传输线模型

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电波在无损耗传输线内流动原理图。红色代表高电压,蓝色代表低电压。黑色圆点代表电子。传输线接于阻抗匹配的负载电阻(右边的盒子)上,波形完全被吸收。
一种最常见的传输线——同轴电缆

通信工程电子工程中,传输线是一种特殊的电缆或者其他结构,被设计用于承载电波中变化的电流,也就是说,电流的频率高到一定程度时它们的本质必须进行考虑。传输线一般用于连接发送器接收器天线,传输有线电视信号,中继电信交换中心之间的路由呼叫,中继计算机网络链接以及中继高速计算机总线

在此仅讨论双导体传输线,包含平行线(梯线)、同轴电缆带状线微带线。一些人认为波导管介质波导甚至光纤也是传输线,然而这些线需要不同的分析技术,所以不在此进行讨论;可参见电磁波导

概述[编辑]

普通电缆足以携带低频交流电(例如家庭用电,每秒钟变换100~120次方向)和声音信号。然而,普通电缆不能用于承载电波频率范围的电流或更高频率的电流[1] ,这种频率的电流每秒钟变更百万次方向,能量易于从电缆中以电磁波的形式辐射出来,从而造成能量损耗。高频电流也容易在电缆的连接处(如连接器和节点)反射回电源。[1][2] 这些反射作为瓶颈,阻止了信号功率到达目的地。传输线使用了特殊的结构和阻抗匹配的方法,承载电磁信号以最小的反射和最小的功率损耗到达接收端。大多数传输线的显着特点是它们具有沿其长度方向均匀的横截面尺寸,使得传输线有着一致的阻抗,被称为特性阻抗[2][3][4] 从而防止了反射的发生。传输线有多种形态,例如平行线(梯线双绞线)、同轴电缆带状线以及微带线[5][6] 电磁波的频率与波长成反比。当线缆的长度与传输信号的波长相当时,就必须要使用传输线了。

传输微波频率信号时,传输线的功率损失也会比较明显,这时应当使用波导管替代传输线[1] ,波导管的功能是作为限制和引导电磁波的“管道”。[6] 一些人将波导管视为一种传输线;[6] 然而,这里认为波导管和传输线是不同的。在更高的频率上,例如太赫兹红外线的范围,波导管也将对信号造成损失,这时需要使用光学方法(如棱镜和镜子)来引导电磁波。[6]

声波传播的数学理论与电磁波的传播数学理论是非常相似的,因此传输线的理论也被用来指导声波的传播;叫做声学传输线

历史[编辑]

电传输线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。[7]

适用范围[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]

传输线在电路图中各种电路符号

为了分析的需要,传输线可以用二端口网络(四端网络)进行建模,如下图所:

Transmission line 4 port.svg

在最简单的情况,假设网络是线性的(即任何端口之间的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:特性阻抗, 符号是 Z0 。 特性阻抗是某一给定电波在传输线上任意一点复电压与复电流的比值。常見电缆阻抗Z0的典型數值:同軸電纜 - 50或75欧姆, 扭絞二股线 - 约100欧姆,广播传输用的平行二股线 - 约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负载吸收,尽可能少的功率被反射回发送端。在负载阻抗等于特性阻抗Z0时,这一点可以被保证,这时传输线被称为阻抗匹配

图中两条黑线代表传输线。在距离起点 x 处,每条线都流过了 I(x) 的电流,两线之间的电压差为 V(x) 。在单一信号没有反射的情况下, V(x) / I(x) = Z0Z0 代表了传输线的 特性阻抗

由于传输线电阻的存在,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,另一种介电损耗变得非常明显,加重了电阻引起的损耗。介电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引起的。 传输线模型表现为电阻 (R) 与电感 (L) 的串联以及电容 (C) 与电导 (G) 的并联。电阻与电导引起了传输线的损耗。

传输线功率总损耗的单位是分贝 (dB/m),并与信号频率相关。生产厂家一般会提供一定范围内以dB/m为单位的损耗图。3dB代表大约损失一半的功率。

设计用于承载波长小于或可比于传输线长度电磁波的传输线称为高频传输线。在这种情况下,在低频下的估值方法不再适用。高频传输线常见于无线电微波信号,金属网滤光片和高速电子线路中的信号。

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. ^ 1.0 1.1 1.2 Jackman, Shawn M.; Matt Swartz; Marcus Burton; Thomas W. Head. CWDP Certified Wireless Design Professional Official Study Guide: Exam PW0-250. John Wiley & Sons. 2011: Ch. 7. ISBN 1118041615. 
  2. ^ 2.0 2.1 Oklobdzija, Vojin G.; Ram K. Krishnamurthy. High-Performance Energy-Efficient Microprocessor Design. Springer. 2006: 297. ISBN 0387340475. 
  3. ^ Guru, Bhag Singh; Hüseyin R. Hızıroğlu. Electromagnetic Field Theory Fundamentals, 2nd Ed.. Cambridge Univ. Press. 2004: 422–423. ISBN 1139451928. 
  4. ^ Schmitt, Ron Schmitt. Electromagnetics Explained: A Handbook for Wireless/ RF, EMC, and High-Speed Electronics. Newnes. 2002: 153. ISBN 0080505236. 
  5. ^ Carr, Joseph J. Microwave & Wireless Communications Technology. USA: Newnes. 1997: 46–47. ISBN 0750697075. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 Raisanen, Antti V.; Arto Lehto. Radio Engineering for Wireless Communication and Sensor Applications. Artech House. 2003: 35–37. ISBN 1580536697. 
  7. ^ 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]