İsale hattı yansıması. Matematiksel olmayan bir açıklama istiyorum

Ben lisanslı bir radyo amatörüyüm ve bir iletim hattının veya besleyicinin sonlandırılmasında ne olduğunu meraklı şehir efsanesinden Maxwell-Heaviside Denklemlerine kadar uzanan pek çok farklı açıklamada şaşırtıcı buluyorum. Sonunda hepsinin aynı şeylere geldiğini fark ediyorum (ya da mükemmel olmalı), ama hiçbiri bana olan biteni hissetmiyor.

Diyagramları severim, bu nedenle yükteki akımlar ve gerilimler için (grafiksel) fazerler açısından bir cevap bana en iyi şekilde uyar. Örneğin, çizgiden aşağı doğru bir adım atımı açık devre sonlandırmasında iki kat gerilime neden olur mu? Benzer şekilde kısa devrede akım için. Ve yansıyan adım hattın endüktansı ve kapasitansı tarafından oluşturulan nedir?

Herkes matematiksel olmadan, "çocuklara yalan" dememeye yardım edebilir mi?

Tamam, buna değer, işte nasıl görüyorum.

Söylediğiniz gibi, bir iletim hattı, karakteristik empedansı Z _{0 '} ı bir araya getiren hem dağıtılmış kapasitansa hem de dağıtılmış endüktansa sahiptir . Çıkış empedansı Z _S Z _{0 ile} eşleşen bir adım voltaj kaynağımız olduğunu varsayalım . T = 0'dan önce tüm voltajlar ve akımlar sıfırdır.

Adım gerçekleştiği anda, kaynaktan gelen voltaj kendisini Z _S ve Z _{0 'a} eşit şekilde böler , böylece hattın bu ucundaki voltaj V _S / 2 olur. Gerçekleşmesi gereken ilk şey, ilk kapasitans bitinin, ilk endüktans bitinden akacak bir akım gerektiren bu değere şarj edilmesi gerektiğidir. Ancak bu hemen bir sonraki kapasitans bitinin bir sonraki endüktans bitinden şarj edilmesine neden olur. Gerilim dalgası çizgiden aşağıya doğru ilerler, akım arkasından akar, ancak önünde değil.

Hattın uzak ucu Z _{0 ile} aynı değerde bir yük ile sonlandırılırsa , voltaj dalgası oraya ulaştığında, yük anında hat üzerinde akan akımla tam olarak eşleşen bir akım çizmeye başlar. Hiçbir şeyin değişmesi için bir sebep yok, dolayısıyla çizgide bir yansıma yok.

Ancak, hattın uzak ucunun açık olduğunu varsayalım. Voltaj dalgası oraya ulaştığında, hemen arkasından akan akımın yeri yoktur, bu nedenle voltaj son akımda durduracak noktaya gelinceye kadar, son kapasitansta şarj "yükselir". endüktans bit. Bunu yapmak için gereken voltaj, gelen voltajın tam olarak iki katı olur ve bu, endüktans bitinin tamamında ters yönde voltaj oluşturarak, içinde akımı başlatan voltajla eşleşir. Bununla birlikte, artık hattın sonunda V _S varken, hattın çoğu yalnızca V _S / 2 olarak şarj edilir . Bu, ters yönde ilerleyen bir gerilim dalgasına neden olur ve ilerlerken hala ileriye doğru akan akımı yükseltir.dalganın ardındaki sıfıra sıfıra indirgenir ve arkasındaki çizgiyi V _S'ye şarj eder . (Bununla ilgili düşünce bir başka yolu, yansıma tam olarak orijinal ileri akımı iptal bir ters akım yaratmasıdır.) Yansıyan gerilim dalga kaynağına eriştiği zaman, Z, üzerindeki gerilim _S aniden sıfıra düşer ve sıfıra dolayısıyla akım damla de. Yine, her şey şimdi istikrarlı bir durumda.

Şimdi, olay dalgası oraya geldiğinde hattın uzak ucu kısalırsa (açık yerine) kısaltılmışsa, farklı bir kısıtlamamız var: Gerilim aslında yükselemez ve akım kısa devre içine akar. Fakat şimdi dengesiz bir durum daha var: Hattın sonu 0V'de, ancak hattın geri kalanı hala V _s / 2 olarak şarj ediliyor . Bu nedenle, ilave akım kısa devre içine akar ve bu akım, Z _{0 'a} bölünen V _S / 2'ye eşittir (bu, hatta akan orijinal akıma eşit olur). Bir voltaj dalgası (V _S'den adım/ 2'den 0V'a kadar) ters yönde ilerler ve bu dalganın arkasındaki akım, önündeki orijinal akımı ikiye katlar. (Yine, orijinal pozitif dalga iptal negatif voltaj dalga olarak düşünebiliriz.) Bu dalga kaynağına eriştiği zaman, kaynak terminal 0V'a sürülür, tam kaynak gerilimi Z boyunca düşürülmektedir _S ve mevcut Z boyunca _S şu anda çizgide akan akıma eşittir. Hepsi yine kararlıdır.

Bunlardan herhangi biri yardımcı oldu mu? Bunu gerçek elektronikler açısından görselleştirmenin bir avantajı (halatlar, ağırlıklar veya hidrolik vb. İçeren analojilerin aksine), toplanmış kapasitanslar, endüktanslar veya iletim hattına takılı eşleşmeyen dirençli yükler.

İsterseniz burada bir dizi deney veya düşünce deneyi.

1) İki arkadaşınız tarafından tutturulmuş ve gergin tutulan uzun bir ip alın. Ortada durun ve kişiden bir ucundan dikey olarak ipi hızlıca sallamasını sağlayın, ipi aşağıya doğru bir darbeyle gönderin. Dalga sizi geçtikçe (ortada), dalganın sadece sizin yanınızdan yayıldığını fark edeceksiniz. Yansıma yok (o anda). Halat özelliklerinin bulunduğunuz yerden önce ve sonra aynı olduğunu göreceksiniz. Eşleşen bir empedans söz konusu olduğunda, geçiş yoktur, bu nedenle yansıma yoktur.

2) aynı ipi alın, sert bir duvara sabit bir yere bağlayın. Arkadaşınızdan ipten aşağı bir puls göndermesini ve yaklaştığı dalgayı gözlemlemesini isteyin, sabit konuma vurarak geri yansır. Bunu yansıttığı zaman tersine çevirdiğini göreceksiniz. Bu kısa bir eşdeğerdir. Halat yukarı kalkar fakat hareket edemez çünkü sabit olduğundan, enerji ipi geri çeken elastik enerjide depolanır (nabzı ters çevirerek)

3) Aynı ipi alın ve çok, çok hafif bir ip bağlayın. Yine iki arkadaşınızın her iki ucunda durmasını sağlayın ve ipi / ipi gergin tutun ve ipten aşağıya doğru bir nabız sürün. İp / dizesi arasındaki geçişte darbe yansıtmak, ancak değil tersine çevrilecek. Bu bir açık devre örneğidir. Halat yukarı fırlar, ancak enerji kayanın içine giremez (veya daha az enerji) çünkü katarın kütlesi çok daha azdır. Böylece ip ucu yükselir, enerji potansiyel enerjide depolanır ve sonra dalgayı çizgiden geri göndererek geriye doğru düşerek dağılır.

Bir dalga kılavuzunda, dalga yayıldıkça, enerji manyetikten (akımlardan) elektriksel (voltaja) dönüşüyor. Açık bir sonlandırmada, akım akamaz, böylece enerji voltaj formunda gider. Kısacası, gerilim ifade edilemez (kısa veya eş potansiyeldir), böylece enerji yerel akım döngülerine girer.

Bir iletim hattını, eşleşen yaylarla bağlantılı eşit ağırlıklarda bir koleksiyon olarak düşünmeyi seviyorum. Bir ucuna bir sıkıştırma darbesi enjekte edildiğinde, her ağırlık bir sonraki ağırlığa, "yukarı akış" ağırlığındaki itme veya çekme tam olarak bir çekme ile dengelenir veya "aşağı akış" ağırlığından itilerek çıkarılır. dalga geçtikten sonra her ağırlık hareketsizdir.

İletim hattının sonu hareket edemiyorsa, sonuç, hareket edemeyen yayın, hareket edebildiğinden iki kat daha sert bir şekilde "geri iter". Bu kepçenin yarısı kuvveti önceki dalganın karşısına getirir ve diğer yarısı önceki ağırlığı önceki hareketinin tersi yönünde itmeye yarar. Net etki, bir sıkıştırma dalgasının geri iletilmesidir.

İletim hattının sonu basitçe "açık" olsaydı, sonuç, son ağırlığın, enerjisini bir sonraki ağırlığa aktardıktan sonra sadece başlangıç ​​noktasına hareket etmemesiydi, ama başlangıç ​​noktasına ulaştığında olurdu. Önceki ağırlıktan aldığı enerjiye hala sahip. Bu noktada atalet ve momentum, bu noktayı geçmesine ve bir önceki ağırlığın beslediği tüm enerji ile önceki ağırlıkta etkili bir şekilde "çekilmesine" neden olur. Bu, yayı geriye doğru etkili bir gerilim dalgası yaratacaktır.

Bu büyüleyici Bell Labs videosu , matematiğe ihtiyaç duymadan tamamen mekanik bir masa üstü cihazda dalga hareketi, SWR ve empedans eşleştirme bölümlerini güzel bir şekilde gösteriyor . Bir meslekten olmayan kişinin bile bu kavramları anlayabileceği şekilde sunulmuştur.

• Serbest ve kelepçeli uçlardan dalgaların yansıması
• üstüne koyma
• Ayakta dalgalar ve rezonans
• Empedans uyuşmazlığı nedeniyle enerji kaybı
• Çeyrek dalga ve konik kesitli transformatörlerle enerji kaybının azaltılması