22.Падающие и отраженные волны. Согласование нагрузки. Волновое сопротивление. Коаксиальные кабели

Длинная линия — регулярная линия передачи, длина которой превышает длину волны (λ) колебаний, распространяющихся в линии, а расстояние между проводниками, из которых состоит линия передачи, значительно меньше длины волны. Характерной особенностью длинных линий является проявление интерференции двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из этих волн создается генератором электромагнитных колебаний, подключенным к линии, и называется падающей. Другая волна может возникать из-за отражения падающей волны от нагрузки, подключенной к противоположному концу линии, и называется отраженной. Отраженная волна распространяется в направлении, обратном падающей волне. Все разнообразие процессов, происходящих в длинной линии, определяется амплитудно-фазовыми соотношениями между падающей и отраженной волнами. 1)Телеграфные уравнения(Начало координат – конец линии передачи): 2 и 3)Комплексное представление:

1) 2) 3)

1)Общее решение дифференциального уравнения(±γ - корни характеристического уравнения):

1) 2) 3) 4)

2) прямая (падающая) волна напряжения,3) обратная (отраженная) волна напряжения, 4)прямая (падающая) волна тока

- обратная (отраженная) волна тока

Согласованность линии и нагрузки:

Несогласованная нагрузка: 1)Короткое замыкание,2) Холостой ход. 3- Согласованная нагрузка:

1) 2) 3)

- коэффициент отражения

Чем больше модуль коэффициента отражения, тем заметнее влияние обратной волны, тем менее равномерно распределяются напряжение и ток вдоль линии и яснее выражены максимумы и минимумы у кривой действующего значения напряжения и тока. При несогласованной нагрузке не вся мощность, которую способна перенести прямая волна, поглощается нагрузкой. С обратной волной часть мощности возвращается генератору. Электрические линии связи требуют проведения специальных мер, без которых невозможна не только безошибочная передача данных, но и вообще любое функционирование сети. Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений. Следует отметить, что в локальных сетях кабель работает в режиме длинной линии даже при минимальных расстояниях между компьютерами, так как скорости передачи информации и частотный спектр сигнала очень велики. Принцип согласования кабеля прост: на его концах необходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротивлением, равным волновому сопротивлению используемого кабеля. Волновое сопротивление Z_В (Ом) - сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, т.е. при условии, что на процесс передачи не влияют несогласованности на концах линии. Волновое сопротивление СК зависит от удельных значений емкости и индуктивности кабеля. Волновое сопротивление – это параметр данного типа кабеля, зависящий только от его устройства (сечения, количества и формы проводников, толщины и материала изоляции и т.д.). Величина волнового сопротивления обязательно указывается в сопроводительной документации на кабель и составляет обычно от 50—100 Ом для коаксиального кабеля, до 100—150 Ом для витой. Точное значение волнового сопротивления легко можно измерить с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа как раз по отсутствию искажения формы передаваемого по кабелю импульса. Если согласующее, нагрузочное сопротивление R_н меньше волнового сопротивления кабеля R_в, то фронт передаваемого прямоугольного импульса на приемном конце будет затянут, если же R_н больше R_в, то на фронте будет колебательный процесс. Поэтому даже при идеально согласованном на концах кабеля, волновое сопротивление которого существенно отличается от стандартного, сеть, скорее всего, работать не будет или будет работать со сбоями. В простейшем случае проводная ЛС - физическая цепь, образуемая парой металлических проводников. Кабельные ЛС образованы проводами с изоляционными покрытиями, помещенными в защитные оболочки. По конструкции и взаимному расположению проводников различают симметричные (СК) и коаксиальные (КК) кабели связи. Симметричная цепь состоит из двух совершенно одинаковых в электрическом и конструктивном отношениях изолированных проводников. Различают экранированные и неэкранированные СК. Коаксиальная цепь представляет собой два цилиндра с совмещенной осью, причем один цилиндр - сплошной внутренний проводник, концентрически расположен внутри другого полого цилиндра (внешнего проводника). Проводники изолированы друг от друга диэлектрическим материалом. В коаксиальных парах со сплошным диэлектриком Zв=50 Ом, а при комбинированной изоляции величина волнового сопротивления составляет примерно 75 Ом. Способность коаксиальной цепи пропускать широкий спектр частот конструктивно обеспечивается коаксиальным расположением внутреннего и внешнего проводников. Взаимодействие электромагнитных полей внутреннего и внешнего проводников коаксиальной пары таково, что внешнее поле равно нулю.

Учитывая, что токи в проводниках а и б равны по величине и обратны по знаку, магнитные поля внутреннего и внешнего проводников и в любой точке пространства вне коаксиальной пары также будут равны по величине и направлены в разные стороны. Следовательно, результирующее магнитное поле вне коаксиальной пары равно нулю. Вне коаксиальной пары магнитное поле отсутствует. Отсутствие внешнего электромагнитного поля обусловливает основные достоинства коаксиальных кабелей: широкий диапазон частот, большое число каналов, защищенность от помех.

Распределение плотности тока во внутреннем проводнике определяется лишь действием поверхностного эффекта. Силовые линии внутреннего магнитного поля, пересекая толщу проводника, наводят в нем вихревые токи, направленные по закону Ленца против вращения рукоятки буравчика. Вихревые токи в центре проводника имеют направление, обратное движению основного тока, протекающего по проводнику, а на периферии их направления совпадают. В результате взаимодействия вихревых токов с основным происходит такое перераспределение тока по сечению проводника, при котором плотность его возрастает к поверхности проводника. Данное явление, носящее название поверхностного эффекта, увеличивается с возрастанием частоты тока, магнитной проницаемости, проводимости и диаметра проводника. Во внешнем проводнике плотность тока увеличивается в направлении к ее внутренней поверхности. Это объясняется воздействием поля внутреннего проводника. При наличии внутреннего проводника плотность тока увеличивается на внутренней поверхности внешнего проводника. Переменное магнитное поле, создаваемое током проводника a, наводит в металлической толще полого проводника б вихревые токи. На внутренней поверхности проводника б вихревые токи совпадают по направлению с основным током, а на наружной поверхности движутся против него. В результате ток в проводнике перераспределяется таким образом, что его плотность возрастает в направлении к внутренней поверхности. Чем выше частота тока, тем сильнее эффект смещения тока на внешнюю поверхность проводника а и внутреннюю поверхность проводника б. Таким образом, внешний проводник коаксиальной пары выполняет две функции:1) является обратным проводником цепи передачи;2) защищает (экранирует) передачу, ведущуюся по кабелю, от мешающих влияний.