所有关于电路

站立波浪和共鸣

第十四章-传输线

PDF版本

当传输线与负载之间的阻抗不匹配时,就会产生反射。如果事件信号是连续的交流波形,这些反射将与更多迎面而来的事件波形混合以产生称为静止波形驻波

下图显示了一个三角形的入射波形在到达线路的无端端时如何变成一个镜像反射。为了简单起见,在这个说明序列中的传输线显示为一条粗线,而不是一对导线。

入射波从左到右传播,反射波从右到左传播:(下图)

入射波从左到右示出,而反射波从右到左移动

入射波反射未终止传输线的端部

入射波反射未终制传输线的端部。

如果我们把这两个波形加在一起,我们发现沿直线的长度产生了第三个平稳的波形:(图如下)

沿着线的长度创建固定的波形:

事件和反射波的总和是静止波

入射和反射波的总和是静止波。

第三,“站立”波,实际上代表了沿线的唯一电压,是​​入射和反射电压波的代表性和。它在瞬时幅度振荡,但不会像引起它的入射或反射波形一样传播电缆的长度。

请注意沿直线长度标记驻波“零点”的点(入射波和反射波相互抵消),以及这些点是如何从不改变位置的:(下图)

驻波不能沿传输线剥离

驻波不沿传输线传播。

产生常设波的情况

常驻海浪在物理世界中非常丰富。考虑一根绳子或绳子,在一端摇动,并绑在另一端(仅显示一个半周期的手动运动,向下移动):(下图)

绳子上的波浪。

绳子上的波浪。

节点(几乎或没有振动点)和抗腹炎(最大振动点)沿着绳子或绳索的长度保持固定。

当恰到好处的频率时,当自由端摇动时,效果最为明显。采摘串具有相同的“常设波”行为,沿其长度的最大和最小振动的“节点”。

拔弦和摇动绳之间的主要区别是采摘的绳子为其自身的“校正”振动频率提供,以最大化驻波效果:(下图)

站立波在拔弦上

一根拨弦上的驻波。

风吹过开口管也会产生驻波;这一次,声波是管内空气分子(声音)的振动,而不是固体物体的振动。驻波的末端是节点(最小振幅)还是腹点(最大振幅)取决于管的另一端是打开的还是关闭的:(下图)

开口管中的驻波。

开口管中的驻波。

闭合管末端必须是波节点,而开放式管端必须是抗灰液。通过类比,振动串的锚定结束必须是节点,而自由端(如果有的话)必须是antinode。

共振频率谐波的进展

注意如何在恰好匹配管终点的管内产生多于一个波长的波长。

这对所有驻波系统都是正确的:驻波在与系统的节点/波腹点相关的任何频率(波长)都会与系统发生共振。另一种说法是任何支撑驻波的系统都有多个共振频率。

所有频率都是系统的最低(基本)频率的整数倍数。从一个谐振频率到下一个谐振频率的谐波连续进展定义了泛音系统的频率:(下图)

开放式管道中的谐波(overtones)

开放式管道中的谐波(overtones)

这些谐波或overtones中的任何一种的实际频率(在赫兹中测量)取决于管的物理长度和波浪的传播速度,这是空气中的声速。

利用SPICE模拟传输线共振

由于传输线支持驻波,并迫使这些波根据负载端的终端阻抗类型具有节点和波背,它们也在由物理长度和传播速度决定的频率上表现出共振。

然而,传输线谐振比在管中的弦或空气中的谐振更复杂,因为我们必须考虑电压波和电流波。

通过计算机仿真更容易理解这种复杂性。首先,让我们来检查一个完美匹配的源,传输线和加载。所有组件的阻抗为75Ω:(下图)

完美匹配的传输线

完美匹配的传输线。

使用SPICE模拟电路,我们将指定传输线(T1.),具有75 Ω特性阻抗(z0 = 75)和传播延迟为1微秒(td = 1u.)。这是表示传输线的物理长度的方便方法:波浪传播其整个长度的时间量。

如果这是一个真正的75 Ω电缆-也许是一种类型的“RG-59B/U”同轴电缆,通常用于有线电视分配-速度系数为0.66,它将是大约648英尺长。

因为1µs是一个1 MHz信号的周期,我将选择扫描交流源的频率从(接近)零到那个数字,看看系统是如何反应从直流到1波长的信号。

这里是SPICE的网络列表为上面显示的电路:

传输线V1 1 0 AC 1 SIN RSOURCE 1 2 75 T1 2 0 3 0 Z0 = 75 TD = 1U Rload 3 0 75 .ac LIN 101 1M 1MEG *使用“肉豆蔻”程序来绘制分析。

Running this simulation and plotting the source impedance drop (as an indication of current), the source voltage, the line’s source-end voltage, and the load voltage, we see that the source voltage—shown as vm(1)(voltage magnitude between node 1 and the implied ground point of node 0) on the graphic plot—registers a steady 1 volt, while every other voltage registers a steady 0.5 volts: (Figure below)

在匹配的传输线上没有共振

在匹配的传输线上没有共振。

在所有阻抗完全匹配的系统中,不能存在驻波,因此在Bode图中没有谐振“峰”或“谷”。

现在,让我们将负载阻抗更改为999mΩ,以模拟开放式传输线。(下图)我们肯定会看到现在线上的一些反射,因为频率从1 MHz扫描到1 MHz:(下图)

开放式传输线。

开放式传输线。

传输线V1 1 0 AC 1 SIN RSOURCE 1 2 75 T1 2 0 3 0 Z0 = 75 TD = 1U RLOAD 3 0 999MEG .C LIN 101 1M 1MEG *使用“NUTMEG”程序绘制分析。

开放式传输线上的共振

开路输电线路上的共振。

这里,供电电压VM(1)以及线路的负载端电压虚拟机(3)保持稳定为1伏。其他电压沿着1 MHz至1 MHz的扫描范围的不同频率下倾角和峰值。

沿分析的水平轴有五个感兴趣的点:0 Hz、250 kHz、500 kHz、750 kHz和1 MHz。我们将研究每一个关于电压和电流在不同的点的电路。

在0 Hz(实际1 MHz)处,信号实际上是DC,电路的表现得多大,因为它将给出1伏直流电池源。

没有电路电流,如源阻抗的零电压降指示(z来源vm(1、2)),并且存在于传输线的源极处的全源电压(节点2和节点0之间测量的电压:虚拟机(2))。(下图)

在f=0:输入:V=1, I=0;结束:V = 1,我= 0。

在f=0:输入:V=1, I=0;结束:V = 1,我= 0。

在250 kHz时,我们在传输线的源端看到零电压和最大电流,但负载端仍然是全电压:(下图)

f=250 KHz:输入:V=0, I=13.33 mA;结束:v = 1 i = 0

f=250 KHz:输入:V=0, I=13.33 mA;结束:V = 1 = 0。

你可能想知道,这是怎么回事?我们如何在线路开口端处获得全源电压,而入口处有零电压?

答案是在常设波的悖论中找到的。源频率为250 kHz,线路的长度正好右转,以便从端到端安装1/4波长。随着线路的负载结束开放式,可能没有电流,但会有电压。

因此,开路传输线的负载端为一个电流节点(零点)和一个电压波腹(最大幅值):(下图)

传输线开路端为电流节点,开路端为电压波腹

传输线的开口端显示电流节点,开口端的电压抗滤液。

在500 kHz处,恰好驻波的一半静置在传输线上,在这里,我们在分析中看到了另一个点,其中源电流下降到没有,传输线的源极电压再次升高到全电压:(下图)

半波打开传输线的全常设波

在半波打开传输线的全常设波。

在750 kHz,绘图看起来很多,就像250 kHz:零源端电压(VM(2))和最大电流(VM(1,2))一样。这是由于沿传输线的3/4的波,导致源“看到”在连接到传输线的短路,即使线路的另一端是开放的:(图以下)

1 1/2驻波3/4波开放传输线

1 1/2站驻波3/4波开放式传输线。

当供电频率扫频达到1mhz时,传输线上存在全驻波。此时,线路的源端经历与负载端相同的电压和电流振幅:全电压和零电流。从本质上说,电源在它连接到传输线的地方“看到”一个开路。(下图)

全波开放传输线的双站立波

全波开路输电线路的双驻波。

以类似的方式,短路的传输线产生驻波,尽管用于电压和电流的节点和抗钻性分配是反转:在线路的短路端,将存在零电压(节点)和最大电流(抗腹)。以下是Spice仿真和所有有趣频率发生的插图:0 Hz,250 kHz,500 kHz,750 kHz和1 MHz。短路跳线通过1μΩ负载阻抗模拟:

短路传输线。

短路传输线。

传输线v1 10 ac 1 sin源1 2 75 t1 2 0 3 0 z0=75 td=1u rload 3 01 u .ac lin 101 1 1m 1meg *使用“Nutmeg”程序进行绘图分析

短路传输线上的共振

短路传输线上的共振

在f=0 Hz:输入:V=0, I=13.33 mA;结束:V=0, I=13.33 mA。

在f=0 Hz:输入:V=0, I=13.33 mA;结束:V=0, I=13.33 mA。

1/4波短路输电线上的半波形站波图案

1/4波短路传输线上的半波常设波模式。

半波短传输线上的全波驻波图

半波浪短路传输线的全波常设波样式。

1 1/2站立波丝特在3/4波短路输送线上

1 1/2驻波图在3/4波短传输线上。

双站立波在全波短路传输线上

双站立波在全波短路输电线上。

在这两个电路示例中,开路线路和短路线路,能量反射总计:100%的入射波到达线末端被反射回源。

然而,如果传输线是在一些阻抗而不是一个开路或短路,反射将不那么强烈,将是沿线电压和电流的最小值和最大值之间的差异。

假设我们用100 Ω电阻代替75 Ω电阻来结束我们的示例行。(下图)检查相应的SPICE分析结果,看看不同源频率下阻抗失配的影响:(下图)

传输线路不匹配终止

传输线路不匹配终止

传输线v1 10 ac 1 sin源1 2 75 t1 2 0 3 0 z0=75 td=1u rload 3 00 100 .ac lin 101 1 1m 1meg *使用“Nutmeg”程序进行绘图分析

在不匹配的传输线上的微弱共振

在不匹配的传输线上的微弱共振

如果我们运行另一个香料分析,这次打印数值结果而不是绘制它们,我们可以确切地发现所有有趣的频率发生的内容:

传输线V1 1 0 AC 1 SIN RSOURCE 1 2 75 T1 2 0 3 0 Z0 = 75 TD = 1U Rload 3 0 100 .ac LIN 5 1M 1MEG。印刷AC V(1,2)V(1)V(2)v(3).end
Freq V(1,2)V(1)V(2)V(2)V(3)1.000E-03 4.286E-01 1.000E + 00 5.714E-01 5.714E-01 2.500E + 05 5.714E-01 1.000E +0.0.4.。286E-01 5.714E-01 5.000E+05 4.286E-01 1.000E+00 5.714E-01 5.714E-01 7.500E+05 5.714E-01 1.000E+00 4.286E-01 5.714E-01 1.000E+06 4.286E-01 1.000E+00 5.714E-01 5.714E-01

在所有频率下,源电压,v(1),仍然在1伏时保持稳定。负载电压,v(3),也保持稳定,但在较小的电压:0.5714伏特。但是,线路输入电压都(v(2))电压掉落在源75Ω阻抗中(v(1,2)(表示从电源引出的电流)随频率变化。

f= 0hz:输入:V=0.57.14, I=5.715 mA;端:V=0.5714, I=5.715 mA

f= 0hz:输入:V=0.57.14, I=5.715 mA;端:V=0.5714, I=5.715 mA。

f=250 KHz:输入:V=0.4286, I=7.619 mA;端:V=0.5714, I=7.619 mA

f=250 KHz:输入:V=0.4286, I=7.619 mA;结束:v = 0.5714,i = 7.619 mA。

在f=500 KHz:输入:V=0.5714, I=5.715 mA;结束:V=5.714, I=5.715 mA

在f=500 KHz:输入:V=0.5714, I=5.715 mA;结束:v = 5.714,i = 5.715 mA。

在f=750 KHz时:输入:V=0.4286, I=7.619 mA;端:V=0.5714, I=7.619 mA

在f=750 KHz时:输入:V=0.4286, I=7.619 mA;结束:v = 0.5714,i = 7.619 mA。

在f=1 MHz:输入:V=0.5714, I=5.715 mA;结束:v = 0.5714,i = 0.5715 mA

在f=1 MHz:输入:V=0.5714, I=5.715 mA;端:V=0.5714, I=0.5715 mA。

在奇的谐波的基本频率(250 kHz,图3 - 以上和750 kHz,图350 kHz,图3)中,我们在传输线的每一端看到不同的电压水平,因为在那些频率处,站立波在节点中的一端终止并且在抗灰土的另一端。

不像开路和短路输电线路的例子,最大和最小电压水平沿这条输电线路不达到相同的极端值0%和100%的源电压,但我们仍然有“最小”和“最大”电压点。

(Figure 6th-above) The same holds true for current: if the line’s terminating impedance is mismatched to the line’s characteristic impedance, we will have points of minimum and maximum current at certain fixed locations on the line, corresponding to the standing current wave’s nodes and antinodes, respectively.

站立波率

表达驻波严重程度的一种方法是最大幅度(Antinode)到最小幅度(节点)的比率,用于电压或电流。

当一条线路被打开或短路终止时,这驻波比, 或者SWR.值为无穷大,因为最小振幅为零,任何有限值除以零得到一个无穷大(实际上,“未定义”)的商。

在该示例中,通过终止100Ω阻抗的75Ω线,SWR将是有限的:1.333,通过在250 kHz或750kHz(0.5714伏)处的最大线电压并除以最小线电压(0.4286伏特)。

通过采用线路终止阻抗和线路的特征阻抗来计算驻波比,并将两个值的较大较大的较小值来计算。在该示例中,100Ω的终止阻抗除以75Ω的特性阻抗除以恰好1.333的商,非常紧密地匹配先前的计算。

终端阻抗为100 Ω除以特征阻抗为75 Ω得到的商正好为1.333

一个完美终止的传输线将SWR为1,因为沿线路长度的任何位置的电压都是相同的,电流也是如此。

同样,这通常被认为是理想的,不仅因为反射波构成不传递给负载的能量,而且因为驻波波腹产生的高电压和高电流可能分别对传输线的绝缘(高电压)和导体(高电流)产生过大的压力。

另外,高驻波比的传输线就像天线一样,把电磁能量从线路上辐射出去,而不是把所有的能量都输送到负载上。这通常是不可取的,因为辐射能量可能与附近的导体“耦合”,产生信号干扰。

关于这一点,一个有趣的脚注是天线结构——通常类似于开路或短路的传输线——通常被设计为在高的驻波比,为了最大限度地提高信号的辐射和接收。

以下照片(下图)在无线电发射机系统中的结点处示出了一组传输线。在端部的陶瓷绝缘体盖的大型铜管是50Ω特性阻抗的刚性同轴传输线。

这些线路将射频功率从无线电发射机电路传送到天线结构底部的一个小的木制遮蔽物,然后从遮蔽物传送到其他带有其他天线结构的遮蔽物:

柔性同轴电缆连接到刚性线路。

柔性同轴电缆连接到刚性线路。

连接到刚性线的柔性同轴电缆(也为50Ω特性阻抗)将RF功率传导到避难所内的电容和电感的“相位”网络。将两个刚性线路连接的白色,将两个刚性线一起带到另一根密封线上的气体。

这些线是充满气体的,以避免收集水分在他们内部,这将是一个明确的问题,同轴线。注意扁平的铜“带”,用作跨接线,连接柔性同轴电缆的导体到刚性线的导体。

为什么铜衬垫和不是圆线的扁平带?由于皮肤效果,这使得在无线电频率下圆形导体的大部分横截面积。

与许多传输线一样,这些在低SWR条件下操作。然而,我们将在下一部分中看到,传输线中的站立波的现象并不总是不希望的,因为它可以被利用以执行有用的功能:阻抗转换。

点评:

  • 驻波是不传播的电压和电流波(即它们是静止的),但是是沿传输线的入射和反射波之间的干扰的结果。
  • 一种节点是一个常设波浪的一点最低限度振幅。
  • 一个是一个常设波浪的一点最大振幅。
  • 当终止阻抗不匹配线路的特征阻抗时,驻波只能存在于传输线中。在完全终止的线中,没有反射波,因此根本没有驻波。
  • 在某些频率下,驻波的节点和抗腹钻将与传输线的端部相关联,导致共振
  • 传输线上的最低频率谐振点是线路是一个四分之一波长的位置。在基本的每个谐波(整数 - 多个)频率(四分之一波长)时存在共振点。
  • 站立波率, 或者SWR.,最大驻波幅度与最小驻波幅度的比率。它也可以通过划分终止阻抗来计算特征阻抗,反之亦然,反之亦然,其产生了最大的商。没有站立波的线条(完美匹配:z负载到尾0.)的SWR为1。
  • 传输线可能被驻波的高最大幅度损坏。电压抗腹炎可能分解导体之间的绝缘,并且电流抗腹曲线可以过热导体。