Refleksi jalur transmisi. Saya mau penjelasan non-matematis

29

Saya seorang amatir radio berlisensi, dan menemukan banyak penjelasan yang membingungkan, yang berkisar dari mitos urban sederhana hingga Persamaan Maxwell-Heaviside, tentang apa yang terjadi pada penghentian saluran transmisi atau pengumpan. Saya menyadari bahwa mereka semua sampai pada hal yang sama pada akhirnya (atau harus melakukan, pun sempurna), tetapi tidak satupun dari mereka memberi saya firasat untuk apa yang sedang terjadi.

Saya suka diagram, jadi jawaban dalam hal fasor (grafis) untuk arus dan tegangan pada beban akan cocok untuk saya. Bagaimana, misalnya, apakah langkah pulsa di telepon menyebabkan tegangan dua kali lipat pada terminasi sirkuit terbuka? Demikian pula untuk arus pada hubung singkat. Dan bagaimana langkah yang dipantulkan dihasilkan oleh induktansi dan kapasitansi saluran?

Adakah yang bisa membantu, tanpa mendapatkan semua matematika, dan tidak mengatakan "kebohongan kepada anak-anak"?

Harry Weston
sumber
Saya suka menganggap gelombang EM sebagai air melalui selang. Jika selang kosong dan Anda membuka katup air, air akan mengalir sepanjang selang dan melihat impedansi tinggi dan akan bangkit kembali
hassan789
3
Anda dapat memodelkan efek yang agak mirip dengan menggabungkan bagian-bagian tali / tali dengan berat berbeda dan mengirimkan gelombang ke bawah.
Chris Stratton
9
Ini adalah penjelasan terbaik dari saluran transmisi yang pernah saya baca sejauh ini ..
mAlin
Terima kasih @ m.lin, referensi itu persis apa yang saya butuhkan, dan tidak dapat menemukan sendiri.
Harry Weston
@ HarryWeston Saya senang itu membantu. Jawaban Dave juga sangat bagus. Anda harus mempertimbangkan menerima jawabannya.
m.Alin

Jawaban:

29

OK, untuk apa nilainya, inilah cara saya memvisualisasikannya.

Seperti yang Anda katakan, saluran transmisi memiliki kedua kapasitansi didistribusikan dan didistribusikan induktansi, yang menggabungkan untuk membentuk sifatnya impedansi Z 0 . Mari kita asumsikan kita memiliki sumber tegangan langkah yang output impedansi Z S cocok Z 0 . Sebelum t = 0, semua tegangan dan arus adalah nol.

Pada saat langkah terjadi, tegangan dari membagi sumber itu sendiri sama-sama di seluruh Z S dan Z 0 , sehingga tegangan pada saat itu akhir baris adalah V S / 2. Hal pertama yang perlu terjadi adalah bahwa bit pertama dari kapasitansi perlu dibebankan ke nilai itu, yang membutuhkan arus untuk mengalir melalui bit induktansi pertama. Tapi itu segera menyebabkan bit kapasitansi berikutnya dibebankan melalui induktansi berikutnya, dan seterusnya. Sebuah gelombang tegangan merambat di saluran, dengan arus yang mengalir di belakangnya, tetapi tidak di depannya.

Jika ujung jauh dari garis diakhiri dengan beban dengan nilai yang sama dengan Z 0 , ketika gelombang tegangan sampai di sana, beban segera mulai menggambar arus yang sama persis dengan arus yang sudah mengalir di saluran. Tidak ada alasan untuk mengubah apa pun, jadi tidak ada refleksi dalam garis itu.

Namun, anggap ujung garis terbuka. Ketika gelombang tegangan sampai di sana, tidak ada tempat untuk arus yang mengalir tepat di belakangnya, sehingga muatan "menumpuk" di bit kapasitansi terakhir sampai tegangan mencapai titik di mana ia dapat menghentikan arus di yang terakhir sedikit induktansi. Tegangan yang diperlukan untuk melakukan hal ini terjadi persis dua kali dari tegangan yang datang, yang menciptakan tegangan terbalik melintasi sedikit induktansi terakhir yang cocok dengan tegangan yang memulai arus di dalamnya. Namun, kami sekarang memiliki V S di ujung garis, sementara sebagian besar garis hanya dibebankan ke V S / 2. Ini menyebabkan gelombang tegangan yang berpropagasi ke arah sebaliknya, dan saat berpropagasi, arus yang masih mengalir di depangelombang dikurangi menjadi nol di balik gelombang, meninggalkan garis balik itu dibebankan ke V S . (Cara lain untuk berpikir tentang ini adalah bahwa refleksi menciptakan arus balik yang secara tepat membatalkan arus maju asli.) Ketika gelombang tegangan yang dipantulkan ini mencapai sumbernya, tegangan melintasi Z S tiba-tiba turun ke nol, dan oleh karena itu arus turun ke nol. juga. Sekali lagi, semuanya sekarang dalam keadaan stabil.

Sekarang, jika ujung jauh dari garis pendek (bukan terbuka) ketika gelombang datang, kita memiliki kendala yang berbeda: Tegangan tidak dapat benar-benar naik, dan arus hanya mengalir ke pendek. Tetapi sekarang kita memiliki situasi lain yang tidak stabil: Ujung garis berada pada 0V, tetapi sisa baris masih dibebankan ke V s / 2. Oleh karena itu, saat ini tambahan mengalir ke pendek, dan saat ini adalah sama dengan V S / 2 dibagi dengan Z 0 (yang kebetulan sama dengan arus asli yang mengalir ke dalam baris). Gelombang tegangan (beranjak dari V S/ 2 turun ke 0V) berpropagasi ke arah sebaliknya, dan arus di belakang gelombang ini dua kali lipat dari arus asli di depannya. (Sekali lagi, Anda dapat menganggap ini sebagai gelombang tegangan negatif yang membatalkan gelombang positif asli.) Ketika gelombang ini mencapai sumber, terminal sumber didorong ke 0V, tegangan sumber penuh dijatuhkan di Z S dan arus yang melalui Z S sama dengan arus yang sekarang mengalir di baris. Semua stabil kembali.

Apakah ada yang membantu? Salah satu keuntungan dari memvisualisasikan ini dalam hal elektronik yang sebenarnya (sebagai lawan dari analogi yang melibatkan tali, bobot atau hidrolika, dll.,), Adalah memungkinkan Anda untuk lebih mudah beralasan tentang situasi lain, seperti kapasitansi yang disatukan, induktansi atau beban resistif yang tidak cocok terpasang pada saluran transmisi.

Dave Tweed
sumber
Terima kasih @Dave Tweed, inilah yang saya cari, penjelasan yang sangat jelas dan meyakinkan. Terima kasih juga telah meluangkan waktu dan masalah untuk posting yang panjang.
Harry Weston
6

Berikut adalah serangkaian eksperimen atau eksperimen pemikiran jika Anda suka.

1) Ambil tali panjang yang dipegang di kedua ujungnya oleh dua teman dan pegang erat-erat. Berdirilah di tengah dan mintalah orang di satu ujung untuk memberikan jentikan cepat tali secara vertikal, mengirimkan denyut nadi ke tali ke orang lain. Saat gelombang melewati Anda (di tengah), Anda akan melihat bahwa gelombang tersebut hanya merambat melewati Anda. Tidak ada refleksi (pada saat itu). Anda akan melihat bahwa karakteristik tali identik sebelum dan setelah lokasi Anda. Ini adalah kasus impedansi yang cocok tidak ada transisi, jadi tidak ada refleksi.

2) ambil tali yang sama, ikat ke lokasi yang tetap di dinding yang kaku. Minta teman Anda untuk mengirimkan denyut nadi ke bawah tali dan amati ombak yang mendekat, ia mengenai lokasi yang telah ditentukan dan kemudian terpantul kembali. Anda akan melihat bahwa ketika itu mencerminkannya terbalik. Ini sama dengan pendek. Tali menjentik ke atas, tetapi tidak bisa bergerak karena berlabuh, energi disimpan dalam energi elastis yang menarik kembali tali (membalikkan denyut nadi)

3) Ambil tali yang sama dan ikat tali yang sangat, sangat ringan untuk itu. Sekali lagi mintalah kedua teman Anda berdiri di setiap ujung dan pegang tali / tali dengan kencang dan nyalakan denyut nadinya. Pada transisi antara tali / tali, pulsa akan memantul, tetapi tidak terbalik. Ini adalah contoh dari rangkaian terbuka. Tali itu bergerak ke atas, tetapi energinya tidak dapat masuk ke tali (atau lebih tepatnya lebih sedikit energi) karena massa tali jauh lebih sedikit. Jadi ujung tali naik, energi disimpan dalam energi potensial dan kemudian hilang begitu saja dengan jatuh kembali mengirim gelombang kembali ke garis.

Dalam sebuah pandu gelombang, energi berubah dari magnet (arus) ke listrik (tegangan) ketika gelombang merambat. Pada terminasi terbuka, arus tidak dapat mengalir sehingga energi mengalir dalam bentuk tegangan. Singkatnya, tegangan tidak dapat diekspresikan (itu pendek - atau ekuipotensial) sehingga energi masuk ke loop arus lokal.

placeholder
sumber
Terima kasih @rawbrawb untuk analogi yang sangat berguna, dan telah meluangkan waktu dan kesulitan untuk menjawab dengan penuh.
Harry Weston
5

Saya suka menganggap saluran transmisi sebagai kumpulan bobot yang sama yang terhubung dengan pegas yang cocok. Ketika pulsa kompresi disuntikkan di satu ujung, masing-masing berat akhirnya mendorong berat berikutnya dengan cara sedemikian rupa sehingga dorongan atau tarikan dari bobot "hulu" secara tepat diseimbangkan dengan tarikan atau dorongan dari bobot "hilir", meninggalkan setiap berat tidak bergerak setelah gelombang melewati.

Jika ujung saluran transmisi tidak bisa bergerak, efeknya adalah pegas yang tidak bisa bergerak "mendorong mundur" dua kali lebih keras jika itu bisa bergerak. Setengah dari dorongan itu melawan dorongan dari gelombang sebelumnya, dan setengah lainnya berfungsi untuk mendorong bobot sebelumnya ke arah yang berlawanan dengan gerakan sebelumnya. Efek bersihnya adalah gelombang kompresi dipancarkan kembali.

Jika ujung saluran transmisi hanya "terbuka", efeknya adalah bahwa bobot terakhir tidak akan berakhir hanya bergerak ke titik awal setelah mentransfer energinya ke bobot berikutnya, tetapi ketika mencapai titik awalnya ia akan masih memiliki semua energi yang diterimanya dari berat sebelumnya. Pada titik itu, kelembaman dan momentum akan menyebabkannya terus melewati titik itu, dan secara efektif "menarik" berat sebelumnya dengan semua energi yang sebelumnya dimasukkan ke dalamnya. Ini secara efektif akan menghasilkan gelombang ketegangan kembali ke pegas.

supercat
sumber
Terima kasih @supercat untuk penjelasan itu, dan atas kesulitan Anda dalam menyatukan jawaban yang panjang dan tepat.
Harry Weston
Saya mencoba memahami refleksi juga. Saya terjebak - mengapa kita menambahkan insiden dan memantulkan voltase tetapi mengurangi arus. Tolong bisakah seseorang membantu saya mengerti.
user3551094
@ user3551094: Untuk menggunakan analogi pegas, pikirkan tegangan sebagai tegangan pada pegas dan arus sebagai jumlah yang digunakan pegas untuk bergerak. Jika seseorang mengirimkan pulsa ke pegas sedemikian sehingga ketegangan dan gerakan berada di arah positif, maka pantulannya akan memiliki arah gerak yang sama tetapi ketegangan negatif, atau ketegangan positif tetapi arah gerak sebaliknya. Dalam kedua kasus, jika tanda-tanda ketegangan dan gerak cocok dengan gelombang asli, maka dalam gelombang yang dipantulkan mereka akan berseberangan.
supercat
3

Video Bell Labs yang mempesona ini dengan indah menunjukkan gerakan gelombang, SWR, dan bagian pencocokan impedansi pada perangkat meja yang sepenuhnya mekanis tanpa perlu matematika . Itu disajikan dengan cara yang bahkan orang awam pun dapat memahami konsep-konsep ini.

  • Refleksi gelombang dari ujung yang bebas dan terjepit
  • Superposisi
  • Gelombang berdiri dan resonansi
  • Hilangnya energi karena ketidakcocokan impedansi
  • Pengurangan kehilangan energi oleh transformator seperempat gelombang dan runcing
Mike Waters
sumber
1
Video yang luar biasa! Klarifikasi kecil: di sini pada tahun 2018, kami tidak lagi menggunakan Adobe Flash jadi di sini adalah tautan Youtube ke video yang sama: youtube.com/watch?v=DovunOxlY1k
akhmed