Длинные линии
Длинная линия — модель линии передачи, продольный размер (длина) которой превышает длину волны, распространяющейся в ней (либо сравнима с длиной волны), а поперечные размеры (например, расстояние между проводниками, образующими линию) значительно меньше длины волны.
С точки зрения теории электрических цепей длинная линия относится к четырёхполюсникам. Характерной особенностью длинной линии является проявление интерференции двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из этих волн создается подключенным ко входу линии генератором электромагнитных колебаний и называется падающей. Другая волна называется отражённой и возникает из-за частичного отражения падающей волны от нагрузки, подключенной к выходу (противоположному генератору концу) линии. Всё разнообразие колебательных и волновых процессов, происходящих в длинной линии, определяется соотношениями амплитуд и фаз падающей и отраженной волн. Анализ процессов упрощается, если длинная линия является регулярной, то есть такой, у которой в продольном направлении неизменны поперечное сечение и электромагнитные свойства (εr, μr, σ) заполняющих сред.
Дифференциальные уравнения длинной линии
ZН = RН + iXН — комплексное сопротивление нагрузки;
z — продольная координата линии, отсчитываемая от места подключения нагрузки.
Первичные параметры
Из электродинамики известно, что линия передачи может быть охарактеризована её погонными параметрами:
- R1 — погонное сопротивление металла проводов, Ом/м;
- G1 — паразитная, параллельная(источник термина ) погонная(продольная, аддитивная) проводимость диэлектрика линии,1/Ом·м или См/м; ,- погонная вдоль линии, ортогонально токам утечки через диэлектрик, в противовес g[Cм·м] - проводимости погонной,приведённой к единице длины паразитного тока, текущего через диэлектрик линии(поперечно-погонной проводимости изолятора линии)!
- L1 — погонная индуктивность Гн/м;
- C1 — погонная ёмкость Ф/м;
Погонные сопротивление и проводимость G1 зависят от проводимости материала проводов и качества диэлектрика, окружающего эти провода, соответственно. Согласно закону Джоуля — Ленца, чем меньше тепловые потери в металле проводов и в диэлектрике, тем меньше погонное сопротивление металла R1 и меньше погонная проводимость диэлектрика G1. (Уменьшение активных потерь в диэлектрике означает увеличение его сопротивления, так как активные потери в диэлектрике — это токи утечки. Для модели используется обратная величина — погонная проводимость G1.)
Погонные индуктивность L1 и ёмкость C1 определяются формой и размерами поперечного сечения проводов, а также расстоянием между ними.
А и
— погонные комплексные сопротивление и проводимость линии, зависящие от частоты
.
Выделим из линии элементарный участок бесконечно малой длины dz и рассмотрим его эквивалентную схему.
Эквивалентная схема участка длинной линии
Значения параметров схемы определяются соотношениями:
| | (1) |
Используя эквивалентную схему, запишем выражения для приращений напряжения и тока:
Подставляя сюда значения параметров схемы из (1), получаем:
Из последних соотношений находим дифференциальные уравнения линии. Эти уравнения определяют связь между током и напряжением в любом сечении линии и называются телеграфными уравнениями длинной линии:
Телеграфные уравнения
| | (2) |
Следствия
Решим телеграфные уравнения относительно напряжения и тока. Для этого продифференцируем их по z:
| | (3) |
При этом учтем условие регулярности линии:
Условие регулярности линии
| | (4) |
Данные соотношения являются математическим определением регулярности длинной линии. Смысл соотношения (4) состоит в неизменности вдоль линии её погонных параметров.
Подставляя в (3) значения производных напряжения и тока из (2), после преобразований получаем:
Однородные волновые уравнения длинной линии
| (5) |
где — коэффициент распространения волны в линии.
Соотношения (5) называются однородными волновыми уравнениями длинной линии. Их решения известны и могут быть записаны в виде:
| (6) |
где AU, BU и AI, BI — коэффициенты, имеющие единицы измерения напряжения и тока соответственно, смысл которых будет ясен ниже.
Решения волновых уравнений в виде (6) имеют весьма характерный вид: первое слагаемое в этих решениях представляет собой отраженную волну напряжения или тока, распространяющуюся от нагрузки к генератору, второе слагаемое — падающую волну, распространяющуюся от генератора к нагрузке. Таким образом, коэффициенты AU, AI представляют собой комплексные амплитуды падающих волн напряжения и тока соответственно, а коэффициенты BU, BI — комплексные амплитуды отраженных волн напряжения и тока соответственно. Так как часть мощности, передаваемой по линии, может поглощаться в нагрузке, то амплитуды отраженных волн не должны превышать амплитуды падающих:
Направление распространения волн в (6) определяется знаком в показателях степени экспонент: плюс — волна распространяется в отрицательном направлении оси z; минус — в положительном направлении оси z (см. рис. 1). Так, например, для падающих волн напряжения и тока можно записать:
| (7) |
Коэффициент распространения волны в линии γ в общем случае является комплексной величиной и может быть представлен в виде:
| (8) |
где α — коэффициент затухания волны в линии; β — коэффициент фазы. Тогда соотношение (7) можно переписать в виде:
| (9) |
Так как при распространении падающей волны на длину волны в линии λЛ фаза волны изменяется на 2π, то коэффициент фазы можно связать с длиной волны λЛ соотношением
| (10) |
При этом фазовая скорость волны в линии VФ определяется через коэффициент фазы:
| (11) |
Определим коэффициенты A и B, входящие в решения (6) волновых уравнений, через значения напряжения UН и тока IН на нагрузке. Это является оправданным, так как напряжение и ток на нагрузке практически всегда можно измерить с помощью измерительных приборов. Воспользуемся первым из телеграфных уравнений (2) и подставим в него напряжение и ток из (6). Тогда получим:
Сравнив коэффициенты при экспонентах с одинаковыми показателями степеней, получим:
|
| (12) |
где — волновое сопротивление линии.
Перепишем (6) с учётом (12):
|
| (13) |
Для определения коэффициентов A и B в этих уравнениях воспользуемся условиями в начале линии z = 0:
.
Тогда из (13) при z = 0 найдем
|
| (14) |
Подставив полученные значения коэффициентов из (14) в (13), после преобразований получим:
|
| (15) |
При выводе (15) учтены определения гиперболических синуса и косинуса.
Соотношения для напряжения и тока (15) так же, как и (6), являются решениями однородных волновых уравнений. Их отличие состоит в том, что напряжение и ток в линии в соотношении (6) определены через амплитуды падающей и отраженной волн, а в (15) — через напряжение и ток на нагрузке.
Рассмотрим простейший случай, когда напряжение и ток в линии определяются только падающей волной, а отраженная волна отсутствует. Тогда в (6) следует положить BU = 0, BI = 0:
.
Распределение поля падающей волны

На рис.3. представлены эпюры изменения амплитуды |U| и фазы φU напряжения вдоль линии. Эпюры изменения амплитуды и фазы тока имеют такой же вид. Из рассмотрения эпюр следует, что при отсутствии в линии потерь (α = 0) амплитуда напряжения в любом сечении линии остается одной и той же. При наличии потерь в линии (α > 0) часть переносимой мощности преобразуется в тепло (нагревание проводов линии и окружающего их диэлектрика). По этой причине амплитуда напряжения падающей волны экспоненциально убывает в направлении распространения.
Фаза напряжения падающей волны φU = β z изменяется по линейному закону и уменьшается по мере удаления от генератора.
Рассмотрим изменение амплитуды и фазы, например, напряжения при наличии падающей и отраженной волн. Для упрощения положим, что потери в линии отсутствуют, то есть α = 0. Тогда напряжение в линии можно представить в виде:
| (16) |
где — комплексный коэффициент отражения по напряжению.
Комплексный коэффициент отражения по напряжению
Характеризует степень согласования линии передачи с нагрузкой. Модуль коэффициента отражения изменяется в пределах:
- | Г | = 0, если отражения от нагрузки отсутствуют и BU = 0;
- | Г | = 1, если волна полностью отражается от нагрузки, то есть
;
Соотношение (16) представляет собой сумму падающей и отраженной волн.

Отобразим напряжение на комплексной плоскости в виде векторной диаграммы, каждый из векторов которой определяет падающую, отраженную волны и результирующее напряжение (рис. 4). Из диаграммы видно, что существуют такие поперечные сечения линии, в которых падающая и отраженная волны складываются в фазе. Напряжение в этих сечениях достигает максимума, величина которого равна сумме амплитуд падающей и отраженной волн:
.
Кроме того, существуют такие поперечные сечения линии, в которых падающая и отраженная волны складываются в противофазе. При этом напряжение достигает минимума:
.
Если линия нагружена на сопротивление, для которого |Г| = 1, то есть амплитуда падающей и отраженной волн равны |BU| = |AU|, то в этом случае Umax = 2|AU|, а Umin = 0.
Напряжение в такой линии изменяется от нуля до удвоенной амплитуды падающей волны. На рис. 5 представлены эпюры изменения амплитуды и фазы напряжения вдоль линии при наличии отраженной волны.
Коэффициенты бегущей и стоячей волны
По эпюре напряжения судят о степени согласования линии с нагрузкой. Для этого вводятся понятия коэффициента бегущей волны — kБВ и коэффициента стоячей волны kСВ:
| | (17) |
| | (18) |
Эти коэффициенты, судя по определению, изменяются в пределах:
|
|
На практике наиболее часто используется понятие коэффициента стоячей волны, так как современные измерительные приборы (панорамные измерители kСВ) на индикаторных устройствах отображают изменение именно этой величины в определенной полосе частот.
Входное сопротивление длинной линии
Входное сопротивление линии является важной характеристикой, которое определяется в каждом сечении линии как отношение напряжения к току в этом сечении:
| | |
| | (19) |
Так как напряжение и ток в линии изменяются от сечения к сечению, то и входное сопротивление линии изменяется относительно её продольной координаты z. При этом говорят о трансформирующих свойствах линии, а саму линию рассматривают как трансформатор сопротивлений. Подробнее свойство линии трансформировать сопротивления будет рассмотрено ниже.
Режимы работы длинной линии
Различают три режима работы линии:
- режим бегущей волны;
- режим стоячей волны;
- режим смешанных волн.
Режим бегущей волны
Режим бегущей волны характеризуется наличием только падающей волны, распространяющейся от генератора к нагрузке. Отраженная волна отсутствует. Мощность, переносимая падающей волной, полностью выделяется в нагрузке. В этом режиме BU = 0, | Г | = 0, kсв = kбв = 1.
Режим стоячей волны
Режим стоячей волны характеризуется тем, что амплитуда отраженной волны равна амплитуде падающей BU = AU то есть энергия падающей волны полностью отражается от нагрузки и возвращается обратно в генератор. В этом режиме, | Г | = 1, kсв = , kбв = 0.
Режим смешанных волн
В режиме смешанных волн амплитуда отраженной волны удовлетворяет условию 0 < BU < AU то есть часть мощности падающей волны теряется в нагрузке, а остальная часть в виде отраженной волны возвращается обратно в генератор. При этом 0 < | Г | < 1, 1 < kсв < , 0 < kбв < 1
Линия без потерь
В линии без потерь погонные параметры R1 = 0 и G1 = 0. Поэтому для коэффициента распространения γ и волнового сопротивления W получим:
| (20) |
С учётом этого выражения для напряжения и тока (15) примут вид:
| | (21) |
При выводе этих соотношений учтены особенности гиперболических функций.
Рассмотрим конкретные примеры работы линии без потерь на простейшие нагрузки.
Разомкнутая линия
В этом случае ток, протекающий через нагрузку равен нулю (IН = 0), поэтому выражения для напряжения, тока и входного сопротивления в линии принимают вид:
| | (22) |
На рис.6 эти зависимости проиллюстрированы графически. Из соотношений (22) и графиков следует:
- в линии, разомкнутой на конце, устанавливается режим стоячей волны, напряжение, ток и входное сопротивление вдоль линии изменяются по периодическому закону с периодом λЛ/2;
- входное сопротивление разомкнутой линии является чисто мнимым за исключением точек с координатами z = nλЛ/4, n = 0,1,2,…;
- если длина разомкнутой линии меньше λЛ/4, то такая линия эквивалентна ёмкости;
- разомкнутая на конце линия длиной λЛ/4 эквивалентна последовательному резонансному на рассматриваемой частоте контуру и имеет нулевое входное сопротивление;
- линия, длина которой лежит в интервале от λЛ/4 до λЛ/2, эквивалентна индуктивности;
- разомкнутая на конце линия длиной λЛ/2 эквивалентна параллельному резонансному контуру на рассматриваемой частоте и имеет бесконечно большое входное сопротивление.
Замкнутая линия
В этом случае напряжение на нагрузке равно нулю (UН = 0), поэтому напряжение, ток и входное сопротивление в линии принимают вид:
| | (23) |
На рис.7 эти зависимости проиллюстрированы графически.
Используя результаты предыдущего раздела, нетрудно самостоятельно сделать выводы о трансформирующих свойствах короткозамкнутой линии. Отметим лишь, что в замкнутой линии также устанавливается режим стоячей волны. Отрезок короткозамкнутой линии, длиной меньше λЛ/4 имеет индуктивный характер входного сопротивления, а при длине λЛ/4 такая линия имеет бесконечно большое входное сопротивление на рабочей частоте.
Ёмкостная нагрузка
Как следует из анализа работы разомкнутой линии, каждой ёмкости C на данной частоте ω можно поставить в соответствие отрезок разомкнутой линии длиной меньше λЛ/4. Ёмкость C имеет ёмкостное сопротивление . Приравняем величину этого сопротивления к входному сопротивлению разомкнутой линии длиной l < λЛ/4:
.
Отсюда находим длину линии, эквивалентную по входному сопротивлению ёмкости C:
.
Зная эпюры напряжения, тока и входного сопротивления разомкнутой линии, восстанавливаем их для линии, работающей на ёмкость (рис.8). Из эпюр следует, что в линии, работающей на ёмкость, устанавливается режим стоячей волны.
При изменений ёмкости эпюры сдвигаются вдоль оси z. В частности, при увеличении ёмкости ёмкостное сопротивление уменьшается, напряжение на ёмкости падает и все эпюры сдвигаются вправо, приближаясь к эпюрам, соответствующим короткозамкнутой линии. При уменьшении ёмкости эпюры сдвигаются влево, приближаясь к эпюрам, соответствующим разомкнутой линии.
Индуктивная нагрузка
Как следует из анализа работы замкнутой линии, каждой индуктивности L на данной частоте ω можно поставить в соответствие отрезок замкнутой линии длиной меньше λЛ/4. Индуктивность L имеет индуктивное сопротивление iXЛ = iωL. Приравняем это сопротивление к входному сопротивлению замкнутой линии длиной λЛ/4:
.
Отсюда находим длину линии l, эквивалентную по входному сопротивлению индуктивности L:
.
Зная эпюры напряжения, тока и входного сопротивления замкнутой на конце линии, восстанавливаем их для линии, работающей на индуктивность (рис. 9). Из эпюр следует, что в линии, работающей на индуктивность, также устанавливается режим стоячей волны. Изменение индуктивности приводит к сдвигу эпюр вдоль оси z. Причем с увеличением L эпюры сдвигаются вправо, приближаясь к эпюрам холостого хода, а с уменьшением L — влево по оси z, стремясь к эпюрам короткого замыкания.
Активная нагрузка
В этом случае ток и напряжение на нагрузке RН связаны соотношением UН = IНRН. Выражения для напряжения и тока в линии (21) принимают вид:
| | (23) |
Рассмотрим работу такой линии на примере анализа напряжения. Найдем из (23) амплитуду напряжения в линии:
| | (24) |
Отсюда следует, что можно выделить три случая:
- Сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии RН = W ;
- Сопротивление нагрузки больше волнового сопротивления линии RН > W;
- Сопротивление нагрузки меньше волнового сопротивления линии RН < W.
В первом случае из (24) следует |U| = UН, то есть распределение амплитуды напряжения вдоль линии остается постоянным, равным амплитуде напряжения на нагрузке. Это соответствует режиму бегущей волны в линии.
Комплексная нагрузка
См. также
- Измерительная линия
- Металлический изолятор
- Диаграмма Вольперта — Смита
Примечания
- ГОСТ 18238-72. Линии передачи сверхвысоких частот. Термины и определения.
- Коэффициент затухания α определяет скорость уменьшения амплитуды волны при распространении вдоль линии.
- Коэффициент фазы β определяет скорость изменения фазы волны вдоль линии.
- Волновым сопротивлением линии передачи называется отношение напряжения к току в бегущей волне.
- Гиперболические функции
- Такая линия называется полностью согласованной.
- Не реализуемо на практике. Является лишь математической абстракцией Возможно лишь приближение в той, или иной степени.
-
,
- Это свойство короткозамкнутого четвертьволнового отрезка линии позволяет использовать его в практических устройствах как «металлический изолятор».
- Закон Ома
В статье не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). |
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Длинные линии, Что такое Длинные линии? Что означает Длинные линии?
Dlinnaya liniya model linii peredachi prodolnyj razmer dlina kotoroj prevyshaet dlinu volny rasprostranyayushejsya v nej libo sravnima s dlinoj volny a poperechnye razmery naprimer rasstoyanie mezhdu provodnikami obrazuyushimi liniyu znachitelno menshe dliny volny S tochki zreniya teorii elektricheskih cepej dlinnaya liniya otnositsya k chetyryohpolyusnikam Harakternoj osobennostyu dlinnoj linii yavlyaetsya proyavlenie interferencii dvuh voln rasprostranyayushihsya navstrechu drug drugu Odna iz etih voln sozdaetsya podklyuchennym ko vhodu linii generatorom elektromagnitnyh kolebanij i nazyvaetsya padayushej Drugaya volna nazyvaetsya otrazhyonnoj i voznikaet iz za chastichnogo otrazheniya padayushej volny ot nagruzki podklyuchennoj k vyhodu protivopolozhnomu generatoru koncu linii Vsyo raznoobrazie kolebatelnyh i volnovyh processov proishodyashih v dlinnoj linii opredelyaetsya sootnosheniyami amplitud i faz padayushej i otrazhennoj voln Analiz processov uproshaetsya esli dlinnaya liniya yavlyaetsya regulyarnoj to est takoj u kotoroj v prodolnom napravlenii neizmenny poperechnoe sechenie i elektromagnitnye svojstva er mr s zapolnyayushih sred Differencialnye uravneniya dlinnoj liniiDvuhprovodnaya dlinnaya liniya ZN RN iXN kompleksnoe soprotivlenie nagruzki z prodolnaya koordinata linii otschityvaemaya ot mesta podklyucheniya nagruzki Osnovnaya statya Telegrafnye uravneniya Pervichnye parametry Iz elektrodinamiki izvestno chto liniya peredachi mozhet byt oharakterizovana eyo pogonnymi parametrami R1 pogonnoe soprotivlenie metalla provodov Om m G1 parazitnaya parallelnaya istochnik termina pogonnaya prodolnaya additivnaya provodimost dielektrika linii 1 Om m ili Sm m pogonnaya vdol linii ortogonalno tokam utechki cherez dielektrik v protivoves g Cm m provodimosti pogonnoj privedyonnoj k edinice dliny parazitnogo toka tekushego cherez dielektrik linii poperechno pogonnoj provodimosti izolyatora linii L1 pogonnaya induktivnost Gn m C1 pogonnaya yomkost F m Z1 R1 iwL1 displaystyle Z 1 R 1 i omega L 1 Y1 G1 iwC1 displaystyle Y 1 G 1 i omega C 1 Pogonnye soprotivlenie i provodimost G1 zavisyat ot provodimosti materiala provodov i kachestva dielektrika okruzhayushego eti provoda sootvetstvenno Soglasno zakonu Dzhoulya Lenca chem menshe teplovye poteri v metalle provodov i v dielektrike tem menshe pogonnoe soprotivlenie metalla R1 i menshe pogonnaya provodimost dielektrika G1 Umenshenie aktivnyh poter v dielektrike oznachaet uvelichenie ego soprotivleniya tak kak aktivnye poteri v dielektrike eto toki utechki Dlya modeli ispolzuetsya obratnaya velichina pogonnaya provodimost G1 Pogonnye induktivnost L1 i yomkost C1 opredelyayutsya formoj i razmerami poperechnogo secheniya provodov a takzhe rasstoyaniem mezhdu nimi A Z1 displaystyle Z 1 i Y1 displaystyle Y 1 pogonnye kompleksnye soprotivlenie i provodimost linii zavisyashie ot chastoty w displaystyle omega Vydelim iz linii elementarnyj uchastok beskonechno maloj dliny dz i rassmotrim ego ekvivalentnuyu shemu Ekvivalentnaya shema uchastka dlinnoj linii Ekvivalentnaya shema uchastka dlinnoj linii Strelkami oboznacheny napravleniya otscheta napryazheniya U i toka I v linii dU i dI prirasheniya napryazheniya i toka v linii na elemente dliny dz Znacheniya parametrov shemy opredelyayutsya sootnosheniyami dR R1dz dG G1dz dL L1dz dC C1dz displaystyle begin cases dR R 1 dz dG G 1 dz dL L 1 dz dC C 1 dz end cases 1 Ispolzuya ekvivalentnuyu shemu zapishem vyrazheniya dlya prirashenij napryazheniya i toka dU I dR iwdL dI U dG iwdC displaystyle begin cases dU I dR i omega dL dI U dG i omega dC end cases Podstavlyaya syuda znacheniya parametrov shemy iz 1 poluchaem dU IZ1dzdI UY1dz displaystyle begin cases dU IZ 1 dz dI UY 1 dz end cases Iz poslednih sootnoshenij nahodim differencialnye uravneniya linii Eti uravneniya opredelyayut svyaz mezhdu tokom i napryazheniem v lyubom sechenii linii i nazyvayutsya telegrafnymi uravneniyami dlinnoj linii Telegrafnye uravneniya dUdz IZ1dIdz UY1 displaystyle begin cases frac dU dz IZ 1 frac dI dz UY 1 end cases 2 Sledstviya Reshim telegrafnye uravneniya otnositelno napryazheniya i toka Dlya etogo prodifferenciruem ih po z d2Udz2 dIdzZ1d2Idz2 dUdzY1 displaystyle begin cases frac d 2 U dz 2 frac dI dz Z 1 frac d 2 I dz 2 frac dU dz Y 1 end cases 3 Pri etom uchtem uslovie regulyarnosti linii Uslovie regulyarnosti linii dZ1dz 0dY1dz 0 displaystyle begin cases frac dZ 1 dz 0 frac dY 1 dz 0 end cases 4 Dannye sootnosheniya yavlyayutsya matematicheskim opredeleniem regulyarnosti dlinnoj linii Smysl sootnosheniya 4 sostoit v neizmennosti vdol linii eyo pogonnyh parametrov Podstavlyaya v 3 znacheniya proizvodnyh napryazheniya i toka iz 2 posle preobrazovanij poluchaem Odnorodnye volnovye uravneniya dlinnoj linii d2Udz2 g2U 0d2Idz2 g2I 0 displaystyle begin cases frac d 2 U dz 2 gamma 2 U 0 frac d 2 I dz 2 gamma 2 I 0 end cases 5 gde g Z1Y1 displaystyle gamma sqrt Z 1 Y 1 koefficient rasprostraneniya volny v linii Sootnosheniya 5 nazyvayutsya odnorodnymi volnovymi uravneniyami dlinnoj linii Ih resheniya izvestny i mogut byt zapisany v vide U BUegz AUe gzI BIegz AIe gz displaystyle begin cases U B U e gamma z A U e gamma z I B I e gamma z A I e gamma z end cases 6 gde AU BU i AI BI koefficienty imeyushie edinicy izmereniya napryazheniya i toka sootvetstvenno smysl kotoryh budet yasen nizhe Resheniya volnovyh uravnenij v vide 6 imeyut vesma harakternyj vid pervoe slagaemoe v etih resheniyah predstavlyaet soboj otrazhennuyu volnu napryazheniya ili toka rasprostranyayushuyusya ot nagruzki k generatoru vtoroe slagaemoe padayushuyu volnu rasprostranyayushuyusya ot generatora k nagruzke Takim obrazom koefficienty AU AI predstavlyayut soboj kompleksnye amplitudy padayushih voln napryazheniya i toka sootvetstvenno a koefficienty BU BI kompleksnye amplitudy otrazhennyh voln napryazheniya i toka sootvetstvenno Tak kak chast moshnosti peredavaemoj po linii mozhet pogloshatsya v nagruzke to amplitudy otrazhennyh voln ne dolzhny prevyshat amplitudy padayushih BU AU displaystyle B U leqslant A U BI AI displaystyle B I leqslant A I Napravlenie rasprostraneniya voln v 6 opredelyaetsya znakom v pokazatelyah stepeni eksponent plyus volna rasprostranyaetsya v otricatelnom napravlenii osi z minus v polozhitelnom napravlenii osi z sm ris 1 Tak naprimer dlya padayushih voln napryazheniya i toka mozhno zapisat UP AUe gzIP AIe gz displaystyle begin cases U Pi A U e gamma z I Pi A I e gamma z end cases 7 Koefficient rasprostraneniya volny v linii g v obshem sluchae yavlyaetsya kompleksnoj velichinoj i mozhet byt predstavlen v vide g Z1Y1 R1 iwL1 G1 iwC1 a ib displaystyle gamma sqrt Z 1 Y 1 sqrt R 1 i omega L 1 G 1 i omega C 1 alpha i beta 8 gde a koefficient zatuhaniya volny v linii b koefficient fazy Togda sootnoshenie 7 mozhno perepisat v vide UP AUe aze ibzIP AIe aze ibz displaystyle begin cases U Pi A U e alpha z e i beta z I Pi A I e alpha z e i beta z end cases 9 Tak kak pri rasprostranenii padayushej volny na dlinu volny v linii lL faza volny izmenyaetsya na 2p to koefficient fazy mozhno svyazat s dlinoj volny lL sootnosheniem b 2plL displaystyle beta frac 2 pi lambda Lambda 10 Pri etom fazovaya skorost volny v linii VF opredelyaetsya cherez koefficient fazy VF wb displaystyle V Phi frac omega beta 11 Opredelim koefficienty A i B vhodyashie v resheniya 6 volnovyh uravnenij cherez znacheniya napryazheniya UN i toka IN na nagruzke Eto yavlyaetsya opravdannym tak kak napryazhenie i tok na nagruzke prakticheski vsegda mozhno izmerit s pomoshyu izmeritelnyh priborov Vospolzuemsya pervym iz telegrafnyh uravnenij 2 i podstavim v nego napryazhenie i tok iz 6 Togda poluchim AUge gz BUgegz Z1 AIe gz BIegz displaystyle A U gamma e gamma z B U gamma e gamma z Z 1 A I e gamma z B I e gamma z Sravniv koefficienty pri eksponentah s odinakovymi pokazatelyami stepenej poluchim AI AUWBI BUW displaystyle begin cases A I frac A U W B I frac B U W end cases 12 gde W Z1Y1 displaystyle W sqrt frac Z 1 Y 1 volnovoe soprotivlenie linii Perepishem 6 s uchyotom 12 U AUe gz BUegzI AUe gz BUegzW displaystyle begin cases U A U e gamma z B U e gamma z I frac A U e gamma z B U e gamma z W end cases 13 Dlya opredeleniya koefficientov A i B v etih uravneniyah vospolzuemsya usloviyami v nachale linii z 0 U z 0 UHI z 0 IH displaystyle begin cases U z 0 U H I z 0 I H end cases Togda iz 13 pri z 0 najdem AU 12 UH IHW BU 12 UH IHW displaystyle begin cases A U tfrac 1 2 U H I H W B U tfrac 1 2 U H I H W end cases 14 Podstaviv poluchennye znacheniya koefficientov iz 14 v 13 posle preobrazovanij poluchim U UHch gz IHWsh gz I IHch gz UHWsh gz displaystyle begin cases U U H operatorname ch gamma z I H W operatorname sh gamma z I I H operatorname ch gamma z frac U H W operatorname sh gamma z end cases 15 Pri vyvode 15 uchteny opredeleniya giperbolicheskih sinusa i kosinusa Sootnosheniya dlya napryazheniya i toka 15 tak zhe kak i 6 yavlyayutsya resheniyami odnorodnyh volnovyh uravnenij Ih otlichie sostoit v tom chto napryazhenie i tok v linii v sootnoshenii 6 opredeleny cherez amplitudy padayushej i otrazhennoj voln a v 15 cherez napryazhenie i tok na nagruzke Rassmotrim prostejshij sluchaj kogda napryazhenie i tok v linii opredelyayutsya tolko padayushej volnoj a otrazhennaya volna otsutstvuet Togda v 6 sleduet polozhit BU 0 BI 0 U AUe aze ibzI AIe aze ibz displaystyle begin cases U A U e alpha z e i beta z I A I e alpha z e i beta z end cases Raspredelenie polya padayushej volny Ris 3 Epyury napryazhenij padayushej volny v dlinnoj linii a amplituda b faza Na ris 3 predstavleny epyury izmeneniya amplitudy U i fazy fU napryazheniya vdol linii Epyury izmeneniya amplitudy i fazy toka imeyut takoj zhe vid Iz rassmotreniya epyur sleduet chto pri otsutstvii v linii poter a 0 amplituda napryazheniya v lyubom sechenii linii ostaetsya odnoj i toj zhe Pri nalichii poter v linii a gt 0 chast perenosimoj moshnosti preobrazuetsya v teplo nagrevanie provodov linii i okruzhayushego ih dielektrika Po etoj prichine amplituda napryazheniya padayushej volny eksponencialno ubyvaet v napravlenii rasprostraneniya Faza napryazheniya padayushej volny fU b z izmenyaetsya po linejnomu zakonu i umenshaetsya po mere udaleniya ot generatora Rassmotrim izmenenie amplitudy i fazy naprimer napryazheniya pri nalichii padayushej i otrazhennoj voln Dlya uprosheniya polozhim chto poteri v linii otsutstvuyut to est a 0 Togda napryazhenie v linii mozhno predstavit v vide U AUe ibz BUeibz AU e ibz Geibz displaystyle U A U e i beta z B U e i beta z A U e i beta z Gamma e i beta z 16 gde G BU AU displaystyle Gamma B U A U kompleksnyj koefficient otrazheniya po napryazheniyu Kompleksnyj koefficient otrazheniya po napryazheniyuHarakterizuet stepen soglasovaniya linii peredachi s nagruzkoj Modul koefficienta otrazheniya izmenyaetsya v predelah 0 G 1 displaystyle 0 leqslant Gamma leqslant 1 G 0 esli otrazheniya ot nagruzki otsutstvuyut i BU 0 G 1 esli volna polnostyu otrazhaetsya ot nagruzki to est AU BU displaystyle A U B U Sootnoshenie 16 predstavlyaet soboj summu padayushej i otrazhennoj voln Ris 4 Vektornaya diagramma napryazhenij v linii s otrazhennoj volnoj Otobrazim napryazhenie na kompleksnoj ploskosti v vide vektornoj diagrammy kazhdyj iz vektorov kotoroj opredelyaet padayushuyu otrazhennuyu volny i rezultiruyushee napryazhenie ris 4 Iz diagrammy vidno chto sushestvuyut takie poperechnye secheniya linii v kotoryh padayushaya i otrazhennaya volny skladyvayutsya v faze Napryazhenie v etih secheniyah dostigaet maksimuma velichina kotorogo ravna summe amplitud padayushej i otrazhennoj voln Umax AU BU displaystyle U max A U B U Krome togo sushestvuyut takie poperechnye secheniya linii v kotoryh padayushaya i otrazhennaya volny skladyvayutsya v protivofaze Pri etom napryazhenie dostigaet minimuma Umin AU BU displaystyle U min A U B U Esli liniya nagruzhena na soprotivlenie dlya kotorogo G 1 to est amplituda padayushej i otrazhennoj voln ravny BU AU to v etom sluchae Umax 2 AU a Umin 0 Ris 5 Epyury raspredeleniya napryazheniya vdol linii s otrazhyonnoj volnoj a Modul napryazheniya b faza napryazheniya Napryazhenie v takoj linii izmenyaetsya ot nulya do udvoennoj amplitudy padayushej volny Na ris 5 predstavleny epyury izmeneniya amplitudy i fazy napryazheniya vdol linii pri nalichii otrazhennoj volny Koefficienty begushej i stoyachej volnyPo epyure napryazheniya sudyat o stepeni soglasovaniya linii s nagruzkoj Dlya etogo vvodyatsya ponyatiya koefficienta begushej volny kBV i koefficienta stoyachej volny kSV kbv UminUmax AU BU AU BU 1 G 1 G displaystyle k bv frac U min U max frac A U B U A U B U frac 1 Gamma 1 Gamma 17 ksv 1kbv displaystyle k sv frac 1 k bv 18 Eti koefficienty sudya po opredeleniyu izmenyayutsya v predelah 0 kbv 1 displaystyle 0 leqslant k bv leqslant 1 1 ksv displaystyle 1 leqslant k sv leqslant infty Na praktike naibolee chasto ispolzuetsya ponyatie koefficienta stoyachej volny tak kak sovremennye izmeritelnye pribory panoramnye izmeriteli kSV na indikatornyh ustrojstvah otobrazhayut izmenenie imenno etoj velichiny v opredelennoj polose chastot Vhodnoe soprotivlenie dlinnoj liniiVhodnoe soprotivlenie linii yavlyaetsya vazhnoj harakteristikoj kotoroe opredelyaetsya v kazhdom sechenii linii kak otnoshenie napryazheniya k toku v etom sechenii ZBX RBX iXBX displaystyle Z BX R BX iX BX ZBX z U z I z displaystyle Z BX z frac U z I z 19 Tak kak napryazhenie i tok v linii izmenyayutsya ot secheniya k secheniyu to i vhodnoe soprotivlenie linii izmenyaetsya otnositelno eyo prodolnoj koordinaty z Pri etom govoryat o transformiruyushih svojstvah linii a samu liniyu rassmatrivayut kak transformator soprotivlenij Podrobnee svojstvo linii transformirovat soprotivleniya budet rassmotreno nizhe Rezhimy raboty dlinnoj liniiRazlichayut tri rezhima raboty linii rezhim begushej volny rezhim stoyachej volny rezhim smeshannyh voln Rezhim begushej volny Rezhim begushej volny harakterizuetsya nalichiem tolko padayushej volny rasprostranyayushejsya ot generatora k nagruzke Otrazhennaya volna otsutstvuet Moshnost perenosimaya padayushej volnoj polnostyu vydelyaetsya v nagruzke V etom rezhime BU 0 G 0 ksv kbv 1 Rezhim stoyachej volny Rezhim stoyachej volny harakterizuetsya tem chto amplituda otrazhennoj volny ravna amplitude padayushej BU AU to est energiya padayushej volny polnostyu otrazhaetsya ot nagruzki i vozvrashaetsya obratno v generator V etom rezhime G 1 ksv displaystyle infty kbv 0 Rezhim smeshannyh voln V rezhime smeshannyh voln amplituda otrazhennoj volny udovletvoryaet usloviyu 0 lt BU lt AU to est chast moshnosti padayushej volny teryaetsya v nagruzke a ostalnaya chast v vide otrazhennoj volny vozvrashaetsya obratno v generator Pri etom 0 lt G lt 1 1 lt ksv lt displaystyle infty 0 lt kbv lt 1Liniya bez poterV linii bez poter pogonnye parametry R1 0 i G1 0 Poetomu dlya koefficienta rasprostraneniya g i volnovogo soprotivleniya W poluchim g Z1Y1 R1 iwL1 G1 iwC1 iwL1C1 displaystyle gamma sqrt Z 1 Y 1 sqrt R 1 i omega L 1 G 1 i omega C 1 i omega sqrt L 1 C 1 a 0 b wL1C1 W Z1Y1 L1C1 displaystyle alpha 0 beta omega sqrt L 1 C 1 W sqrt frac Z 1 Y 1 sqrt frac L 1 C 1 20 S uchyotom etogo vyrazheniya dlya napryazheniya i toka 15 primut vid U UHcos bz iIHWsin bz I IHcos bz iUHWsin bz displaystyle begin matrix U U H cos beta z amp amp iI H W sin beta z I I H cos beta z amp amp i tfrac U H W sin beta z end matrix 21 Pri vyvode etih sootnoshenij uchteny osobennosti giperbolicheskih funkcij Rassmotrim konkretnye primery raboty linii bez poter na prostejshie nagruzki Razomknutaya liniya Ris 6 Epyury napryazheniya toka i vhodnogo soprotivleniya v otkrytoj razomknutoj linii V etom sluchae tok protekayushij cherez nagruzku raven nulyu IN 0 poetomu vyrazheniya dlya napryazheniya toka i vhodnogo soprotivleniya v linii prinimayut vid U UHcos bz I iUHWsin bz displaystyle U U H cos beta z quad I i frac U H W sin beta z ZBX UI iWctg bz iXBX displaystyle Z BX frac U I iW operatorname ctg beta z iX BX b 2pl displaystyle beta frac 2 pi lambda 22 Na ris 6 eti zavisimosti proillyustrirovany graficheski Iz sootnoshenij 22 i grafikov sleduet v linii razomknutoj na konce ustanavlivaetsya rezhim stoyachej volny napryazhenie tok i vhodnoe soprotivlenie vdol linii izmenyayutsya po periodicheskomu zakonu s periodom lL 2 vhodnoe soprotivlenie razomknutoj linii yavlyaetsya chisto mnimym za isklyucheniem tochek s koordinatami z nlL 4 n 0 1 2 esli dlina razomknutoj linii menshe lL 4 to takaya liniya ekvivalentna yomkosti razomknutaya na konce liniya dlinoj lL 4 ekvivalentna posledovatelnomu rezonansnomu na rassmatrivaemoj chastote konturu i imeet nulevoe vhodnoe soprotivlenie liniya dlina kotoroj lezhit v intervale ot lL 4 do lL 2 ekvivalentna induktivnosti razomknutaya na konce liniya dlinoj lL 2 ekvivalentna parallelnomu rezonansnomu konturu na rassmatrivaemoj chastote i imeet beskonechno bolshoe vhodnoe soprotivlenie Zamknutaya liniya Ris 7 Epyury napryazhenij toka i vhodnogo soprotivleniya v korotkozamknutoj linii V etom sluchae napryazhenie na nagruzke ravno nulyu UN 0 poetomu napryazhenie tok i vhodnoe soprotivlenie v linii prinimayut vid U iIHWsin bz I IHcos bz displaystyle U iI H W sin beta z quad I I H cos beta z ZBX UI iWtg bz iXBX displaystyle Z BX frac U I iW operatorname tg beta z iX BX 23 Na ris 7 eti zavisimosti proillyustrirovany graficheski Ispolzuya rezultaty predydushego razdela netrudno samostoyatelno sdelat vyvody o transformiruyushih svojstvah korotkozamknutoj linii Otmetim lish chto v zamknutoj linii takzhe ustanavlivaetsya rezhim stoyachej volny Otrezok korotkozamknutoj linii dlinoj menshe lL 4 imeet induktivnyj harakter vhodnogo soprotivleniya a pri dline lL 4 takaya liniya imeet beskonechno bolshoe vhodnoe soprotivlenie na rabochej chastote Yomkostnaya nagruzka Ris 8 Epyury napryazheniya toka i vhodnogo soprotivleniya v linii nagruzhennoj na yomkost Kak sleduet iz analiza raboty razomknutoj linii kazhdoj yomkosti C na dannoj chastote w mozhno postavit v sootvetstvie otrezok razomknutoj linii dlinoj menshe lL 4 Yomkost C imeet yomkostnoe soprotivlenie iXC iwC displaystyle iX C tfrac i omega C Priravnyaem velichinu etogo soprotivleniya k vhodnomu soprotivleniyu razomknutoj linii dlinoj l lt lL 4 iwC iWctg bl displaystyle tfrac i omega C iW operatorname ctg beta l Otsyuda nahodim dlinu linii ekvivalentnuyu po vhodnomu soprotivleniyu yomkosti C l 1barctg wCW displaystyle l tfrac 1 beta operatorname arctg omega CW Znaya epyury napryazheniya toka i vhodnogo soprotivleniya razomknutoj linii vosstanavlivaem ih dlya linii rabotayushej na yomkost ris 8 Iz epyur sleduet chto v linii rabotayushej na yomkost ustanavlivaetsya rezhim stoyachej volny Pri izmenenij yomkosti epyury sdvigayutsya vdol osi z V chastnosti pri uvelichenii yomkosti yomkostnoe soprotivlenie umenshaetsya napryazhenie na yomkosti padaet i vse epyury sdvigayutsya vpravo priblizhayas k epyuram sootvetstvuyushim korotkozamknutoj linii Pri umenshenii yomkosti epyury sdvigayutsya vlevo priblizhayas k epyuram sootvetstvuyushim razomknutoj linii Induktivnaya nagruzka Ris 9 Epyury napryazheniya toka i vhodnogo soprotivleniya v linii rabotayushej na induktivnost Kak sleduet iz analiza raboty zamknutoj linii kazhdoj induktivnosti L na dannoj chastote w mozhno postavit v sootvetstvie otrezok zamknutoj linii dlinoj menshe lL 4 Induktivnost L imeet induktivnoe soprotivlenie iXL iwL Priravnyaem eto soprotivlenie k vhodnomu soprotivleniyu zamknutoj linii dlinoj lL 4 iwL iWtg bl displaystyle i omega L iW operatorname tg beta l Otsyuda nahodim dlinu linii l ekvivalentnuyu po vhodnomu soprotivleniyu induktivnosti L l 1barctg wLW displaystyle l tfrac 1 beta operatorname arctg omega tfrac L W Znaya epyury napryazheniya toka i vhodnogo soprotivleniya zamknutoj na konce linii vosstanavlivaem ih dlya linii rabotayushej na induktivnost ris 9 Iz epyur sleduet chto v linii rabotayushej na induktivnost takzhe ustanavlivaetsya rezhim stoyachej volny Izmenenie induktivnosti privodit k sdvigu epyur vdol osi z Prichem s uvelicheniem L epyury sdvigayutsya vpravo priblizhayas k epyuram holostogo hoda a s umensheniem L vlevo po osi z stremyas k epyuram korotkogo zamykaniya Aktivnaya nagruzka V etom sluchae tok i napryazhenie na nagruzke RN svyazany sootnosheniem UN INRN Vyrazheniya dlya napryazheniya i toka v linii 21 prinimayut vid U UHcos bz iUHWRHsin bz displaystyle U U H cos beta z iU H tfrac W R H sin beta z I IHcos bz iIHRHWsin bz displaystyle I I H cos beta z iI H tfrac R H W sin beta z 23 Rassmotrim rabotu takoj linii na primere analiza napryazheniya Najdem iz 23 amplitudu napryazheniya v linii U UHcos2 bz WRH 2sin2 bz displaystyle U U H sqrt cos 2 beta z left tfrac W R H right 2 sin 2 beta z 24 Otsyuda sleduet chto mozhno vydelit tri sluchaya Soprotivlenie nagruzki ravno volnovomu soprotivleniyu linii RN W Soprotivlenie nagruzki bolshe volnovogo soprotivleniya linii RN gt W Soprotivlenie nagruzki menshe volnovogo soprotivleniya linii RN lt W V pervom sluchae iz 24 sleduet U UN to est raspredelenie amplitudy napryazheniya vdol linii ostaetsya postoyannym ravnym amplitude napryazheniya na nagruzke Eto sootvetstvuet rezhimu begushej volny v linii Kompleksnaya nagruzkaSm takzheIzmeritelnaya liniya Metallicheskij izolyator Diagramma Volperta SmitaPrimechaniyaGOST 18238 72 Linii peredachi sverhvysokih chastot Terminy i opredeleniya Koefficient zatuhaniya a opredelyaet skorost umensheniya amplitudy volny pri rasprostranenii vdol linii Koefficient fazy b opredelyaet skorost izmeneniya fazy volny vdol linii Volnovym soprotivleniem linii peredachi nazyvaetsya otnoshenie napryazheniya k toku v begushej volne Giperbolicheskie funkcii Takaya liniya nazyvaetsya polnostyu soglasovannoj Ne realizuemo na praktike Yavlyaetsya lish matematicheskoj abstrakciej Vozmozhno lish priblizhenie v toj ili inoj stepeni ch ibz cos bz displaystyle operatorname ch i beta z cos beta z sh ibz sin bz displaystyle operatorname sh i beta z sin beta z Eto svojstvo korotkozamknutogo chetvertvolnovogo otrezka linii pozvolyaet ispolzovat ego v prakticheskih ustrojstvah kak metallicheskij izolyator Zakon Oma V state ne hvataet ssylok na istochniki sm rekomendacii po poisku Informaciya dolzhna byt proveryaema inache ona mozhet byt udalena Vy mozhete otredaktirovat statyu dobaviv ssylki na avtoritetnye istochniki v vide snosok 21 iyunya 2018
