystyle V_{\mathrm {in} }(t)\,}$${\displaystyle x=0}$${\displaystyle x}$${\displaystyle V_{\mathrm {out} }(x,t)\,}$${\displaystyle x}$${\displaystyle {\tilde {V}}(\omega )}$${\displaystyle V_{\mathrm {in} }(t)\,}$${\displaystyle e^{-\operatorname {Re} (\gamma )\,x}\,}$${\displaystyle -\operatorname {Im} (\gamma )\,x\,}$${\displaystyle \gamma }$

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

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

с

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

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

правые выражения, удерживающие, когда ни , ни , ни равно нулю, и с${\displaystyle L}$${\displaystyle C}$${\displaystyle \omega }$

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

где atan2 - повсюду определенная форма 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 a обычно отрицательно, поскольку и обычно намного меньше, чем и , соответственно, поэтому −a обычно положительно. B всегда положительно.)${\displaystyle G}$${\displaystyle R}$${\displaystyle \omega C}$${\displaystyle \omega L}$

Особый случай с низкими потерями [ править ]

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

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

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

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

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

Состояние Хевисайда [ править ]

Условие Heaviside представляет собой особый случай , когда волна движется вниз по линии без каких - либо дисперсии искажений. Условием для этого является

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

Входное сопротивление линии передачи [ править ]

Если смотреть на нагрузку по длине линии передачи без потерь, импеданс изменяется по мере увеличения в соответствии с синим кружком на этой диаграмме Смита . (Этот импеданс характеризуется коэффициентом отражения , который представляет собой отраженное напряжение, деленное на падающее напряжение.) Синий кружок, расположенный в центре диаграммы, иногда называют кружком КСВ (сокращение от постоянного коэффициента стоячей волны ).${\displaystyle \ell }$${\displaystyle \ell }$

Характеристический импеданс линии передачи представляет собой отношение амплитуды одной волны напряжения к ее текущей волне. Поскольку большинство линий передачи также имеют отраженную волну, характеристический импеданс обычно не является импедансом, измеренным на линии.${\displaystyle Z_{0}}$

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

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

где - постоянная распространения, а - коэффициент отражения напряжения, измеренный 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 \gamma }$${\displaystyle {\mathit {\Gamma }}_{\mathrm {L} }={\frac {\,Z_{\mathrm {L} }-Z_{0}\,}{Z_{\mathrm {L} }+Z_{0}}}}$

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

Входное сопротивление линии передачи без потерь [ править ]

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

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

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

При вычислении длина волны внутри линии передачи обычно отличается от длины волны в свободном пространстве. Следовательно, при выполнении таких расчетов необходимо учитывать фактор скорости материала, из которого сделана линия передачи.${\displaystyle \beta ,}$

Особые случаи линий передачи без потерь [ править ]

Длина полуволны [ править ]

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

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

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

Четверть длины волны [ править ]

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 [ править ]

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

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

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

Короткий [ править ]

Для случая закороченной нагрузки (т.е. ) входной импеданс является чисто мнимым и является периодической функцией положения и длины волны (частоты).${\displaystyle Z_{\mathrm {L} }=0}$

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

Открыть [ редактировать ]

В случае разомкнутой нагрузки (т.е. ) входной импеданс снова является мнимым и периодическим.${\displaystyle Z_{\mathrm {L} }=\infty }$

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

Ступенчатая линия передачи [ править ]

Ступенчатая линия передачи используется для согласования импеданса в широком диапазоне . Его можно рассматривать как несколько сегментов линии передачи, соединенных последовательно, с характеристическим импедансом каждого отдельного элемента . ^[8] Входное сопротивление может быть получено путем последовательного применения цепного отношения${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }}$

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

где - волновое число -го сегмента линии передачи, - длина этого сегмента, - входной импеданс, нагружающий -й сегмент.${\displaystyle \beta _{\mathrm {i} }}$${\displaystyle \mathrm {i} }$${\displaystyle \ell _{\mathrm {i} }}$${\displaystyle Z_{\mathrm {i} }}$${\displaystyle \mathrm {i} }$

Круг преобразования импеданса вдоль линии передачи, характеристическое сопротивление которой меньше, чем у входного кабеля . И в результате кривая импеданса смещена относительно оси. И наоборот, если кривая импеданса должна быть смещена относительно оси.${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }}$${\displaystyle Z_{0}}$${\displaystyle -x}$${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }>Z_{0}}$${\displaystyle +x}$

Поскольку характеристический импеданс каждого сегмента линии передачи часто отличается от импеданса четвертого, входного кабеля (показан только стрелкой, отмеченной в левой части диаграммы выше), круг преобразования импеданса смещен по оси Smith Chart , импеданс представление обычно нормализуется против .${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }}$${\displaystyle Z_{0}}$${\displaystyle Z_{0}}$${\displaystyle x}$${\displaystyle Z_{0}}$

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

Практические типы [ править ]

Коаксиальный кабель [ править ]

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 ремнями к проводящим опорам, не создавая в них нежелательных токов. В радиочастотных приложениях до нескольких гигагерц волна распространяется только в поперечном электрическом и магнитном режимах (ТЕМ), что означает, что электрическое и магнитное поля перпендикулярны направлению распространения (электрическое поле является радиальным, и магнитное поле является окружным). Однако на частотах, для которых длина волны (в диэлектрике) значительно короче длины окружности кабеля, другие поперечные модыможет размножаться. Эти моды подразделяются на две группы: поперечные электрические (TE) и поперечные магнитные (TM) волноводные моды. Когда может существовать более одного режима, изгибы и другие неровности в геометрии кабеля могут привести к передаче 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 они осуществляли междугороднюю телефонную связь.

Плоские линии [ править ]

Микрополоска [ править ]

Схема использует микрополосковую тонкий плоский проводник , который является параллельным к плоскости земли . Микрополоску можно сделать, разместив полоску меди на одной стороне печатной платы (PCB) или керамической подложки, в то время как другая сторона представляет собой сплошную заземляющую поверхность. Ширина полосы, толщина изоляционного слоя (печатной платы или керамики) и диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя определяют характеристический импеданс. Микрополосковый кабель - это открытая конструкция, а коаксиальный кабель - закрытая.

Stripline [ править ]

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 [ править ]

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 [ править ]

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 [ править ]

Витые пары обычно используются для наземной телефонной связи. 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 [ править ]

Star quad - это четырехжильный кабель, в котором все четыре жилы скручены вместе вокруг оси кабеля. Иногда он используется для двух цепей, таких как 4-проводная телефония и другие телекоммуникационные приложения. В этой конфигурации каждая пара использует два несмежных проводника. В других случаях он используется для одной симметричной линии , например, в аудиоприложениях и 2-проводной телефонной связи. 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 одной симметричной линии магнитные помехи, улавливаемые кабелем, становятся практически идеальным синфазным сигналом, 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 проводников 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]}

Twin-lead [ править ]

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

Личерские строки [ править ]

Линии Лехера - это форма параллельного проводника, который можно использовать на УВЧ для создания резонансных цепей. Они представляют собой удобный практический формат, который заполняет промежуток между сосредоточенными компонентами (используемыми в HF / VHF ) и резонансными полостями (используемыми в UHF / SHF ).

Однопроводная линия [ править ]

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 передачу электроэнергии версия однопроводной земли возвращения в использовании во многих местах.

Общие приложения [ править ]

Передача сигнала [ править ]

Линии электропередачи очень широко используются для передачи высокочастотных сигналов на большие или короткие расстояния с минимальными потерями мощности. Один знакомый пример - это нисходящий провод от теле- или радиоантенны к приемнику.

Генерация импульсов [ править ]

Линии передачи также используются в качестве генераторов импульсов. Путем зарядки линии передачи и последующего разряда ее на резистивную нагрузку можно получить прямоугольный импульс, по длине равный удвоенной электрической длине линии, хотя и с половиной напряжения. Линия передачи Blumlein представляет собой связанное устройство формирования импульсов, которое преодолевает это ограничение. Иногда они используются в качестве импульсных источников питания для радиолокационных передатчиков и других устройств.

Фильтры-заглушки [ править ]

Если короткозамкнутая или разомкнутая линия передачи подключена параллельно с линией, используемой для передачи сигналов из точки A в точку B, то она будет работать как фильтр. Метод изготовления заглушек аналогичен методу использования линий Лечера для грубого измерения частоты, но он «работает в обратном направлении». Один из методов, рекомендуемых в справочнике RSGB по радиосвязи, - это взятие разомкнутой линии передачи, соединенной параллельно с фидером.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 [ править ]

Теория распространения звуковых волн математически очень похожа на теорию электромагнитных волн, поэтому методы теории линий передачи также используются для создания конструкций, проводящих акустические волны; и они называются линиями акустической передачи .

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме линий передачи .

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

Ссылки [ править ]

Часть этой статьи была взята из Федерального стандарта 1037C .

• Стейнмец, Чарльз Протеус (27 августа 1898 г.). «Собственный период линии передачи и частота грозовых разрядов от нее». Электрический мир : 203–205.
• Грант, IS; Филлипс, WR (1991-08-26). Электромагнетизм (2-е изд.). Джон Вили. ISBN 978-0-471-92712-9.
• Улаби, FT (2004). Основы прикладной электромагнетизма (изд. СМИ 2004 г.). 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.
• Наредо, JL; Соудак, AC; Марти-младший (январь 1995 г.). «Моделирование переходных процессов на ЛЭП с коронным разрядом методом характеристик». IEE Proceedings - Generation, Transmission and Distribution . 142 (1): 81. DOI : 10,1049 / IP-GTD: 19951488 . ISSN  1350-2360 .

Дальнейшее чтение [ править ]

• В честь 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. Авант! Программного обеспечения. Июнь 2001 Архивировано из оригинала 25 сентября 2005 года.
• Корнилл, П. (1990). «О распространении неоднородных волн». Журнал физики D: Прикладная физика . 23 (2): 129–135. Bibcode : 1990JPhD ... 23..129C . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 23/2/001 .
• Фарлоу, SJ (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 . DOI : 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 оригинала 9 января 2006 года.
• Вёльбир, Джон Грейтон (2000). Моделирование и анализ бегущей волны при многотональном возбуждении (PDF) . Электротехника и вычислительная техника (MS). Мэдисон, Висконсин: Университет Висконсина. § «Основное уравнение» и § «Преобразование уравнений телеграфа». Архивировано из оригинального (PDF) 19 июня 2006 года.
• «Распространение волн по линии передачи» (обучающий Java-апплет). Образовательные ресурсы. Keysight Technologies.(Возможно, потребуется добавить http://www.keysight.com в список 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 . DOI : 10.1016 / j.jmr.2009.04.005 . PMID  19406676 .

Внешние ссылки [ править ]

• «Калькулятор линии передачи (включая потери на излучение и возбуждение поверхностных волн)» . terahertz.tudelft.nl . Делфт, Нидерланды: Делфтский технический университет .
• «Калькулятор параметров линии передачи» . cecas.clemson.edu/cvel . Клемсон, Южная Каролина: Университет Клемсона .