Riflessione della linea di trasmissione. Vorrei una spiegazione non matematica


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Sono un radioamatore autorizzato e trovo sconcertanti le molte diverse spiegazioni, che vanno dal mito folksy urbano alle equazioni di Maxwell-Heaviside, di ciò che accade al termine di una linea di trasmissione o di un alimentatore. Mi rendo conto che alla fine arrivano tutti alla stessa cosa (o dovrebbero fare, gioco di parole perfetto), ma nessuno di loro mi dà un istinto per quello che sta succedendo.

Mi piacciono i diagrammi, quindi una risposta in termini di fasori (grafici) per le correnti e le tensioni al carico mi si addice meglio. In che modo, ad esempio, un impulso graduale lungo la linea provoca il doppio della tensione a una terminazione a circuito aperto? Allo stesso modo per la corrente in corto circuito. E come viene generato il passo riflesso dall'induttanza e dalla capacità della linea?

Qualcuno può aiutare, senza essere matematico e senza dire "bugie ai bambini"?


Mi piace pensare alle onde EM come acqua attraverso un tubo. Se il tubo è vuoto e si apre la valvola dell'acqua, l'acqua
scorrerà

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Puoi modellare un effetto in qualche modo simile unendo sezioni di corda / corda di diverso peso e inviando onde.
Chris Stratton,

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Questa è la migliore spiegazione delle linee di trasmissione che ho letto finora ..
m.,

Grazie @ m.Alin, quel riferimento è esattamente quello di cui ho bisogno e che non sono riuscito a trovare da solo.
Harry Weston,

@HarryWeston Sono contento che abbia aiutato. Anche la risposta di Dave è molto buona. Dovresti considerare di accettare la sua risposta.
m.,

Risposte:


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OK, per quello che vale, ecco come lo visualizzo.

Come dici tu, una linea di trasmissione ha sia capacità distribuita che induttanza distribuita, che si combinano per formare la sua impedenza caratteristica Z 0 . Supponiamo di avere una sorgente di tensione a gradino la cui impedenza di uscita Z S corrisponde a Z 0 . Prima di t = 0, tutte le tensioni e le correnti sono zero.

Nel momento in cui si verifica il passaggio, la tensione dalla sorgente si divide equamente tra Z S e Z 0 , quindi la tensione a quell'estremità della linea è V S / 2. La prima cosa che deve accadere è che il primo bit di capacità deve essere caricato a quel valore, che richiede una corrente per fluire attraverso il primo bit di induttanza. Ma questo fa sì che il prossimo bit di capacità venga caricato attraverso il successivo bit di induttanza e così via. Un'onda di tensione propaga lungo la linea, con la corrente che scorre dietro di essa, ma non davanti a essa.

Se l'estremità lontana della linea termina con un carico dello stesso valore di Z 0 , quando arriva l'onda di tensione, il carico inizia immediatamente a disegnare una corrente che corrisponde esattamente alla corrente che sta già fluendo nella linea. Non c'è motivo per cambiare nulla, quindi non c'è riflesso nella linea.

Tuttavia, supponiamo che l'estremità remota della linea sia aperta. Quando l'onda di tensione arriva lì, non c'è posto per la corrente che scorre appena dietro di essa, quindi la carica "si accumula" nell'ultimo bit di capacità fino a quando la tensione arriva al punto in cui può interrompere la corrente nell'ultima un po 'di induttanza. La tensione richiesta per fare ciò è esattamente il doppio della tensione in arrivo, il che crea una tensione inversa attraverso l'ultimo bit di induttanza che corrisponde alla tensione che ha iniziato la corrente in esso in primo luogo. Tuttavia, ora abbiamo V S a quell'estremità della linea, mentre la maggior parte della linea viene addebitata solo a V S / 2. Ciò provoca un'onda di tensione che si propaga nella direzione opposta e, mentre si propaga, la corrente che scorre ancora avantidell'onda è ridotto a zero dietro l'onda, lasciando la linea dietro carico V S scende improvvisamente a zero, e quindi la corrente scende a zero , pure. Ancora una volta, tutto è ora in uno stato stabile.. (Un altro modo di pensare a questo è che la riflessione crea una corrente inversa che annulla esattamente la corrente diretta originale.) Quando questa onda di tensione riflessa raggiunge la sorgente, la tensione attraverso Z S

Ora, se l'estremità più lontana della linea è in cortocircuito (anziché aperta) quando l'onda incidente arriva lì, abbiamo un vincolo diverso: la tensione non può effettivamente aumentare e la corrente scorre semplicemente nel cortocircuito. Ma ora abbiamo un'altra situazione instabile: quell'estremità della linea è a 0 V, ma il resto della linea è ancora addebitato a V s / 2. Pertanto, la corrente aggiuntiva scorre nel cortocircuito e questa corrente è uguale a V S / 2 divisa per Z 0 (che risulta essere uguale alla corrente originale che scorre nella linea). Un'onda di tensione (passo da V S/ 2 fino a 0 V) ​​si propaga nella direzione opposta e la corrente dietro questa onda è doppia della corrente originale che la precede. (Ancora una volta, puoi pensare a questo come un'onda di tensione negativa che annulla l'onda positiva originale.) Quando questa onda raggiunge la sorgente, il terminale della sorgente viene portato a 0 V, l'intera tensione della sorgente viene lasciata cadere attraverso Z S e la corrente attraverso Z S è uguale alla corrente che ora scorre nella linea. Tutto è di nuovo stabile.

Qualcuno di questo aiuta? Uno dei vantaggi della visualizzazione di ciò in termini di elettronica effettiva (rispetto alle analogie che coinvolgono corde, pesi o idraulica, ecc. Ecc.) È che consente di ragionare più facilmente su altre situazioni, quali capacità concentrate, induttanze o carichi resistivi non corrispondenti fissati alla linea di trasmissione.


Grazie @Dave Tweed, questo è esattamente quello che stavo cercando, una spiegazione molto chiara e convincente. Grazie anche per aver dedicato tempo e problemi a un post così lungo.
Harry Weston,

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Ecco una serie di esperimenti o esperimenti di pensiero, se lo desideri.

1) Prendi una lunga corda tenuta ad entrambe le estremità da due amici e tesa. Mettiti in mezzo e chiedi alla persona su un'estremità di dare un rapido movimento verticale della corda, inviando un impulso lungo la corda all'altra persona. Mentre l'onda ti passa (nel mezzo) noterai che l'onda si propaga appena oltre te. Non ci sono riflessioni (in quel momento). Noterai che le caratteristiche delle corde sono identiche prima e dopo la tua posizione. Questo è il caso di un'impedenza abbinata, non c'è transizione, quindi non c'è riflessione.

2) prendi la stessa corda, legala in una posizione fissa su una parete rigida. Chiedi al tuo amico di inviare un impulso lungo la corda e osservare l'onda che si avvicina, colpisce la posizione fissa e poi si riflette. Noterai che quando lo riflette si inverte. Questo equivale a un corto. La corda si solleva, ma non può muoversi perché è ancorata, l'energia viene immagazzinata in energia elastica che fa scattare la corda indietro (invertendo l'impulso)

3) Prendi la stessa corda e lega una corda molto, molto leggera. Di nuovo, fai in modo che i tuoi due amici si trovino ad ogni estremità e tengano la corda / corda tesa e ti lancino un impulso lungo la corda. Alla transizione tra corda / corda l'impulso rifletterà, ma non sarà invertito. Questo è un esempio di circuito aperto. La corda si solleva, ma l'energia non può entrare nella corda (o piuttosto molta meno energia) perché la massa della corda è molto meno. Quindi, l'estremità della fune aumenta, l'energia viene immagazzinata in energia potenziale e poi semplicemente si dissipa ricadendo verso il basso inviando l'onda lungo la linea.

In una guida d'onda, l'energia si sta trasformando da magnetica (correnti) a elettrica (tensione) mentre l'onda si propaga. A una terminazione aperta, la corrente non può fluire quindi l'energia va in forma di tensione. In breve, la tensione non può essere espressa (è un corto - o equipotenziale), quindi l'energia entra nei circuiti di corrente locali.


Grazie @rawbrawb per un'analogia molto utile e per aver dedicato del tempo e difficoltà a rispondere in modo così completo.
Harry Weston,

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Mi piace pensare a una linea di trasmissione come a una raccolta di pesi uguali collegati a molle corrispondenti. Quando un impulso di compressione viene iniettato a un'estremità, ciascun peso finisce per spingere sul peso successivo in modo tale che la spinta o la trazione dal peso "a monte" venga bilanciata con precisione da una trazione o spinta dal peso "a valle", lasciando ogni peso immobile dopo il passaggio dell'onda.

Se la fine della linea di trasmissione non può muoversi, l'effetto è che la molla che non può muoversi "spinge indietro" due volte più forte di quanto sarebbe se potesse spostarsi. La metà di quella spinta contrasta la spinta dell'onda precedente e l'altra metà serve a spingere il peso precedente nella direzione opposta al suo movimento precedente. L'effetto netto è che un'onda di compressione viene ritrasmessa.

Se la fine della linea di trasmissione fosse semplicemente "aperta", l'effetto sarebbe che l'ultimo peso non finisca per spostarsi solo al suo punto di partenza dopo aver trasferito la sua energia al peso successivo, ma quando ha raggiunto il suo punto di partenza sarebbe hanno ancora tutta l'energia che aveva ricevuto dal peso precedente. A quel punto, l'inerzia e la quantità di moto lo farebbero continuare oltre quel punto, e di fatto "rimorchiano" il peso precedente con tutta l'energia che il peso precedente vi aveva alimentato. Ciò genererebbe effettivamente un'onda di tensione che risale la molla.


Grazie @supercat per questa spiegazione e per i tuoi problemi nel mettere insieme una risposta lunga e adeguata.
Harry Weston,

Sto cercando di capire anche la riflessione. Sono bloccato: perché stiamo aggiungendo tensioni incidente e riflesse ma sottraendo le correnti. per favore qualcuno può aiutarmi a capire.
user3551094

@ user3551094: per usare l'analogia della molla, pensa alla tensione come alla tensione delle molle e alla corrente come alla quantità di movimento delle molle. Se uno invia un impulso lungo la molla in modo tale che la tensione e il movimento siano nella direzione positiva, allora il riflesso avrà la stessa direzione di movimento ma tensione negativa o tensione positiva ma la direzione inversa del movimento. In entrambi i casi, se i segni della tensione e del movimento corrispondessero all'onda originale, allora nell'onda riflessa saranno opposti.
supercat

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Questo affascinante video di Bell Labs dimostra magnificamente le sezioni di movimento delle onde, SWR e impedenza su un dispositivo da tavolo completamente meccanico senza bisogno di matematica . È presentato in modo che anche un laico possa comprendere questi concetti.

  • Riflessione delle onde dalle estremità libere e bloccate
  • sovrapposizione
  • Onde stazionarie e risonanza
  • Perdita di energia dovuta a disadattamento di impedenza
  • Riduzione della perdita di energia con trasformatori a quarto di onda e conici

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Video incredibile davvero! Un piccolo chiarimento: qui nel 2018, non utilizziamo più Adobe Flash, quindi ecco il link Youtube allo stesso video: youtube.com/watch?v=DovunOxlY1k
akhmed
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