Линии передачи конечной длины

Линия передачи бесконечной длины - интересная абстракция, но физически невозможная. Все линии передачи имеют некоторую конечную длину и поэтому ведут себя не так, как бесконечная линия.

Если бы тот кусок кабеля «RG-58 / U» на 50 Ом, который я измерил омметром несколько лет назад, был бесконечно длинным, я бы действительно смог измерить сопротивление 50 Ом между внутренним и внешним проводниками. Но он не был бесконечным по длине, поэтому его измеряли как «открытое» (бесконечное сопротивление).

Тем не менее характеристический импеданс линии передачи важен даже при ограниченных длинах. Более старый термин для характеристического импеданса, который мне нравится из-за его описательной ценности, - это импульсное сопротивление . .

Если переходное напряжение («скачок») приложено к концу линии передачи, линия будет потреблять ток, пропорциональный величине импульсного напряжения, деленной на импульсное сопротивление линии (I =E / Z). Это простое соотношение между током и напряжением по закону Ома будет сохраняться в течение ограниченного периода времени, но не бесконечно.

Если конец линии передачи разомкнут, то есть оставлен неподключенным, текущая «волна», распространяющаяся по длине линии, должна будет остановиться на конце, поскольку ток не может течь там, где нет продолжающегося пути.

Это резкое прекращение тока на конце линии вызывает "скопление" по всей длине линии передачи, поскольку носителям электрического заряда последовательно некуда деться.

Представьте себе поезд, едущий по рельсам с зазором между сцепками вагонов:если ведущий вагон внезапно врезается в неподвижную баррикаду, он остановится, в результате чего следующий за ним остановится, как только произойдет первая слабина сцепки. принято, в результате чего следующий железнодорожный вагон останавливается, как только устраняется провисание следующей муфты, и так далее, пока не остановится последний железнодорожный вагон.

Поезд останавливается не вместе, а последовательно от первого вагона к последнему:(рисунок ниже)

Сигнал, распространяющийся от конца линии передачи до конца нагрузки, называется падающей волной . . Распространение сигнала от конца нагрузки к концу источника (например, то, что произошло в этом примере с током, достигающим конца разомкнутой линии передачи) называется отраженной волной . .

Когда это «скопление» носителей электрического заряда распространяется обратно к батарее, ток в батарее прекращается, и линия действует как простая разомкнутая цепь.

Все это происходит очень быстро для линий передачи разумной длины, поэтому измерение линии омметром никогда не выявляет короткий период времени, когда линия фактически ведет себя как резистор.

Для кабеля длиной в милю с коэффициентом скорости 0,66 (скорость распространения сигнала составляет 66% скорости света или 122760 миль в секунду), требуется всего 1/122760 секунды (8,146 микросекунды), чтобы сигнал прошел от одного конца. к другому. Чтобы текущий сигнал достиг конца линии и «отразился» обратно к источнику, время прохождения туда и обратно вдвое превышает это значение, или 16,292 мкс.

Значение падающих и отраженных волн

Высокоскоростные измерительные приборы могут определять это время прохождения от источника к концу линии и обратно к источнику снова и могут использоваться для определения длины кабеля.

Этот метод также можно использовать для определения присутствия и место разрыва в одном или обоих проводниках кабеля, так как ток будет «отражаться» от разрыва провода так же, как и от конца кабеля с разомкнутой цепью.

Инструменты, предназначенные для таких целей, называются рефлектометрами во временной области . (TDR). Основной принцип аналогичен принципу определения дальности гидролокатора:генерирование звукового импульса и измерение времени, которое требуется для возврата эхо-сигнала.

Аналогичное явление имеет место, если конец линии передачи закорочен:когда волна напряжения достигает конца линии, она отражается обратно к источнику, потому что напряжение не может существовать между двумя электрически общими точками.

Когда эта отраженная волна достигает источника, источник видит всю линию передачи как короткое замыкание. Опять же, это происходит так быстро, как сигнал может распространяться туда и обратно по линии передачи с любой скоростью, допускаемой диэлектрическим материалом между проводниками линии.

Простой эксперимент иллюстрирует явление отражения волн в линиях передачи. Возьмите веревку за один конец и «взбейте» ее быстрым движением руки вверх-вниз. Можно увидеть волну, бегущую по веревке, пока она полностью не рассеется за счет трения:(рисунок ниже)

Линия передачи с потерями

Это аналогично длинной линии передачи с внутренними потерями:сигнал неуклонно ослабевает по мере распространения по длине линии, никогда не отражаясь обратно к источнику. Однако, если дальний конец веревки прикреплен к твердому объекту в точке до полного рассеяния падающей волны, вторая волна отразится обратно в вашу руку:(рисунок ниже)

Отраженная волна.

Обычно цель линии передачи - передавать электрическую энергию из одной точки в другую.

Даже если сигналы предназначены только для информации, а не для питания какого-либо значительного нагрузочного устройства, идеальной ситуацией было бы, чтобы вся энергия исходного сигнала перемещалась от источника к нагрузке, а затем полностью поглощалась или рассеивалась нагрузкой. для максимального отношения сигнал / шум.

Таким образом, «потери» по длине линии передачи нежелательны, как и отраженные волны, поскольку отраженная энергия - это энергия, не переданная конечному устройству.

Как устранить отражения в линии передачи

Отражения от линии передачи можно устранить, если полное сопротивление нагрузки в точности равно характеристическому («импульсному») сопротивлению линии.

Например, коаксиальный кабель 50 Ом с разомкнутой или короткозамкнутой цепью будет отражать всю падающую энергию обратно к источнику. Однако, если к концу кабеля подключить резистор 50 Ом, отраженная энергия не будет, а вся энергия сигнала будет рассеиваться резистором.

Это имеет смысл, если мы вернемся к нашему гипотетическому примеру с линией передачи бесконечной длины. Линия передачи с волновым сопротивлением 50 Ом и бесконечной длиной ведет себя точно так же, как сопротивление 50 Ом, измеренное с одного конца. (Рисунок ниже)

Если мы разрежем эту линию до некоторой конечной длины, она будет вести себя как резистор 50 Ом к постоянному источнику постоянного напряжения в течение короткого времени, но затем вести себя как разомкнутая цепь или короткое замыкание, в зависимости от того, в каком состоянии мы оставим обрезанный конец линии:обрыв или закорочен. (Рисунок ниже)

Однако, если мы прекратим действие линия с резистором 50 Ом, линия снова будет вести себя как резистор 50 Ом, бесконечно долго:так же, как если бы она снова имела бесконечную длину:(рисунок ниже)

Бесконечная линия передачи выглядит как резистор.

Передача на одну милю

Короткое замыкание в линии передачи .

Линия оканчивается характеристическим сопротивлением.

По сути, согласующий резистор, соответствующий естественному импедансу линии передачи, заставляет линию «казаться» бесконечно длинной с точки зрения источника, потому что резистор имеет способность вечно рассеивать энергию так же, как линия передачи бесконечной длины. способен вечно поглощать энергию.

Отраженные волны также будут проявляться, если оконечное сопротивление не точно равно характеристическому импедансу линии передачи, а не только в том случае, если линия остается неподключенной (разомкнутой) или замкнутой (закороченной).

Хотя отражение энергии не будет полным с оконечным сопротивлением с небольшим рассогласованием, оно будет частичным. Это происходит вне зависимости от того, больше оконечного сопротивления. или меньше чем волновое сопротивление линии.

Переотражение отраженной волны также может происходить со стороны источника . линии передачи, если внутреннее сопротивление источника (эквивалентное сопротивление Тевенина) не в точности равно характеристическому сопротивлению линии.

Отраженная волна, возвращающаяся обратно к источнику, будет полностью рассеиваться, если полное сопротивление источника совпадает с сопротивлением линии, но будет отражаться обратно к концу линии, как другая падающая волна, по крайней мере частично, если полное сопротивление источника не соответствует линии.

Этот тип отражения может быть особенно неприятным, так как создается впечатление, что источник передал другой импульс.

ОБЗОР:

• Характеристическое сопротивление также известно как импульсное сопротивление . из-за временного сопротивления линии передачи любой длины.
• Линия передачи конечной длины будет казаться источнику постоянного напряжения постоянным сопротивлением в течение некоторого короткого времени, а затем каким бы ни была импедансом, с которым линия заканчивается. Следовательно, кабель с открытым концом просто считывается «разомкнутым» при измерении омметром и «закороченным», когда его конец закорочен.
• Переходный («импульсный») сигнал, подаваемый на один конец незамкнутой или короткозамкнутой линии передачи, будет «отражаться» от дальнего конца линии как вторичная волна. Сигнал, распространяющийся по линии передачи от источника к нагрузке, называется падающей волной .; сигнал, «отраженный» от конца линии передачи, идущий от нагрузки к источнику, называется отраженной волной .
• Отраженные волны также будут появляться в линиях передачи, оконеченных резисторами, не полностью соответствующими характеристическому импедансу.
• Линия передачи конечной длины может выглядеть бесконечной, если на ней установлен резистор, значение которого равно характеристическому сопротивлению линии. Это устраняет все отражения сигнала.
• Отраженная волна может повторно отражаться от конца линии передачи, если внутреннее сопротивление источника не соответствует характеристическому сопротивлению линии. Эта повторно отраженная волна, конечно же, будет выглядеть как другой импульсный сигнал, передаваемый от источника.