Линия передачи

Кабель или другая конструкция для передачи радиоволн

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

Один из наиболее распространенных типов линий передачи — коаксиальный кабель.

В электротехнике линия передачи — это специализированный кабель или другая конструкция, предназначенная для изолированной проводимости электромагнитных волн . Этот термин применяется, когда проводники достаточно длинные, и необходимо учитывать волновую природу передачи. Это особенно относится к радиочастотной технике, поскольку короткие длины волн означают, что волновые явления возникают на очень коротких расстояниях (они могут достигать нескольких миллиметров в зависимости от частоты). Однако теория линий передачи исторически была разработана для объяснения явлений на очень длинных телеграфных линиях, особенно в подводных телеграфных кабелях .

Линии передачи используются для таких целей, как соединение радиопередатчиков и приемников с их антеннами (их тогда называют фидерными линиями или фидерами), распределение сигналов кабельного телевидения , маршрутизация вызовов по магистральным линиям между телефонными коммутационными центрами, соединения компьютерных сетей и высокоскоростные компьютерные шины данных . Радиочастотные инженеры обычно используют короткие отрезки линий передачи, обычно в виде напечатанных плоских линий передачи , расположенных 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 катушки индуктивности .

Обзор

Обычных электрических кабелей достаточно для передачи переменного тока низкой частоты (AC), такого как сетевое питание , которое меняет направление от 100 до 120 раз в секунду, и аудиосигналы . Однако их нельзя использовать для передачи токов в радиочастотном диапазоне ^[1] выше примерно 30 кГц, поскольку энергия имеет тенденцию излучаться по кабелю в виде радиоволн , вызывая потери мощности. Радиочастотные токи также имеют тенденцию отражаться от разрывов в кабеле, таких как разъемы и соединения, и перемещаться обратно по кабелю к источнику. ^{[1] [2]} Эти отражения действуют как узкие места, не позволяя мощности сигнала достичь места назначения. В линиях передачи используется специальная конструкция 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 придает им одинаковый импеданс , называемый характеристическим импедансом , ^{[2] [3] [4]} для предотвращения отражений. Типы линий передачи включают параллельную линию ( лестничную линию , витую пару ), коаксиальный кабель и плоские линии передачи , такие как полосковые и микрополосковые . ^{[5] [6]} Чем выше частота электромагнитных волн, движущихся по данному кабелю или среде, тем короче длина волны . Линии передачи становятся необходимыми, когда длина волны передаваемой частоты достаточно коротка, 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, теряют потери, и для направления электромагнитных волн используются оптические методы (такие как линзы и зеркала). ^[6]

История

Математический анализ поведения линий электропередачи вырос из работ Джеймса Клерка Максвелла , лорда Кельвина и Оливера Хевисайда . В 1855 году лорд Кельвин сформулировал диффузионную модель тока в подводном кабеле. Модель правильно предсказала плохую работу трансатлантического подводного телеграфного кабеля 1858 года . В 1885 году Хевисайд опубликовал первые статьи, в которых описывался его анализ распространения в кабелях и современная форма телеграфных уравнений . ^[7]

Модель с четырьмя терминалами

Вариации схематического электронного обозначения линии электропередачи.

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

В простейшем случае предполагается, что сеть линейна (т. е. комплексное напряжение на каждом порту пропорционально комплексному току, протекающему в него при отсутствии отражений), а два порта считаются взаимозаменяемыми. Если линия передачи однородна по всей длине, то ее поведение в основном описывается одним параметром, называемым характеристическим сопротивлением , обозначенным Z ₀ . Это отношение комплексного напряжения данной волны к комплексному току той же волны в любой точке линии. Типичные значения Z ₀ составляют 50 или 75 Ом для коаксиального кабеля , около 100 Ом для витой пары проводов и около 300 Ом для обычного типа невитой пары, используемой в радиопередаче.

При передаче энергии по линии передачи обычно желательно, чтобы как можно больше мощности поглощалось нагрузкой и как можно меньше отражалось обратно к источнику. Этого можно добиться, сделав сопротивление нагрузки равным Z0 _, и в этом случае говорят, что линия передачи согласована .

Линия передачи изображается как два черных провода. На расстоянии x в линию через каждый провод течет ток I(x) , и между проводами существует разность напряжений V(x) . Если ток и _{напряжение} исходят от одной волны (без отражения), то V ( x )/  I ( x ) =  Z0 , где _Z0 — характеристическое сопротивление линии.

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 еще один эффект, называемый диэлектрическими потерями , который добавляется к потерям, вызванным 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 соединением сопротивления (R) и индуктивности (L) с параллельным соединением емкости (C) и проводимости (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 определенном диапазоне частот. Потеря 3 дБ соответствует уменьшению мощности примерно вдвое.

Высокочастотные линии передачи можно определить как линии, предназначенные для передачи электромагнитных волн, длина волны которых короче или сравнима 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, встречающимися в высокоскоростных цифровых схемах .

Уравнения телеграфиста

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

Схематическое изображение элементарного компонента линии электропередачи.

Модель линии передачи является примером модели с распределенными элементами . 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 (выражено в Омах на единицу длины). ${\displaystyle R}$
• Распределенная индуктивность (обусловленная магнитным полем вокруг проводов, самоиндукцией 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 ​​шунтирующим резистором между сигнальным проводом и обратным проводом (в Сименсах на единицу длины). ${\displaystyle G}$

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. Альтернативное обозначение — использовать , и подчеркнуть , что значения являются производными по длине. Эти величины также могут быть известны как константы первичной линии, чтобы отличать их от констант вторичной линии, полученных из них, таких как константа распространения , константа затухания и фазовая константа . ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle R'}$ ${\displaystyle L'}$ ${\displaystyle C'}$ ${\displaystyle G'}$

Линейное напряжение и ток могут быть выражены 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

Когда элементы и пренебрежимо малы, линия передачи рассматривается как структура без потерь. В этом гипотетическом случае модель зависит только от элементов и , что существенно упрощает анализ. Для линии передачи без потерь уравнения Телеграфиста второго порядка в устойчивом состоянии: ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle C}$

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

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

Это волновые уравнения , решениями которых являются плоские волны с одинаковой скоростью распространения в прямом и обратном направлениях. Физический смысл этого заключается в том, что электромагнитные волны распространяются по линиям передачи и, как правило, существует отраженная составляющая, которая мешает исходному сигналу. Эти уравнения являются фундаментальными для теории линий электропередачи.

Общий случай линии с потерями

В общем случае учитываются члены потерь и , и полная форма уравнений Телеграфиста принимает 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 электропередачи. Они также являются волновыми уравнениями и имеют решения, аналогичные частному случаю, но представляющие собой смесь синусов и косинусов с коэффициентами экспоненциального затухания. Решение константы распространения через основные параметры , , , 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 характеристическое сопротивление 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 , начинающегося в и движущегося в положительном  направлении, передаваемый импульс в позиции может быть получен путем вычисления преобразования Фурье, , of , ослабления каждой частотной составляющей на , увеличения ее фазы на и выполнения обратного преобразования Фурье . Действительную и мнимую части можно вычислить 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 справедливы, когда ни , ни , ни не равно нулю, и с ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \omega }$

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

где atan2 — везде определенная форма двухпараметрической функции арктангенса с произвольным нулевым значением, когда оба аргумента равны нулю.

Альтернативно, 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 знаками плюс или минус, выбранными напротив направления движения волны через проводящую среду. ( a обычно отрицательное, поскольку и обычно намного меньше, чем и , соответственно, поэтому -a обычно положительное. b всегда положительное.) ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \omega C}$ ${\displaystyle \omega L}$

Специальный случай с низкими потерями

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

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

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

Поскольку продвижение по фазе на эквивалентно временной задержке на , его можно просто вычислить 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

Условие Хевисайда — это особый случай, когда волна распространяется по линии без каких-либо искажений дисперсии . Условием того, чтобы это произошло, является

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

Входное сопротивление линии передачи

При взгляде на нагрузку через линию передачи без потерь сопротивление меняется по мере увеличения, следуя синему кругу на этой диаграмме импеданса Смита . (Этот импеданс характеризуется коэффициентом отражения , который представляет собой отраженное напряжение, разделенное на падающее напряжение.) Синий круг, расположенный в центре диаграммы, иногда называют кругом КСВ (сокращение от постоянного коэффициента стоячей волны ). ${\displaystyle \ell }$ ${\displaystyle \ell }$

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

Импеданс, измеренный на заданном расстоянии от сопротивления 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 и – коэффициент отражения напряжения , измеренный на нагрузочном конце линии передачи. Альтернативно, приведенную выше формулу можно изменить, чтобы выразить входное сопротивление через сопротивление нагрузки, а не через коэффициент 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

Для линии передачи без потерь константа 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 волновое число . ${\displaystyle \beta ={\frac {\,2\pi \,}{\lambda }}}$

При расчете длина волны внутри линии передачи обычно отличается от той, которая была бы в свободном пространстве. Следовательно, при выполнении такого расчета необходимо учитывать коэффициент скорости материала, из которого изготовлена ​​линия передачи. ${\displaystyle \beta ,}$

Особые случаи линий передачи без потерь

Половинная длина волны

В особом случае, когда n является целым числом (это означает, что длина линии кратна половине длины волны), выражение сводится к сопротивлению нагрузки, так что ${\displaystyle \beta \,\ell =n\,\pi }$

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

для всех Сюда относится случай, когда , что означает, что длина линии передачи пренебрежимо мала по сравнению с длиной волны. Физический смысл этого заключается в том, что линию передачи можно игнорировать (т.е. рассматривать как провод) в любом случае. ${\displaystyle n\,.}$ ${\displaystyle n=0}$

Четвертьволновая длина

В случае, когда длина линии составляет одну четверть длины волны или нечетное кратное четверти длины волны, входное сопротивление становится

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

Согласованная нагрузка

Другой особый 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 вся . ${\displaystyle \ell }$ ${\displaystyle \lambda }$

Короткий

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

В случае короткозамкнутой нагрузки (т.е. ) входное сопротивление 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

В случае открытой нагрузки (т.е. ) входное сопротивление снова является мнимым и периодическим. ${\displaystyle Z_{\mathrm {L} }=\infty }$

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

Практичные типы

Коаксиальный кабель

Коаксиальные линии ограничивают практически всю электромагнитную волну внутри кабеля. Таким образом, коаксиальные линии можно сгибать и скручивать (с учетом ограничений) без негативных последствий, а также привязывать их к проводящим опорам, не создавая в них нежелательных токов. В радиочастотных приложениях до нескольких гигагерц волна распространяется только в поперечной электрической и магнитной моде (ПЭМ), что означает, что электрическое и магнитное поля перпендикулярны направлению распространения (электрическое поле радиальное и магнитное поле окружное). Однако на частотах, для которых длина волны (в диэлектрике) значительно короче длины окружности кабеля, могут распространяться другие поперечные моды . Эти моды подразделяются на две группы: поперечные электрические (TE) и поперечные магнитные (TM) волноводные моды. Когда может существовать более одной моды, изгибы и другие нарушения геометрии кабеля могут привести к передаче мощности от одной моды к другой.

Коаксиальные кабели чаще всего используются для передачи телевизионных и других сигналов с полосой пропускания в несколько мегагерц. В середине 20 века они обеспечивали междугородную телефонную связь.

Плоские линии

Плоские линии передачи представляют собой линии передачи с проводниками или, в некоторых случаях, диэлектрическими полосами, которые представляют собой плоские линии в форме ленты. Они используются для соединения компонентов на печатных схемах и интегральных схемах , работающих на микроволновых частотах, поскольку планарный тип хорошо соответствует методам производства этих компонентов. Существует несколько форм плоских линий передачи.

Микрополосковая

Тип линии передачи, называемый клеточной линией , используемый для мощных и низкочастотных приложений. Он функционирует аналогично большому коаксиальному кабелю. В данном примере представлена ​​линия питания антенны длинноволнового радиопередатчика в Польше , работающего на частоте 225 кГц и мощности 1200 кВт.

В микрополосковой схеме используется тонкий плоский проводник, параллельный плоскости заземления . Микрополосковая полоска может быть изготовлена ​​путем размещения медной полоски на одной стороне печатной платы (PCB) или керамической подложки, а другая сторона представляет собой сплошную заземляющую пластину. Ширина полосы, толщина изолирующего слоя (печатная плата или керамика) и диэлектрическая проницаемость изолирующего слоя определяют характеристический импеданс. Микрополосковая линия представляет собой открытую структуру, тогда как коаксиальный кабель представляет собой закрытую структуру.

Полосатая линия

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

Копланарный волновод

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

Сбалансированные линии

Сбалансированная линия — это линия передачи, состоящая из двух проводников одного типа и имеющих одинаковое сопротивление относительно земли и других цепей. Существует множество форматов симметричных проводов, наиболее распространенными из которых являются витая пара, четырехжильный провод и двойной провод.

Витая пара

Витые пары обычно используются для наземной телефонной связи. В таких кабелях в один кабель группируется множество пар — от двух до нескольких тысяч. ^[8] Этот формат также используется для распределения сетей передачи данных внутри зданий, но кабель стоит дороже, поскольку параметры линии передачи жестко контролируются.

Звездный квадрат

Звезда-четверка — четырехжильный кабель, в котором все четыре жилы скручены между собой вокруг оси кабеля. Иногда он используется для двух цепей, например, в 4-проводной телефонии и других телекоммуникационных приложениях. В этой конфигурации каждая пара использует два несмежных проводника. В других случаях он используется для одной сбалансированной линии , например, для аудиоприложений и двухпроводной телефонной связи. В этой конфигурации два несмежных проводника заделываются вместе на обоих концах кабеля, а два других проводника также заделываются вместе.

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

При использовании одиночной симметричной линии магнитные помехи, улавливаемые кабелем, представляют собой практически идеальный синфазный сигнал, который легко устраняется с помощью связующих трансформаторов.

Сочетание преимуществ скручивания, сбалансированной передачи сигналов и квадрупольной диаграммы направленности обеспечивает исключительную помехоустойчивость, что особенно полезно для применений с низким уровнем сигнала, таких как микрофонные кабели, даже при прокладке очень близко к силовому кабелю. ^{[9] [10]} Недостаток заключается в том, что четверка звезд при объединении двух проводников обычно имеет вдвое большую емкость, чем аналогичный двухжильный витой и экранированный аудиокабель. Высокая емкость вызывает увеличение искажений и большую потерю высоких частот по мере увеличения расстояния. ^{[11] [12]}

Двойной вывод

Двойной провод состоит из пары проводников, разделенных сплошным изолятором. Удерживая проводники на известном расстоянии друг от друга, геометрия фиксируется, а характеристики линии надежно согласуются. Это меньшие потери, чем у коаксиального кабеля, поскольку характеристическое сопротивление двухжильного кабеля обычно выше, чем у коаксиального кабеля, что приводит к меньшим резистивным потерям из-за уменьшенного тока. Однако он более восприимчив к помехам.

Линии Лешера

Линии Лехера представляют собой разновидность параллельного проводника, который можно использовать в УВЧ для создания резонансных цепей. Они представляют собой удобный практический формат, заполняющий пробел между сосредоточенными компонентами (используется на ВЧ / ОВЧ ) и резонансными полостями (используется на УВЧ / СВЧ ).

Однопроводная линия

Несимметричные линии раньше широко использовались для телеграфной передачи, но сейчас эта форма связи вышла из употребления. Кабели похожи на витую пару в том, что в один кабель входит множество жил, но в каждой цепи имеется только один проводник и скрутка отсутствует. Все цепи на одном маршруте используют общий путь обратного тока (возврат на землю). Во многих местах используется версия однопроводного заземления для передачи энергии .

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 — нижний провод от телевизионной или радиоантенны к приемнику.

Схемы линий электропередачи

С помощью линий передачи также можно построить большое разнообразие схем, включая схемы согласования импеданса , фильтры , делители мощности и направленные ответвители .

Ступенчатая линия передачи

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

Ступенчатая линия передачи используется для согласования импедансов в широком диапазоне. Его можно рассматривать как несколько последовательно соединенных сегментов линии передачи с характеристическим сопротивлением каждого отдельного элемента . ^[13] Входное сопротивление можно получить путем последовательного применения цепного соотношения ${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }}$

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

где - волновое число -го сегмента линии передачи, - длина этого сегмента, - входное сопротивление, нагружающее -ый 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 . В результате кривая импеданса смещена относительно оси. И наоборот, если , кривая импеданса должна быть смещена от центра относительно оси. ${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }}$ ${\displaystyle Z_{0}}$ ${\displaystyle -x}$ ${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }>Z_{0}}$ ${\displaystyle +x}$

Поскольку характеристическое сопротивление каждого сегмента линии передачи часто отличается от импеданса четвертого входного кабеля (показано только стрелкой, отмеченной на левой стороне диаграммы выше), круг преобразования импеданса смещен от центра вдоль оси диаграмма Смита , представление импеданса которой обычно нормализуется по отношению к . ${\displaystyle Z_{\mathrm {0,i} }}$ ${\displaystyle Z_{0}}$ ${\displaystyle Z_{0}}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle Z_{0}}$

Фильтры-заглушки

Если короткозамкнутая или разомкнутая линия передачи подключена параллельно линии, используемой для передачи сигналов из точки А в точку Б, то она будет выполнять функцию фильтра. Метод изготовления заглушек аналогичен методу использования линий Лешера для грубого измерения частоты, но он «работает в обратном направлении». Один из методов, рекомендованный в справочнике RSGB по радиосвязи, заключается в использовании разомкнутой линии передачи, подключенной параллельно фидеру, передающему сигналы с антенны. Обрезав 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 закоротить, то шлейф станет фильтром, отсекающим четные гармоники.

Широкополосные фильтры могут быть реализованы с использованием нескольких шлейфов. Однако это несколько устаревший метод. Гораздо более компактные фильтры можно изготовить с помощью других методов, таких как резонаторы с параллельными линиями.

Генерация импульсов

Линии передачи используются в качестве генераторов импульсов. Заряжая линию передачи и затем разряжая ее на резистивную нагрузку, можно получить прямоугольный импульс, равный по длине удвоенной электрической длине линии, хотя и с половинным напряжением. Линия передачи Blumlein — это устройство формирования импульсов, которое преодолевает это ограничение. Иногда они используются в качестве импульсных источников питания для радиолокационных передатчиков и других устройств.

Звук

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

Смотрите также

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

Рекомендации

Часть этой статьи взята из Федерального стандарта 1037C .

1. Джекман, Шон М.; Мэтт Шварц; Маркус Бертон; Томас В. Хед (2011). Официальное учебное пособие для сертифицированного специалиста по беспроводному дизайну CWDP: экзамен PW0-250. Джон Уайли и сыновья. пп. гл. 7. ISBN 978-1118041611.
2. Оклобдия, Вожин Г.; Рам К. Кришнамурти (2006). Высокопроизводительный энергоэффективный микропроцессор. Springer Science & Business Media. п. 297. ИСБН 978-0387340470.
3. Гуру, Бхаг Сингх; Хусейн Р. Хызыроглу (2004). Основы теории электромагнитного поля, 2-е изд. Кембриджский университет. Нажимать. стр. 422–423. ISBN 978-1139451925.
4. Шмитт, Рон Шмитт (2002). Объяснение электромагнетизма: Справочник по беспроводной / радиочастотной связи, электромагнитной совместимости и высокоскоростной электронике . Ньюнес. стр. 153. ISBN 978-0080505237.
5. Карр, Джозеф Дж. (1997). Микроволновые и беспроводные коммуникационные технологии. США: Ньюнес. стр. 46–47. ISBN 978-0750697071.
6. Райсанен, Антти В.; Арто Лехто (2003). Радиотехника для беспроводной связи и сенсорных приложений. Артех Хаус. стр. 35–37. ISBN 978-1580536691.
7. Вебер, Эрнст; Небекер, Фредерик (1994). Эволюция электротехники . Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE Press. ISBN 0-7803-1066-7.
8. Сайед В. Ахамед, Виктор Б. Лоуренс, Проектирование и проектирование интеллектуальных систем связи , стр. 130–131, Springer, 1997 ISBN 0-7923-9870-X . 
9. Оценка характеристик и характеристик микрофонного кабеля. Архивировано 9 мая 2016 г. на Wayback Machine.
10. Как работает Starquad. Архивировано 12 ноября 2016 г. на Wayback Machine.
11. Лампен, Стивен Х. (2002). Карманное руководство для установщика аудио-/видеокабелей . МакГроу-Хилл. стр. 32, 110, 112. ISBN. 978-0071386210.
12. Рэйберн, Рэй (2011). Книга Эргла о микрофонах: от моно к стерео и объемному звуку - Руководство по проектированию и применению микрофонов (3-е изд.). Фокальная пресса. стр. 164–166. ISBN 978-0240820750.
13. Цянь, Чунци; Брей, Уильям В. (2009). «Согласование импеданса с регулируемой сегментированной линией передачи». Журнал магнитного резонанса . 199 (1): 104–110. Бибкод : 2009JMagR.199..104Q. дои : 10.1016/j.jmr.2009.04.005. ПМИД  19406676.

• Штайнмец, Чарльз Протей (27 августа 1898 г.). «Собственный период линии электропередачи и частота грозовых разрядов от нее». Электрический мир : 203–205.
• Грант, И.С.; Филлипс, WR (26 августа 1991 г.). Электромагнетизм (2-е изд.). Джон Уайли. ISBN 978-0-471-92712-9.
• Улаби, FT (2004). Основы прикладной электромагнетики (изд. СМИ, 2004 г.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-185089-7.
• «Глава 17». Справочник по радиосвязи . Радиообщество Великобритании . 1982. с. 20. ISBN 978-0-900612-58-9.
• Наредо, Дж.Л.; Судак, AC; Марти, младший (январь 1995 г.). «Моделирование переходных процессов на линиях электропередачи с коронным разрядом методом характеристик». Труды IEE – Генерация, передача и распределение . 142 (1): 81. doi :10.1049/ip-gtd:19951488. ISSN  1350-2360.

дальнейшее чтение

• Чествование Гульельмо Маркони. Ежегодный ужин Института в Вальдорф-Астории. Нью-Йорк: Американский институт инженеров-электриков. 13 января 1902 года.
• «Использование уравнений и параметров линии передачи». Руководство Star-Hspice. Авант! Программное обеспечение. Июнь 2001 г. Архивировано из оригинала 25 сентября 2005 г.
• Корниль, П. (1990). «О распространении неоднородных волн». Журнал физики D: Прикладная физика . 23 (2): 129–135. Бибкод : 1990JPhD...23..129C. дои : 10.1088/0022-3727/23/2/001. S2CID  250788839.
• Фарлоу, SJ (1982). Уравнения в частных производных для ученых и инженеров . Дж. Уайли и сыновья. п. 126. ИСБН 0-471-08639-8.
• Купершмидт, Борис А. (1998). «Замечания о случайной эволюции в гамильтоновом представлении». Дж. Нелинейная математика. Физ . 5 (4): 383–395. arXiv : math-ph/9810020 . Бибкод : 1998JNMP....5..483K. дои : 10.2991/jnmp.1998.5.4.10. S2CID  14771417. Math-ph/9810020.
• «Согласование линий электропередачи». Кафедра электронной и информационной техники. Проектирование высокочастотных схем. Гонконгский политехнический университет. ЭИЕ403. Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2011 г. Проверено 24 сентября 2005 г.
• Уилсон, Б. (19 октября 2005 г.). «Уравнения телеграфиста». Связи. Архивировано из оригинала 9 января 2006 года.
• Вёлбир, 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 телеграфиста». Архивировано из оригинала (PDF) 19 июня 2006 года.
• «Распространение волн по линии передачи» (Образовательный Java-апплет). Образовательные ресурсы. Кейсайт Технологии.^{[ постоянная неработающая ссылка ]} (Возможно, потребуется добавить «http://www.keysight.com» в список сайтов-исключений Java.)
• Цянь, Чунци; Брей, Уильям В. (2009). «Согласование импеданса с регулируемой сегментированной линией передачи». Журнал магнитного резонанса . 199 (1): 104–110. Бибкод : 2009JMagR.199..104Q. дои : 10.1016/j.jmr.2009.04.005. ПМИД  19406676.

Внешние ссылки

• «Калькулятор линии передачи (включая потери на излучение и поверхностные волны при возбуждении)». terahertz.tudelft.nl . Делфт, Нидерланды: Технический университет Делфта .
• «Калькулятор параметров линии электропередачи». cecas.clemson.edu/cvel . Клемсон, Южная Каролина: Университет Клемсона .