传输线模型

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传输线是一种能构成从一处到另一处的全部或者部分路径并用于能量传输导向的材料媒质或者结构,例如电磁波或者声学,以及电能传输。 传输线的组成包括电线同轴电缆介电板、光纤、电线、以及波导.

历史[编辑]

电传输线行为的数学分析源于麦克斯韦开尔文男爵赫维赛德的工作。1855年开尔文男爵建立了一个关于海底电缆电流的微分模型。这个模型正确的预测了1858年穿越大西洋海底通信电缆的非良好性能。在1885年赫维赛德发表了第一篇关于描述他的电缆传播分析和现代通信模式方程的论文。[1] .

传输线与电线[编辑]

在许多电子线路中,连接各器件的电线的长度是基本可以被忽略的。也就是说在电线各点同一时刻的电压可以认为是相同的。但是,当电压的变化和信号沿电线传播下去的时间可以比拟时,电线的长度变得重要了,这時电线就必须被处理成传输线。换言之,当信号所包含的频率分量的相应的波长较之电线长度小或二者可以比拟的时候,电线的长度是很重要的。

常见的经验方法认为如果电缆或者电线的长度大于波长的1/10,则需被作为传输线处理。 在这个长度下相位延迟和线中的反射干扰非常显著,那么没有用传输线理论仔细的研究设计过的系统就会出现一些不可预知行为。

四终端模型[编辑]

传输线在电路图上的各种表示记号

为了分析的需要,传输线可以用一个含有两个端口的电网(四终端电网)进行建模,如下图所示:

Transmissionline4port.png

在最简单的情况,假设网络是线性的(即任何端口之间的复电压在没有反射的情况下正比于复电流),且两个端口可以互换。如果传输线在长度范围内是均匀的,那么其特性可以只用一个参数描述:阻抗, 符号是Z0。 阻抗是某一电波的复电压和复电流在线上任何一点的比例。常見电缆阻抗Z0的典型數值:一般同軸電纜有50與75欧姆兩種, 網路線中的扭絞二股线是100欧姆,FM或電視天線用的平行二股线是300欧姆。

当在传输线上发送功率时, 最好的情况是尽可能多的功率被载端吸收,尽可能少的功率被反射回发送端。如果能够使载阻抗等于阻抗,也就是传输线匹配,那么这一点可以被保证。 如果源阻抗与阻抗匹配,那么尽可能多的功率会被从源端发送到传输线上, 但这对于传输线的性能没有任何影响。

由于电阻的存在,一些被发送到传输线上的功率被损耗,这种现象叫做电阻损耗。在高频处,其他的一些影响,电介质损耗变得非常明显,增加了电阻引起的损耗。电介质损耗是由于在传输线内的绝缘材料从电域吸收能量转化为热能引起的。

传输线的总功率损耗的单位是分贝/米(dB/m),损耗值取决于信号频率。生产厂家经常附带在一定频率范围内损耗值(dB/m)的说明。3dB对应于大约损失一半的功率。

高频传输线被定义为携带波长小于或可比与传输线长度的电磁波。在这种情况下,在低频下的估值方法不再试用。常见的例子有无线电,微波,光信号,和传输给数字电路的信号。

电报员方程[编辑]

表示传输线基本组成部分的电路图:R是电阻,L是电感,C是电容,G是电导

电报员方程电报方程)是一组线性差分方程描述传输线上电压交电流和距离时间的关系。赫维赛德提出这个方程并创建了传输线模型。这组方程是基于麦克斯韦方程组

传输线模型将传输线表示为一个无限长序列的二端口元件,每个都代表传输线的无限短的一段:

传输线的输入阻抗[编辑]

电传输线的实际类型[编辑]

同轴电缆[编辑]

微波传输带[编辑]

微波传输带电路使用的是一个平行地面的平薄导体

微波带状线[编辑]

微波带状线电路使用的是一条夹于两个平行地面之间的金属平带,基底的绝缘材料构成了电介体。带宽、基底厚度和基底的相对介电常数决定了传输线带的阻抗特性。

平衡传输线[编辑]

勒谢尔线[编辑]

勒谢尔线是一类能够用于共振生成电路分米波(UHF)的平行导体。它们被用在工作于短波(HF)/超短波(VHF)之间的lumped组件, and 分米波(UHF)/厘米波(SHF).

参考书目[编辑]

  1. ^ Ernst Weber and Frederik Nebeker, The Evolution of Electrical Engineering, IEEE Press, Piscataway, New Jersey USA, 1994 ISBN 0-7803-1066-7
  • Steinmetz, Charles Proteus, "The Natural Period of a Transmission Line and the Frequency of lightning Discharge Therefrom". The Electrical world. August 27 1898. Pg. 203 - 205.
  • Electromagnetism 2nd ed., Grant, I.S., and Phillips, W.R., pub John Wiley, ISBN 0-471-92712-0
  • Fundamentals Of Applied Electromagnetics 2004 media edition., Ulaby, F.T., pub Prentice Hall, ISBN 0-13-185089-X
  • Radiocommunication handbook, page 20, chaper 17, RSGB, ISBN 0-900612-58-4
  • Naredo, J.L., A.C. Soudack, and J.R. Marti, Simulation of transients on transmission lines with corona via the method of characteristics. Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings. Vol. 142.1, Inst. de Investigaciones Electr., Morelos, Jan 1995. ISSN 1350-2360ISSN 1350-2360

外部文章及更多读物[编辑]