Введение

Кабель или другая конструкция для передачи радиоволн, радиочастотный компонент.

В электротехнике, линия передачи – это специализированный кабель или другая конструкция, предназначенная для направленного распространения электромагнитных волн. Термин применяется, когда проводники достаточно длинные, чтобы необходимо было учитывать волновую природу передачи. Это особенно важно в радиочастотной технике, поскольку короткие длины волн приводят к возникновению волновых явлений на очень малых расстояниях (это может быть всего несколько миллиметров, в зависимости от частоты). Однако теория линий передачи исторически разрабатывалась для объяснения явлений в очень протяженных телеграфных линиях, особенно в подводных телеграфных кабелях. Линии передачи используются для различных целей, таких как соединение радиопередатчиков и приемников с их антеннами (в этом случае их называют фидерными линиями), распределение сигналов кабельного телевидения, маршрутизация телефонных вызовов между телефонными станциями, компьютерные сетевые соединения и высокоскоростные шины передачи данных в компьютерах. Специалисты по радиочастотной технике часто используют короткие участки линий передачи, обычно в виде печатных планарных линий, расположенных определенным образом для создания схем, таких как фильтры. Эти схемы, известные как схемы с распределенными параметрами, являются альтернативой традиционным схемам, использующим дискретные конденсаторы и индуктивности.

Специальный случай безпотерточной линии

Если элементы R и G пренебрежимо малы, то линия передачи считается линией без потерь. В этом гипотетическом случае модель зависит только от элементов L и C, что значительно упрощает анализ. Для линии передачи без потерь уравнения телеграфника второго порядка в установившемся режиме имеют вид:

Это волновые уравнения, решениями которых являются плоские волны с одинаковой скоростью распространения в прямом и обратном направлениях. Физический смысл этого заключается в том, что электромагнитные волны распространяются по линиям передачи, и, как правило, существует отраженная составляющая, которая интерферирует с исходным сигналом. Эти уравнения являются основополагающими для теории линий передачи.

Соответствующая нагрузка

Еще один особый случай — когда входное сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии (то есть линия согласована), в этом случае входное сопротивление уменьшается до волнового сопротивления линии, так что для всех *z* и всех *t*.

Короткий

Для случая короткого замыкания нагрузки (т.е.), входное сопротивление является чисто реактивным и периодической функцией положения и длины волны (частоты).

Открыто

Для случая разомкнутой нагрузки (т.е.), входное сопротивление снова становится мнимым и периодическим.

Параметры матрицы

Для моделирования линий передачи, встроенных в более крупные системы, обычно используются параметры проводимости (матрица Y), параметры импеданса (матрица Z) и/или параметры рассеяния (матрица S), представляющие собой полную модель линии передачи, необходимую для проведения моделирования.

Параметры импеданса

Импеданс (Z) можно определить, подав фиксированный ток в один порт (I1) линии передачи, оставив другой порт разомкнутым, и измерив результирующее напряжение на каждом порту (V1, V2). В отличие от идеальных сосредоточенных двухпортовых элементов (резисторов, конденсаторов, индукторов и т.д.), которые не имеют определенных параметров Z, линии передачи имеют внутреннее соединение с землей, что позволяет определить параметры Z. Для беспотерийных и потерянных линий передачи, соответственно, матрица параметров Z имеет следующий вид: с использованием стандартных преобразований из гиперболических в круговые комплексные функции.

Коаксиальный кабель

Коаксиальные линии локализуют практически всю электромагнитную волну в области внутри кабеля. Поэтому коаксиальные линии можно изгибать и скручивать (в пределах допустимого) без негативных последствий, а также крепить к токопроводящим опорам, не вызывая в них нежелательных токов. В радиочастотных приложениях до нескольких гигагерц волна распространяется исключительно в поперечном электромагнитном режиме (TEM), что означает, что электрическое и магнитное поля оба перпендикулярны направлению распространения (электрическое поле радиальное, а магнитное – окружное). Однако на частотах, для которых длина волны (в диэлектрике) значительно меньше окружности кабеля, могут распространяться и другие поперечные моды. Эти моды классифицируются на две группы: поперечные электрические (TE) и поперечные магнитные (TM) волноводные моды. Когда возможно существование нескольких мод, изгибы и другие неровности в геометрии кабеля могут приводить к передаче энергии из одной моды в другую. Наиболее широкое применение коаксиальные кабели находят для телевидения и других сигналов с полосой пропускания в несколько мегагерц. В середине XX века они использовались для организации междугородной телефонной связи.

Плоскостные линии

Плоские линии передачи – это линии передачи с проводниками или, в некоторых случаях, диэлектрическими полосками, имеющие плоскую ленточную форму. Они используются для соединения компонентов на печатных и интегральных схемах, работающих на микроволновых частотах, поскольку их плоская конструкция хорошо сочетается с технологиями производства этих компонентов. Существует несколько типов плоских линий передачи.

Микрополоска

В микрополосковой схеме используется тонкий плоский проводник, параллельный плоскости заземления. Микрополоска может быть изготовлена путем нанесения полоски меди на одну сторону печатной платы (PCB) или керамической подложки, а другая сторона представляет собой сплошную плоскость заземления. Ширина полоски, толщина диэлектрического слоя (печатной платы или керамики) и диэлектрическая проницаемость этого слоя определяют волновое сопротивление. Микрополоска является разомкнутой структурой, в то время как коаксиальный кабель – замкнутой.

Стриплин

В схеме с полосковой линией используется плоская полоска металла, расположенная между двумя параллельными плоскостями заземления. Изоляционный материал подложки формирует диэлектрик. Ширина полоски, толщина подложки и относительная диэлектрическая проницаемость подложки определяют характеристическое сопротивление полоски, которая является линией передачи.

Копланарный волновод

Копланарный волновод состоит из центральной полосы и двух прилегающих внешних проводников, все три из которых представляют собой плоские структуры, нанесенные на одну и ту же изолирующую подложку и, следовательно, расположенные в одной плоскости ("копланарные"). Ширина центрального проводника, расстояние между внутренним и внешним проводниками, а также относительная диэлектрическая проницаемость подложки определяют характеристическое сопротивление копланарной линии передачи.

Сбалансированные линии

Сбалансированная линия – это линия передачи, состоящая из двух проводников одного типа с одинаковым импедансом относительно земли и других цепей. Существует множество типов сбалансированных линий, среди наиболее распространенных – витая пара, звездная четверка и двойной провод.

Скрученная пара

Скрученные пары широко используются для наземной телефонной связи. В таких кабелях множество пар объединяются в один кабель, от двух до нескольких тысяч. Этот формат также применяется для организации сетей передачи данных внутри зданий, однако такие кабели более дорогие, поскольку параметры линий передачи подвергаются жесткому контролю.

Звездный квадрокоптер

Star quad – это четырехпроводниковый кабель, в котором все четыре проводника скручены вместе вокруг оси кабеля. Он иногда используется для двух цепей, таких как четырехпроводная телефония и другие телекоммуникационные приложения. В этой конфигурации каждая пара использует два несмежных проводника. В других случаях он применяется для одной сбалансированной линии, например, в аудиоаппаратуре и двухпроводной телефонии. В этой конфигурации два несмежных проводника соединяются вместе на обоих концах кабеля, и два других проводника также соединяются вместе. При использовании для двух цепей перекрестные помехи снижаются по сравнению с кабелями, содержащими две отдельные скрученные пары. При использовании для одной сбалансированной линии магнитные помехи, улавливаемые кабелем, проявляются в виде практически идеального сигнала синфазного режима, который легко устраняется с помощью развязывающих трансформаторов. Совместное действие скрутки, сбалансированной передачи сигнала и четырехполюсной схемы обеспечивает выдающуюся помехоустойчивость, особенно полезную для приложений с низким уровнем сигнала, таких как микрофонные кабели, даже при прокладке в непосредственной близости от силового кабеля. Недостатком является то, что star quad, объединяя два проводника, обычно имеет вдвое большую емкость по сравнению с аналогичным двухпроводниковым скрученным и экранированным аудиокабелем. Высокая емкость приводит к увеличению искажений и большей потере высоких частот с увеличением длины кабеля.

Двойной свинцовый

Двойной провод состоит из пары проводников, разделенных непрерывным изолятором. Поддержание проводников на заданном расстоянии друг от друга обеспечивает фиксированную геометрию и надежно постоянные характеристики линии. Потери в нём ниже, чем в коаксиальном кабеле, поскольку характерный импеданс двойного провода обычно выше, чем у коаксиального кабеля, что приводит к меньшим омическим потерям из-за снижения тока. Однако он более подвержен воздействию помех.

Линии Лекшера

Линии Лешера — это форма параллельного проводника, которую можно использовать в диапазоне СВЧ для создания резонансных контуров. Они представляют собой удобный практический формат, занимающий промежуточное положение между сосредоточенными элементами (используемыми в диапазонах КВ/УКВ) и резонаторными полостями (используемыми в диапазонах СВЧ/ОЧВЧ).

Линия однопроводная

Небалансированные линии ранее широко использовались для телеграфной связи, но этот вид связи в настоящее время устарел. Кабели аналогичны витой паре тем, что множество жил объединяются в один кабель, однако на каждую цепь предусмотрен только один проводник и отсутствует скручивание. Все цепи на одном маршруте используют общий путь для тока обратной связи (заземление). Существует версия однопроводной системы с заземлением, применяемая для передачи электроэнергии во многих регионах.

Передача сигнала

Электрические линии передачи широко используются для передачи высокочастотных сигналов на большие и малые расстояния с минимальными потерями энергии. Типичный пример – коаксиальный кабель, соединяющий телевизионную или радиоантенну с приемником.

Схемы линий передачи

С линий передачи также можно создавать большое разнообразие схем, включая схемы согласования импедансов, фильтры, делители мощности и направленные ответвители.

Постепенная линия передачи

Для сопоставления импедансов в широком диапазоне используется ступенчатая линия передачи. Входной импеданс можно получить путем последовательного применения формулы цепного отношения:

где – волновое число *n*-го сегмента линии передачи, – длина этого сегмента, а – входной импеданс, нагружающий *n*-й сегмент. Поскольку характерный импеданс каждого сегмента линии передачи часто отличается от импеданса четвертого, входного кабеля (показан только стрелкой, отмеченной на левой стороне диаграммы выше), окружность преобразования импеданса смещена от центра вдоль оси диаграммы Смита, представление импеданса в которой обычно нормализовано относительно .

Приближение единовременных элементов

На более высоких частотах реактивные паразитные эффекты реальных дискретных элементов, включая индукторы и конденсаторы, ограничивают их применимость. Поэтому иногда полезно аппроксимировать электрические характеристики индукторов и конденсаторов линиями передачи на высоких частотах, используя преобразования Ричардса, а затем заменять дискретные элементы этими линиями передачи. Для опытных разработчиков существуют более точные методы мультимодельного высокочастотного моделирования индукторов с использованием линий передачи.

Фильтры для забивания

Если линия передачи с коротким замыканием или разрывом подключена параллельно линии, используемой для передачи сигналов из точки А в точку В, она будет функционировать как фильтр. Метод изготовления отводов (ступней) аналогичен методу использования линий Лешера для грубого измерения частоты, но он работает в обратном порядке. Один из методов, рекомендованных в справочнике по радиосвязи RSGB, заключается в использовании разомкнутого участка линии передачи, подключенного параллельно фидеру, подающему сигналы с антенны. Укорачивая свободный конец линии передачи, можно найти минимум в силе сигнала, наблюдаемого на приемнике. На этом этапе фильтр-отвод будет подавлять эту частоту и нечетные гармоники, но если свободный конец отвода закоротить, он станет фильтром, подавляющим четные гармоники. Широкополосные фильтры можно получить, используя несколько отводов. Однако это несколько устаревшая технология. Гораздо более компактные фильтры можно изготовить другими методами, такими как резонаторы параллельной линии.

Попульсная генерация

Передающие линии используются как генераторы импульсов. Заряжая передающую линию и затем разряжая её в резистивную нагрузку, можно получить прямоугольный импульс, длительность которого равна удвоенной электрической длине линии, хотя и с уменьшенной вдвое амплитудой. Линия Блюмлейна – это связанное устройство для формирования импульсов, которое устраняет это ограничение. Они иногда используются в качестве источников импульсной мощности для радиолокационных передатчиков и других приборов.

Звук

Теория распространения звуковых волн математически очень похожа на теорию распространения электромагнитных волн, поэтому методы теории линий передачи также применяются для создания структур, предназначенных для передачи акустических волн; эти структуры называются акустическими линиями передачи.