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“长”和“短”传输线

第十四章-传输线

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在直流和低频交流电路中特性阻抗平行线通常忽略。这包括在仪器电路中使用同轴电缆,通常采用以保护弱电压信号通过诱导的“噪声”来保护弱电压信号损坏。磁场

这是由于与电路中重要信号的波形或脉冲周期相比,在线路中发生反射的时间跨度相对较短。

As we saw in the last section, if a transmission line is connected to a DC voltage source, it will behave as a resistor equal in value to the line’s characteristic impedance only for as long as it takes the incident pulse to reach the end of the line and return as a reflected pulse, back to the source.

在那段时间之后(最后一个例子的英里长同轴电缆的简短16.292μs),源“看到”只有终端阻抗,无论如何。

如果有问题的电路处理低频交流电源,这样短的时间延迟由传输线之间的交流源输出电压峰值时,当源“看到”峰值由终止加载阻抗(往返时间的入射波线的结束和反射回源)的后果很小。

即使我们知道信号沿着线的长度不相等大小在任何给定的时间由于信号(几乎)光的速度传播,实际start-of-line和行尾信号之间的相位差可以忽略不计,因为字幕传播发生在一个非常小的比例的AC波形的周期。

实际上,我们可以说,在任意给定的时间点上,在低频两导体线路上各点上的电压是相等的,并且是同相的。

在这些情况下,我们可以说有问题的传输线是电短因为它们的传播效果比被传导信号的周期快得多。

相比之下,一个电长线是一种传播时间是信号周期的大分数甚至倍数的线。“长”线通常被认为是源信号波形在入射信号到达线尾之前完成至少1 / 4个周期(90°“旋转”)的线。

直到本章电路课程书系列,所有连接线都被认为是电动的。

如何计算波长?

为了更好地理解这一点,我们需要将电压或电流信号沿传输线传输的距离与其源频率的关系表示出来。频率为60hz的交流波形在16.66 ms内完成一个周期。

以光速(18.6万英里/秒),这相当于在这段时间内电压或电流信号将传播3100英里的距离。如果传输线的速度因子小于1,传播速度将小于186,000英里/秒,距离也小于相同的因子。

但即使我们从最后一个例子中使用了同轴电缆的速度因子(0.66),距离仍然是2046英里的距离!无论我们针对给定频率计算的距离都被称为波长的信号。

计算波长的一个简单公式如下:

一个计算波长的简单公式

小写的希腊字母“Lambda”(λ)表示波长,以速度数字(如果每秒数英里),则在数英里的波长;如果米/秒,则在米中的波长为单位)。

在露天或真空中计算信号波长时,传播速度通常是光速,但当传输线的速度因子小于1时,传播速度就会小于光速。

如果一条“长”线被认为是至少1/4波长的长度,那么你就可以明白为什么到目前为止所讨论的电路中的所有连接线都被认为是“短”的。

对于60赫兹的交流电力系统,输电线路必须超过775英里长,传播时间的影响才会变得显著。音频连接电缆放大器对于扬声器必须超过4.65英里,在线反射会显着影响10 kHz音频信号!

在处理时射频然而,输电线路的长度远不是小事。考虑一个100兆赫兹的无线电信号:它的波长仅仅是9.8202英尺,即使在光速(186,000英里/秒)的全部传播速度下。

携带这种信号的传输线长度不需要超过2-1/2英尺才算“长”!电缆的速度系数为0.66,临界长度缩短至1.62英尺。

如果输电线“短”怎么办?

当一个电源通过“短”传输线连接到一个负载时,负载的阻抗占电路的主导地位。也就是说,当线路很短时,其特性阻抗对电路的性能影响很小。

当用欧姆计测试同轴电缆时,我们可以看到这一点:如果电缆端未端,电缆从中心导体到外部导体读取“开路”。

尽管在仪表连接后线路在很短的一段时间内(大约50 ω的RG-58/U电缆)充当电阻器,但它随后立即表现为一个简单的“开路”:线路开放端阻抗。

由于欧姆表和使用它的人的联合响应时间大大超过了往返传播时间上下电缆,它是“电动短”的本申请,我们只注册终止(负载)阻抗。

它是传播信号的极端速度,使我们无法通过欧姆表检测到电缆的50Ω瞬态阻抗。

如果我们使用同轴电缆传导直流电压或电流到负载,并且电路中没有组件能够测量或反应足够快“注意到”反射波,该电缆被认为是“电短”,其阻抗与电路功能无关。

注意电缆的电“短”是如何与应用相关联的:在直流电路中,电压和电流值变化缓慢,几乎任何物理长度的电缆都可以从特征阻抗和反射波的角度被认为是“短”的。

然而,用同样长度的电缆来传导高频交流信号,可能会导致对电缆“短”的截然不同的评估!

当传输线电动“长”时会发生什么?

当源通过“长”传输线连接到负载时,线路本身的特性阻抗在确定电路行为时占据负载阻抗。换句话说,电动“长”线作为电路中的主要成分,其自身的特性超过了负载。

通过连接到电缆的一端的源和另一端的负载,从源汲取的电流主要是主要是线路而不是负载的函数。这越来越真实,传输线越长。

考虑我们的假设50Ω电缆无限长度,肯定是“长”传输线的终极例子:无论我们连接到这一行的一端是什么样的加载,源(连接到另一端)只会看到50Ω of impedance, because the line’s infinite length prevents the signal from曾经达到过连接负载的端部。

在这种情况下,行阻抗专门定义电路行为,渲染负载完全无关紧要。

如何最小化传输线长度对电路的影响?

最小化传输线长度对电路行为的影响的最有效方法是将线路的特征阻抗与负载阻抗匹配。

如果负载阻抗等于线路阻抗,那么任何连接到线路另一端的信号源将“看到”完全相同的阻抗,并且将具有与线宽汲取的完全相同的电流量,而不管行长。

在这种完美阻抗匹配的条件下,线长度仅影响来自源头的信号偏移量的时间延迟,以信号到达负载。但是,完美的线路和负载阻抗匹配并不总是实用的或可能的。

下一节讨论了“长”传输线的效果,尤其是当线长发生以匹配特定分数或信号波长的倍数时。

点评:

  • 同轴电缆有时用于直流和低频AC电路以及高频电路,用于诱导其提供信号的“噪声”的优异免疫力。
  • 当传输的电压或电流信号的周期大大超过传输线的传播时间时,考虑该线路电短。相反,当传播时间是信号周期的一个大分数或倍数时,则考虑这条线电长
  • 一个信号波长是它在一个周期的时间跨度内传播的物理距离。波长由λ=v/f公式计算,其中λ为波长,v为传播速度,f为信号频率。
  • 关于传输线“短”的一个经验法则是,该线必须至少有1/4波长才被认为是“长”。
  • 在具有“短”线路的电路中,终止(负载)阻抗主导电路行为。源是有效地看到负载的阻抗,禁止传输线中的任何电阻损耗。
  • 在具有“长”线路的电路中,线路本身的特性阻抗支配着电路的行为。这方面的终极例子是一个无限长的传输线:因为信号会从来没有达到负载阻抗,源只“看”到电缆的特性阻抗。
  • 当传输线被精确匹配其阻抗的负载终止时,就没有反射波,因此线路长度也没有问题。