Длинные линии

Содержание

1 Дифференциальные уравнения длинной линии
2 Комплексный коэффициент отражения по напряжению
3 Коэффициенты бегущей и стоячей волны
4 Входное сопротивление длинной линии
5 Режимы работы длинной линии
6 Линия без потерь
7 КПД линии с потерями
8 Пределы применимости теории длинной линии
9 См. также
10 Примечания

Длинная линия — регулярная линия передачи^[1], 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.

Дифференциальные уравнения длинной линии

Рассмотрим двухпроводную длинную линию, представленную на рисунке 1. На рисунке обозначено: Z_Н = R_Н + iX_Н — комплексное сопротивление нагрузки; z — продольная координата линии, отсчитываемая от места подключения нагрузки.

Погонные параметры

Рис.1 — К выводу дифференциальных уравнений длинной линии

Из электродинамики известно, что линия передачи может быть охарактеризована ее погонными параметрами:

R₁ — погонное сопротивление, Ом/м;
G₁ — погонная проводимость, 1/Ом м;
L₁ — погонная индуктивность Гн/м;
C₁ — погонная ёмкость Ф/м;

Погонные сопротивление R₁ и проводимость G₁ зависят от проводимости материала проводов и качества диэлектрика, окружающего эти провода, соответственно. Чем меньше тепловые потери в металле проводов^[2] и в диэлектрике, тем меньше R₁ и больше G₁^[3]. Погонные индуктивность L₁ и емкость C₁ определяются формой и размерами поперечного сечения проводов, а также расстоянием между ними.

Эквивалентная схема участка длинной линии

Рис.2 — Эквивалентная схема участка длинной линии

Выделим из линии элементарный участок бесконечно малой длины dz и рассмотрим его эквивалентную схему, покзанную на рисунке 2. На этой схеме стрелками обозначены направления отсчета напряжения U и тока I в линии; dU и dI — приращения напряжения и тока в линии на элементе длины dz. Значения параметров схемы определяются соотношениями:

$\begin{cases} dR = R_1dz;\\ dG = G_1dz;\\ dL = L_1dz;\\ dC = C_1dz;\\ \end{cases}$

(1)

Используя эквивалентную схему, запишем выражения для приращений напряжения и тока:

Подставляя сюда значения параметров схемы из (1), получаем:

где , — погонные комплексные сопротивление и проводимость линии. Из последних соотношений находим дифференциальные уравнения линии:

Телеграфные уравнения

Основная статья: Телеграфное уравнение

$\begin{cases} \frac{dU}{dz} = IZ_1\\ \frac{dI}{dz} = UY_1\\ \end{cases}$

(2)

Эти соотношения называются телеграфными уравнениями длинной линии. Они определяют связь между током и напряжением в любом сечении линии. Решим телеграфные уравнения относительно напряжения и тока. Для этого продифференцируем их по z:

$\begin{cases} \frac{d^2U}{dz^2} = \frac{dI}{dz}Z_1\\ \frac{d^2I}{dz^2} = \frac{dU}{dz}Y_1\\ \end{cases}$

(3)

При этом учтем, что:

Условие регулярности линии

$\begin{cases} \frac{dZ_1}{dz} = 0\\ \frac{dY_1}{dz} = 0\\ \end{cases}$

(4)

Данные соотношения являются математическим определением регулярности длинной линии. Смысл соотношения (4) состоит в неизменности вдоль линии ее погонных параметров.

Подставляя в (3) значения производных напряжения и тока из (2), после преобразований получаем:

Однородные волновые уравнения длинной линии

$\begin{cases} \frac{d^2U}{dz^2} - \gamma^2U = 0\\ \frac{d^2I}{dz^2} - \gamma^2I= 0\\ \end{cases}$ ,

(5)

где γ — коэффициент распространения волны в линии: .

Соотношения (5) называются однородными волновыми уравнениями длинной линии. Их решения известны и могут быть записаны в виде:

$\begin{cases} U = A_Ue^{\gamma z}+B_Ue^{-\gamma z}\\ I = A_Ie^{\gamma z}+B_Ie^{-\gamma z}\\ \end{cases}$ ,

(6)

где A_U, B_U и A_I, B_I — коэффициенты, имеющие единицы измерения напряжения и тока соответственно, смысл которых будет ясен ниже.

Решения волновых уравнений в виде (6) имеют весьма характерный вид: первое слагаемое в этих решениях представляет собой падающую волну напряжения или тока, распространяющуюся от генератора к нагрузке, второе слагаемое — отраженную волну, распространяющуюся от нагрузки к генератору. Таким образом, коэффициенты A_U, A_I представляют собой комплексные амплитуды падающих волн напряжения и тока соответственно, а коэффициенты B_U, B_I — комплексные амплитуды отраженных волн напряжения и тока соответственно. Так как часть мощности, передаваемой по линии, может поглощаться в нагрузке, то амплитуды отраженных волн не должны превышать амплитуды падающих:

Направление распространения волн в (6) определяется знаком в показателях степени экспонент: плюс — волна распространяется в отрицательном направлении оси z; минус — в положительном направлении оси z (см. рис. 1).Так, например, для падающих волн напряжения и тока можно записать:

(7)

Коэффициент распространения волны в линии γ в общем случае является комплексной величиной и может быть представлен в виде:

(8)

где α — коэффициент затухания волны^[4] в линии; β — коэффициент фазы^[5]. Тогда соотношение (7) можно переписать в виде:

$\begin{cases} U_\Pi = A_Ue^{\alpha z}e^{i\beta z}\\ I_\Pi = A_Ie^{\alpha z}e^{i\beta z}\\ \end{cases}$ .

(9)

Так как при распространении падающей волны на длину волны в линии λ_Л фаза волны изменяется на 2π , то коэффициент фазы можно связать с длиной волны λ_Л соотношением

(10)

При этом фазовая скорость волны в линии V_Ф определяется через коэффициент фазы:

(11)

Определим коэффициенты A и B , входящие в решения (6) волновых уравнений, через значения напряжения U_Н и тока I_Н на нагрузке. Это является оправданным, так как напряжение и ток на нагрузке практически всегда можно измерить с помощью измерительных приборов. Воспользуемся первым из телеграфных уравнений (2) и подставим в него напряжение и ток из (6). Тогда получим:

Сравнив коэффициенты при экспонентах с одинаковыми показателями степеней, получим:

$\begin{cases} A_I = \frac{A_U}{W}\\ B_I = -\frac{B_U}{W}\\ \end{cases}$ ,

(12)

где — волновое сопротивление линии^[6].

Перепишем (6) с учетом (12):

$\begin{cases} U = A_Ue^{\gamma z} + B_Ue^{-\gamma z}\\ I = \frac{A_Ue^{\gamma z} - B_Ue^{-\gamma z}}{W}\\ \end{cases}$ .

(13)

Для определения коэффициентов A и B в этих уравнениях воспользуемся условиями в конце линии z = 0:

$\begin{cases} U(z = 0) = U_H\\ I(z = 0) = I_H\\ \end{cases}$ .

Тогда из (13) при z = 0 найдем

$\begin{cases} A_U = \tfrac{1}{2}(U_H + I_HW)\\ B_U = \tfrac{1}{2}(U_H - I_HW)\\ \end{cases}$ ,

(14)

Подставив полученные значения коэффициентов из (14) в (13), после преобразований получим:

$\begin{cases} U = U_H\operatorname{ch}(\gamma z) + I_HW\operatorname{sh}(\gamma z)\\ I = I_H\operatorname{ch}(\gamma z) + \frac{U_H}{W}\operatorname{sh}(\gamma z)\\ \end{cases}$ .

(15)

При выводе (15) учтены определения гиперболических синуса и косинуса^[7].

Соотношения для напряжения и тока (15) так же, как и (6), являются решениями однородных волновых уравнений. Их отличие состоит в том, что напряжение и ток в линии в соотношении (6) определены через амплитуды падающей и отраженной волн, а в (15) — через напряжение и ток на нагрузке.

Рассмотрим простейший случай, когда напряжение и ток в линии определяются только падающей волной, а отраженная волна отсутствует^[8]. Тогда в (6) следует положить B_U = 0, B_I = 0:

$\begin{cases} U = A_Ue^{\alpha z}e^{i\beta z}\\ I = A_Ie^{\alpha z}e^{i\beta z}\\ \end{cases}$ .

Распределение поля падающей волны

Рис.3. Эпюры напряжений падающей волны в длинной линии. а) амплитуда; б) фаза

На рис.3. представлены эпюры изменения амплитуды |U| и фазы φ_U апряжения вдоль линии. Эпюры изменения амплитуды и фазы тока имеют такой же вид. Из рассмотрения эпюр следует, что при отсутствии в линии потерь (α^[4] = 0) амплитуда напряжения в любом сечении линии остается одной и той же. При наличии потерь в линии (α^[4] > 0) часть переносимой мощности преобразуется в тепло (нагревание проводов линии и окружающего их диэлектрика). По этой причине амплитуда напряжения падающей волны экспоненциально убывает в направлении распространения.

Фаза напряжения падающей волны φ_U = β z изменяется по линейному закону и уменьшается по мере удаления от генератора.

Рассмотрим изменение амплитуды и фазы, например, напряжения при наличии падающей и отраженной волн. Для упрощения положим, что потери в линии отсутствуют, то есть α^[4] = 0. Тогда напряжение в линии можно представить в виде:

(16)

где — комплексный коэффициент отражения по напряжению.

Комплексный коэффициент отражения по напряжению

Характеризует степень согласования линии передачи с нагрузкой. Модуль коэффициента отражения изменяется в пределах:

| Г | = 0, если отражения от нагрузки отсутствуют и B_U = 0^[8];
| Г | = 1, если волна полностью отражается от нагрузки, то есть ;

Соотношение (16) представляет собой сумму падающей и отраженной волн.

Рис.4. Векторная диаграмма напряжений в линии с отраженной волной

Отобразим напряжение на комплексной плоскости в виде векторной диаграммы, каждый из векторов которой определяет падающую, отраженную волны и результирующее напряжение (рис. 4). Из диаграммы видно, что существуют такие поперечные сечения линии, в которых падающая и отраженная волны складываются в фазе. Напряжение в этих сечениях достигает максимума, величина которого равна сумме амплитуд падающей и отраженной волн:

Кроме того, существуют такие поперечные сечения линии, в которых падающая и отраженная волны складываются в противофазе. При этом напряжение достигает минимума:

Если линия нагружена на сопротивление, для которого |Г| = 1 , т.е. амплитуда падающей и отраженной волн равны |B_U| = |A_U|, то в этом случае U_max = 2|A_U|, а U_min = 0.

Рис.5. Эпюры распределения напряжения вдоль линии с отражённой волной. а) Модуль напряжения; б) фаза напряжения.

Напряжение в такой линии изменяется от нуля до удвоенной амплитуды падающей волны. На рис. 5 представлены эпюры изменения амплитуды и фазы напряжения вдоль линии при наличии отраженной волны.

Коэффициенты бегущей и стоячей волны

По эпюре напряжения судят о степени согласования линии с нагрузкой. Для этого вводятся понятия коэффициента бегущей волны - k_БВ и коэффициента стоячей волны k_СВ:

	(17)
	(18)

Эти коэффициенты, судя по определению, изменяются в пределах:

На практике наиболее часто используется понятие коэффициента стоячей волны, так как современные измерительные приборы (панорамные измерители k_СВ) на индикаторных устройствах отображают изменение именно этой величины в определенной полосе частот.

Входное сопротивление длинной линии

Входное сопротивление линии — является важной характеристикой, которое определяется в каждом сечении линии как отношение напряжения к току в этом сечении:


	(19)

Так как напряжение и ток в линии изменяются от сечения к сечению, то и входное сопротивление линии изменяется относительно ее продольной координаты z. При этом говорят о трансформирующих свойствах линии, а саму линию рассматривают как трансформатор сопротивлений. Подробнее свойство линии трансформировать сопротивления будет рассмотрено ниже.

Режимы работы длинной линии

Различают три режима работы линии:

режим бегущей волны; ^[9]
режим стоячей волны; ^[9]
режим смешанных волн.

Режим бегущей волны

Режим бегущей волны характеризуется наличием только падающей волны, распространяющейся от генератора к нагрузке. Отраженная волна отсутствует. Мощность, переносимая падающей волной, полностью выделяется в нагрузке. В этом режиме B_U = 0, | Г | = 0, k_бв =k_св = 1^[9].

Режим стоячей волны

Режим стоячей волны характеризуется тем, что амплитуда отраженной волны равна амплитуде падающей B_U = A_U т.е. энергия падающей волны полностью отражается от нагрузки и возвращается обратно в генератор. В этом режиме, | Г | = 1, k_св = , k_бв = 0^[9].

Режим смешанных волн

В режиме смешанных волн амплитуда отраженной волны удовлетворяет условию 0 < B_U < A_U т.е. часть мощности падающей волны теряется в нагрузке, а остальная часть в виде отраженной волны возвращается обратно в генератор. При этом 0 < | Г | < 1, 1 < k_св < , 0 < k_бв < 1

Линия без потерь

Рис.6. Эпюры напряжения, тока и входного сопротивления в открытой (разомкнутой) линии

В линии без потерь погонные параметры R₁ = 0 и G₁ = 0. Поэтому для коэффициента распространения γ и волнового сопротивления W получим:

;

(20)

С учетом этого выражения для напряжения и тока (15) примут вид:

$\begin{matrix} U = U_H\cos(\beta z) & + & iI_HW\sin(\beta z) \\ I = I_H\sin(\beta z) & + & i\tfrac{U_H}{W}\cos(\beta z) \end{matrix}$

(21)

При выводе этих соотношений учтены особенности^[10] гиперболических функций^[7].

Рассмотрим конкретные примеры работы линии без потерь на простейшие нагрузки.

Разомкнутая линия

В этом случае ток, протекающий через нагрузку равен нулю (I_Н = 0), поэтому выражения для напряжения, тока и входного сопротивления в линии принимают вид:

(22)

Рис.7. Эпюры напряжений, тока и входного сопротивления в короткозамкнутой линии

На рис.6 эти зависимости проиллюстрированы графически. Из соотношений (22) и графиков следует:

в линии, разомкнутой на конце, устанавливается режим стоячей волны, напряжение, ток и входное сопротивление вдоль линии изменяются по периодическому закону с периодом λ_Л/2;
входное сопротивление разомкнутой линии является чисто мнимым за исключением точек с координатами z = nλ_Л/4, n = 0,1,2,...;
если длина разомкнутой линии меньше λ_Л/4, то такая линия эквивалентна емкости;
разомкнутая на конце линия длиной λ_Л/4 эквивалентна последовательному резонансному на рассматриваемой частоте контуру и имеет нулевое входное сопротивление;
линия, длина которой лежит в интервале от λ_Л/4 до λ_Л/2, эквивалентна индуктивности;
разомкнутая на конце линия длиной λ_Л/2 эквивалентна параллельному резонансному контуру на рассматриваемой частоте и имеет бесконечно большое входное сопротивление.

Замкнутая линия

В этом случае напряжение на нагрузке равно нулю (U_Н = 0), поэтому напряжение, ток и входное сопротивление в линии принимают вид:

(23)

На рис.7 эти зависимости проиллюстрированы графически.

Рис.8. Эпюры напряжения, тока и входного сопротивления в линии, нагруженной на ёмкость

Используя результаты предыдущего раздела, нетрудно самостоятельно сделать выводы о трансформирующих свойствах короткозамкнутой линии. Отметим лишь, что в замкнутой линии также устанавливается режим стоячей волны. Отрезок короткозамкнутой линии, длиной меньше λ_Л/4 имеет индуктивный характер входного сопротивления, а при длине λ_Л/4 такая линия имеет бесконечно большое входное сопротивление на рабочей частоте^[11].

Ёмкостная нагрузка

Как следует из анализа работы разомкнутой линии, каждой емкости C на данной частоте ω можно поставить в соответствие отрезок разомкнутой линии длиной меньше λ_Л/4. Емкость C имеет емкостное сопротивление . Приравняем величину этого сопротивления к входному сопротивлению разомкнутой линии длиной l < λ_Л/4:

Отсюда находим длину линии , эквивалентную по входному сопротивлению емкости C:

Зная эпюры напряжения, тока и входного сопротивления разомкнутой линии, восстанавливаем их для линии, работающей на емкость (рис.8). Из эпюр следует, что в линии, работающей на емкость, устанавливается режим стоячей волны.

При изменений емкости эпюры сдвигаются вдоль оси z. В частности, при увеличении емкости емкостное сопротивление уменьшается, напряжение на емкости падает и все эпюры сдвигаются вправо, приближаясь к эпюрам, соответствующим короткозамкнутой линии. При уменьшении емкости эпюры сдвигаются влево, приближаясь к эпюрам, соответствующим разомкнутой линии.

Индуктивная нагрузка

Рис.9. Эпюры напряжения, тока и входного сопротивления в линии, работающей на индуктивность

Как следует из анализа работы замкнутой линии, каждой индуктивности L на данной частоте ω можно поставить в соответствие отрезок замкнутой линии длиной меньше λ_Л/4. Индуктивность L имеет индуктивное сопротивление iX_Л = iωL. Приравняем это сопротивление к входному сопротивлению замкнутой линии длиной λ_Л/4:

Отсюда находим длину линии l, эквивалентную по входному сопротивлению индуктивности L:

Зная эпюры напряжения, тока и входного сопротивления замкнутой на конце линии, восстанавливаем их для линии, работающей на индуктивность (рис. 9). Из эпюр следует, что в линии, работающей на индуктивность, также устанавливается режим стоячей волны. Изменение индуктивности приводит к сдвигу эпюр вдоль оси z. Причем с увеличением L эпюры сдвигаются вправо, приближаясь к эпюрам холостого хода, а с уменьшением L – влево по оси z, стремясь к эпюрам короткого замыкания.

Активная нагрузка

В этом случае ток и напряжение на нагрузке R_Н связаны соотношением U_Н = I_НR_Н^[12]. Выражения для напряжения и тока в линии (21) принимают вид: