Введение

Модель электрических схем, предполагающая неоднородные токи, напряжения и т.д. В электротехнике модель распределённых элементов, или модель линии передачи в электрических цепях, предполагает, что характеристики цепи (сопротивление, ёмкость и индуктивность) непрерывно распределены по всему материалу цепи. Это отличается от более распространённой модели сосредоточенных элементов, которая предполагает, что эти значения сосредоточены в электрических компонентах, соединённых идеально проводящими проводами. В модели распределённых элементов каждый элемент цепи бесконечно мал, а провода, соединяющие элементы, не считаются идеальными проводниками, то есть обладают импедансом. В отличие от модели сосредоточенных элементов, она предполагает неоднородность тока вдоль каждой ветви и неоднородность напряжения вдоль каждого провода. Распределённая модель используется в тех случаях, когда длина волны становится сопоставимой с физическими размерами цепи, что делает модель сосредоточенных элементов неточной. Это происходит на высоких частотах, где длина волны очень мала, или на низких частотах, но для очень длинных линий передачи, таких как воздушные линии электропередач.

Приложения

Модель распределённых элементов более точна, но сложнее, чем модель сосредоточенных элементов. Использование бесконечно малых величин часто требует применения математического анализа, в то время как схемы, анализируемые моделью сосредоточенных элементов, могут быть решены методами линейной алгебры. Следовательно, распределённая модель обычно применяется только тогда, когда этого требует необходимая точность. Выбор между моделями зависит от требуемой точности в конкретном приложении, но в целом её следует использовать в схемах, где длины волн сигналов сопоставимы с физическими размерами компонентов. Распространённое эмпирическое правило для инженеров (которое не следует воспринимать слишком буквально из-за множества исключений) гласит, что элементы, размеры которых превышают одну десятую длины волны, как правило, должны анализироваться как распределённые элементы.

Линии передачи

Линии передачи являются распространенным примером использования распределенной модели. Применение этой модели обусловлено тем, что длина линии обычно составляет многие длин волн рабочей частоты цепи. Даже для низких частот, используемых в линиях электропередачи, одна десятая длины волны все равно составляет около 500 километров при частоте 60 Гц. Линии передачи обычно представляются в терминах первичных параметров линии, как показано на рисунке 1. На основе этой модели поведение цепи описывается вторичными параметрами линии, которые можно рассчитать на основе первичных. Первичные параметры линии обычно считаются постоянными по всей длине линии, что упрощает анализ и моделирование. Однако это не всегда так: изменения физических размеров вдоль линии приводят к изменениям первичных параметров, то есть теперь их необходимо описывать как функции расстояния. Чаще всего такая ситуация представляет собой нежелательное отклонение от идеала, например, ошибку изготовления, но существуют компоненты, в которых такие продольные изменения вводятся намеренно как часть функциональности компонента. Хорошо известный пример – рупорная антенна. При наличии отражений на линии даже короткие участки линии могут проявлять эффекты, которые невозможно предсказать с помощью модели сосредоточенных элементов. Например, линия длиной в четверть длины волны преобразует сопротивление нагрузки в его дуальное значение. Это может быть существенно отличающееся сопротивление.

Транзисторы высокочастотные

Другой пример использования распределенных элементов – моделирование базового региона биполярного транзистора на высоких частотах. Анализ поведения носителей заряда, пересекающих базовый регион, становится неточным, если базовый регион рассматривается как сосредоточенный элемент. Более эффективная модель – упрощенная модель линии передачи, учитывающая распределенное объемное сопротивление материала базы и распределенную емкость подложки. Эта модель представлена на рисунке 2.

Измерения сопротивления

Во многих ситуациях требуется измерить удельную электропроводность объемного материала, используя массив электродов, расположенных на поверхности. Эта техника применяется в геофизике (поскольку она позволяет избежать необходимости вскрытия грунта) и в полупроводниковой промышленности (по аналогичной причине – неразрушающий контроль) для тестирования объемных кремниевых пластин. Базовая схема показана на рисунке 3, хотя обычно используется больше электродов. Чтобы установить взаимосвязь между измеренным напряжением и током, с одной стороны, и удельной электропроводностью материала, с другой, необходимо применить модель распределенных элементов, рассматривая материал как совокупность бесконечно малых резистивных элементов. В отличие от примера с линией передачи, необходимость применения модели распределенных элементов обусловлена геометрией измерительной схемы, а не какими-либо соображениями распространения волн. Используемая здесь модель должна быть строго трехмерной (модели линий передачи обычно описываются элементами одномерной линии). Также возможно, что сопротивления этих элементов будут зависеть от координат; в частности, в геофизических задачах обнаружение областей с измененной удельной электропроводностью может быть основной целью измерений.

Намотки индукторов

Другой пример, когда простой одномерной модели будет недостаточно, – это обмотки индуктора. Катушки проволоки обладают емкостью между соседними витками (и более удаленными витками, но эффект постепенно ослабевает). Для однослойной катушки распределенная емкость в основном сосредоточена между соседними витками, как показано на рисунке 4, между витками T1 и T2, но для многослойных обмоток и более точных моделей необходимо учитывать распределенную емкость и по отношению к другим виткам. Эта модель достаточно сложна для простых вычислений и в большинстве случаев ее избегают. Наиболее распространенный подход – представить всю распределенную емкость в виде одного сосредоточенного элемента, включенного параллельно с индуктивностью и сопротивлением катушки. Эта сосредоточенная модель успешно работает на низких частотах, но перестает быть адекватной на высоких частотах, где обычно просто измеряют (или указывают) общую добротность индуктора, не связывая ее с конкретной эквивалентной схемой.