유한 길이의 송전선로

무한 길이의 전송선은 흥미로운 추상화이지만 물리적으로 불가능합니다. 모든 전송 라인은 어느 정도 유한한 길이를 가지고 있으므로 무한 라인과 정확히 동일하게 동작하지 않습니다.

몇 년 전에 저항계로 측정한 50Ω "RG-58/U" 케이블 조각이 무한히 길었다면 실제로 내부 도체와 외부 도체 사이의 50Ω 값을 측정할 수 있었을 것입니다. 하지만 길이가 무한대가 아니어서 '개방'(무한 저항)으로 측정했습니다.

그럼에도 불구하고 전송선로의 특성 임피던스 정격은 제한된 길이를 다룰 때에도 중요합니다. 특성 임피던스에 대한 더 오래된 용어는 내가 설명하는 값으로 좋아하는 서지 임피던스입니다. .

전송 라인 끝에 과도 전압("서지")이 적용되면 라인은 서지 전압 크기를 라인의 서지 임피던스(I=E/Z)로 나눈 값에 비례하는 전류를 끌어옵니다. 전류와 전압 사이의 이 간단한 옴의 법칙 관계는 제한된 시간 동안만 유효하지만 무한정은 아닙니다.

전송 라인의 끝이 개방 회로 즉, 연결되지 않은 상태로 남아 있으면 라인 길이를 따라 전파되는 전류 "파동"이 끝에서 중지되어야 합니다. 왜냐하면 연속 경로가 없는 곳에서는 전류가 흐를 수 없기 때문입니다.

라인 끝에서 전류가 갑자기 중단되면 전하 캐리어가 갈 곳을 연속적으로 찾지 못하므로 전송 라인의 길이를 따라 "쌓임"이 발생합니다.

철도 차량 커플링 사이가 느슨한 상태로 선로를 따라 이동하는 기차를 상상해 보십시오. 선두 차량이 갑자기 움직일 수 없는 바리케이드에 충돌하면 첫 번째 커플링이 느슨해지면 뒤에 있던 차량도 정지하게 됩니다. 다음 커플링이 느슨해지면 다음 철도 차량이 멈추고 마지막 철도 차량이 멈출 때까지 계속됩니다.

열차는 함께 정차하지 않고 첫 객차에서 막차까지 차례로 정차합니다. (아래 그림)

전송 라인의 소스 끝에서 부하 끝으로 전파되는 신호를 입사파라고 합니다. . 부하단에서 소스단으로의 신호 전파(예:이 예에서 전류가 개방 회로 전송 라인의 끝과 만나는 경우)를 반사파라고 합니다. .

이 전하 캐리어가 "축적"으로 다시 배터리로 전파되면 배터리의 전류가 중단되고 라인은 단순한 개방 회로 역할을 합니다.

이 모든 것이 합리적인 길이의 전송 라인에 대해 매우 빠르게 발생하므로 라인의 저항계 측정은 라인이 실제로 저항으로 동작하는 짧은 시간을 결코 나타내지 않습니다.

속도 계수가 0.66인 마일 길이 케이블의 경우(신호 전파 속도는 광속의 66% 또는 초당 122,760마일임) 신호가 한쪽 끝에서 이동하는 데 1/122,760초(8.146마이크로초)만 걸립니다. 다른 사람에게. 전류 신호가 라인 끝에 도달하고 소스로 다시 "반사"하려면 왕복 시간은 이 수치의 두 배인 16.292µs입니다.

사고 및 반사파의 중요성

고속 측정 기기는 소스에서 라인 엔드로 그리고 다시 소스로 되돌아오는 이 이동 시간을 감지할 수 있으며 케이블 길이를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.

이 기술은 존재 및 전류가 개방 회로 케이블의 끝을 차단하는 것처럼 전선 차단에 "반사"되기 때문에 케이블 도체 중 하나 또는 둘 모두의 차단 위치

이러한 목적으로 설계된 기기를 시간 영역 반사계라고 합니다. (TDR). 기본 원리는 음파를 생성하고 반향이 되돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하는 소나 거리 측정의 원리와 동일합니다.

전송 라인의 끝이 단락된 경우에도 유사한 현상이 발생합니다. 즉, 전압 파면이 라인 끝에 도달하면 두 개의 전기적으로 공통 지점 사이에 전압이 존재할 수 없기 때문에 소스로 다시 반사됩니다.

이 반사파가 소스에 도달하면 소스는 전체 전송 라인을 단락으로 봅니다. 다시 말하지만, 이것은 신호가 선로의 도체 사이의 유전 물질이 허용하는 모든 속도로 전송 선로를 왕복할 수 있는 한 빨리 발생합니다.

간단한 실험은 전송 라인에서 파동 반사 현상을 보여줍니다. 로프의 한쪽 끝을 잡고 손목을 위아래로 빠르게 움직여 "채찍질"합니다. 마찰로 인해 완전히 사라질 때까지 파도가 로프의 길이를 따라 이동하는 것을 볼 수 있습니다. (아래 그림)

손실 전송 라인.

이것은 내부 손실이 있는 긴 전송 라인과 유사합니다. 신호는 소스로 다시 반사되지 않고 라인 길이로 전파됨에 따라 꾸준히 약해집니다. 그러나 로프의 맨 끝이 입사 파동의 전체 소산 이전 지점에서 단단한 물체에 고정되어 있으면 두 번째 파동이 다시 손으로 반사됩니다(아래 그림).

반사된 물결

일반적으로 전송 라인의 목적은 한 지점에서 다른 지점으로 전기 에너지를 전달하는 것입니다.

신호가 정보용으로만 의도되고 일부 중요한 부하 장치에 전원을 공급하지 않는 경우에도 이상적인 상황은 모든 원래 신호 에너지가 소스에서 부하로 이동한 다음 부하에 의해 완전히 흡수되거나 소산되는 것입니다. 최대 신호 대 잡음비를 위한 것입니다.

따라서 반사된 에너지는 최종 장치에 전달되지 않는 에너지이기 때문에 전송 라인의 길이에 따른 "손실"은 반사파와 마찬가지로 바람직하지 않습니다.

전송 라인에서 반사를 제거하는 방법

부하 임피던스가 라인의 특성("서지") 임피던스와 정확히 동일한 경우 전송 라인에서 반사가 제거될 수 있습니다.

예를 들어, 개방 회로 또는 단락 회로인 50Ω 동축 케이블은 모든 입사 에너지를 소스로 다시 반사합니다. 그러나 케이블 끝에 50Ω 저항을 연결하면 반사 에너지가 없으며 모든 신호 에너지는 저항에 의해 소산됩니다.

이것은 가상의 무한 길이 전송선 예제로 돌아가면 완벽하게 이해됩니다. 50Ω 특성 임피던스와 무한 길이의 전송 라인은 한쪽 끝에서 측정했을 때 정확히 50Ω 저항처럼 동작합니다. (아래 그림)

이 라인을 유한한 길이로 자르면 짧은 시간 동안 일정한 DC 전압 소스에 대해 50Ω 저항처럼 작동하지만 이후에는 어떤 조건을 그대로 두느냐에 따라 개방 또는 단락 회로처럼 작동합니다. 라인의 절단 끝:개방 또는 단락. (아래 그림)

그러나 우리가 종료하는 경우 50Ω 저항이 있는 라인에서 라인은 다시 한 번 50Ω 저항처럼 무기한으로 동작합니다. 마치 길이가 다시 무한대인 것처럼 동일합니다. (아래 그림)

무한 전송선은 저항기처럼 보입니다.

1마일 전송.

단락된 전송선

특성 임피던스로 종단된 라인.

본질적으로, 전송 라인의 고유 임피던스와 일치하는 종단 저항은 소스의 관점에서 라인을 무한히 길게 "보이게" 합니다. 저항은 무한 길이의 전송 라인과 같은 방식으로 에너지를 영원히 소산시키는 능력을 가지고 있기 때문입니다. 에너지를 영원히 흡수할 수 있습니다.

반사파는 종단 저항이 전송선의 특성 임피던스와 정확히 일치하지 않는 경우에도 나타납니다. 라인이 연결되지 않은 상태(개방 상태) 또는 점퍼된 상태(단락 상태)인 경우에도 마찬가지입니다.

에너지 반사는 약간의 불일치의 종단 임피던스로 전체가 아니지만 부분적입니다. 이것은 종단 저항이 더 크거나 있는지 여부에 관계없이 발생합니다. 또는 덜 라인의 특성 임피던스보다.

반사파의 재반사는 소스 끝에서도 발생할 수 있습니다. 소스의 내부 임피던스(Thevenin 등가 임피던스)가 라인의 특성 임피던스와 정확히 동일하지 않은 경우 전송 라인의.

소스 임피던스가 라인과 일치하면 소스로 되돌아오는 반사파가 완전히 소멸되지만 소스 임피던스가 라인과 일치하지 않는 경우 적어도 부분적으로는 다른 입사파처럼 라인 끝쪽으로 다시 반사됩니다.

이러한 유형의 반사는 소스가 다른 펄스를 전송한 것처럼 보이기 때문에 특히 문제가 될 수 있습니다.

검토:

<울>

특성 임피던스는 서지 임피던스라고도 합니다. , 모든 길이의 전송 라인의 일시적인 저항 동작으로 인해.

유한 길이의 전송 라인은 짧은 시간 동안 일정한 저항으로 DC 전압 소스에 나타나다가 어떤 임피던스로든 라인이 종단됩니다. 따라서 개방형 케이블은 저항계로 측정할 때 단순히 "개방"으로 표시되고 끝이 단락되면 "단락"으로 표시됩니다.

개방 종단 또는 단락된 전송 라인의 한쪽 끝에 적용된 과도("서지") 신호는 라인의 맨 끝에서 2차 파동으로 "반사"됩니다. 소스에서 부하로 전송 라인을 따라 이동하는 신호를 입사파라고 합니다.; 부하에서 소스로 이동하는 전송 라인 끝에서 "반사된" 신호를 반사파라고 합니다. .

반사파는 특성 임피던스와 정확히 일치하지 않는 저항으로 종단된 전송 라인에도 나타납니다.

유한 길이 전송 라인은 라인의 특성 임피던스와 같은 값의 저항으로 종단되면 길이가 무한대로 나타날 수 있습니다. 이렇게 하면 모든 신호 반사가 제거됩니다.

반사파는 소스의 내부 임피던스가 라인의 특성 임피던스와 일치하지 않으면 전송 라인의 소스 끝에서 다시 반사될 수 있습니다. 물론 이 재반사된 파동은 소스에서 전송된 다른 펄스 신호처럼 나타납니다.