전송선 반사. 비 수학적 설명을 원합니다

나는 면허를 취득한 라디오 아마추어이며, 민속 도시 신화에서부터 맥스웰-헤비 사이드 방정식에 이르기까지 송전선 또는 급전선의 종단에서 발생하는 일에 대한 다양한 설명을 당혹스럽게 생각합니다. 나는 그들 모두가 결국 같은 일을하게된다는 것을 알고있다 (또는 완벽하게 말장난을해야한다).

나는 다이어그램을 좋아하므로 부하의 전류 및 전압에 대한 (그래픽) 페이저 측면에서 가장 적합합니다. 예를 들어, 스텝 다운 라인이 어떻게 개방 회로 종단에서 전압의 두 배를 발생 시키는가? 단락 회로의 전류와 유사합니다. 그리고 반사 된 단계는 어떻게 라인의 인덕턴스와 커패시턴스에 의해 생성됩니까?

모든 수학을 배우지 않고 "어린이들에게 거짓말"을 말하지 않고 누구나 도울 수 있습니까?

좋습니다. 가치있는 것은 여기에 시각화하는 방법이 있습니다.

당신이 말한 것처럼, 전송 라인은 분배 커패시턴스와 분배 인덕턴스를 모두 가지며, 이는 특성 임피던스 Z ₀ 을 형성하기 위해 결합됩니다 . 출력 임피던스 Z _S 가 Z ₀ 과 일치 하는 스텝 전압원이 있다고 가정 합니다. t = 0 이전에, 모든 전압 및 전류는 0이다.

단계가 발생하는 순간, 소스의 전압은 Z _S 와 Z _0에 균등하게 분배 되므로 라인 끝의 전압은 V _S / 2입니다. 가장 먼저 발생해야하는 것은 커패시턴스의 첫 번째 비트가 해당 값으로 충전되어야하고,이를 위해서는 전류가 첫 번째 인덕턴스 비트를 통과해야한다는 것입니다. 그러나 이는 즉시 다음 비트의 커패시턴스가 다음 비트의 인덕턴스 등을 통해 충전되도록합니다. 전압 파동이 선 아래로 전파되고 전류가 선로를 흐르고 있지만 선로는 흐르지 않습니다.

선로의 끝이 Z ₀ 과 동일한 값의 부하로 종료 되면 전압 파가 도달하면 부하는 선에 이미 흐르는 전류와 정확히 일치하는 전류를 즉시 그리기 시작합니다. 변경해야 할 이유가 없으므로 회선에 반영이 없습니다.

그러나 선의 끝이 열려 있다고 가정하십시오. 전압 파가 도달하면 그 뒤에 흐르는 전류가 갈 곳이 없으므로 전압이 마지막에 전류를 멈출 수있는 지점에 도달 할 때까지 마지막 커패시턴스 비트에서 "필링" 약간의 인덕턴스. 이 작업을 수행하는 데 필요한 전압은 도달 전압의 정확히 두 배가되므로, 처음에 전류를 시작한 전압과 일치하는 마지막 인덕턴스 비트에 역 전압이 생성됩니다. 그러나 이제 회선의 끝에 V _S 가 있지만 대부분의 회선은 V _S / 2 로만 청구됩니다 . 이 반대 방향으로 propogates하는 전압 파형을 발생하고,이 propogates로, 현재는 여전히 흐르는 사용자들은 앞서파도의 선은 파도 뒤에서 0으로 감소되어 뒤의 선은 V _S에 충전됩니다 . (이것에 대한 다른 생각은 반사가 원래 순방향 전류를 정확하게 취소하는 역전 류를 생성한다는 것입니다.)이 반사 된 전압 파가 소스에 도달하면 Z _S 양단의 전압이 갑자기 0으로 떨어 지므로 전류가 0으로 떨어집니다 . 다시, 모든 것이 이제 안정된 상태에 있습니다.

이제, 입사 파가 도달 할 때 라인의 끝이 개방되어 있지 않고 단락되면, 우리는 다른 제약이 있습니다 : 전압이 실제로 상승 할 수없고 전류가 단락으로 흐릅니다. 라인의 끝이 0V로하지만, 라인의 나머지 부분은 여전히 V로 충전 :하지만 지금 우리는 또 다른 불안정한 상황이 _S / 2. 따라서 추가 전류가 단락으로 흐르고이 전류는 V _S / 2를 Z ₀ 으로 나눈 값과 같습니다 (선로로 흐르는 원래 전류와 동일 함). 전압 파 (V _S 에서 스테핑)/ 2에서 0V까지)는 반대 방향으로 전파되며이 파동 뒤의 전류는 그 앞의 원래 전류의 두 배입니다. (이것은 원래의 양의 파를 취소하는 음의 전압 파라고 생각할 수 있습니다.)이 파가 소스에 도달하면 소스 단자가 0V로 구동되고, 전체 소스 전압은 Z _S에서 떨어지고 Z 를 통한 전류 는 떨어집니다 _S 는 현재 라인에 흐르는 전류와 같습니다. 모든 것이 다시 안정적입니다.

이 중 어떤 것이 도움이됩니까? 실제 전자 장치 (로프, 웨이트 또는 유압 장치 등을 비유하는 것과는 대조적으로)와 관련하여 이것을 시각화 할 때 얻을 수있는 이점 중 하나는 집중 정전 용량, 인덕턴스 또는 전송 라인에 부착 된 불일치 한 저항 부하.

원하는 경우 일련의 실험 또는 생각 실험이 있습니다.

1) 두 친구가 양끝에 긴 줄을 잡고 팽팽하게 잡는다. 가운데에 서서 한쪽 끝에있는 사람에게 로프를 수직으로 빠르게 튕겨서 다른 사람에게 로프 아래로 펄스를 보내도록 요청하십시오. 파도가 당신을 (중간에) 지나갈 때 당신은 파도가 단지 당신을 지나서 지나가는 것을 볼 것입니다. 반사가 없습니다 (그 순간). 로프 특성은 위치 전후에 동일합니다. 이것은 정합 임피던스의 경우 전이가 없으므로 반사가 없습니다.

2) 같은 밧줄을 잡고 단단한 벽에 고정 된 위치에 묶습니다. 친구에게 로프 아래로 맥박을 보내라고 요청하고 파가 접근 할 때 파동이 고정 된 위치에 부딪 히고 다시 반사되는 것을 관찰하십시오. 반영 할 때 반전되는 것을 알 수 있습니다. 이것은 short와 같습니다. 로프가 튕겨 지지만 고정되어 움직이지 못합니다. 에너지는 탄성 에너지에 저장되어 로프를 뒤로 밉니다 (펄스 반전).

3) 같은 밧줄을 잡고 매우 가벼운 끈을 묶습니다. 다시 두 친구가 양쪽 끝에 서서 밧줄 / 줄을 팽팽하게 잡고 그 아래로 펄스를 내립니다. 로프 / 스트링 사이의 전환에서 펄스는 반영되지만 반전 되지는 않습니다 . 이것은 개방 회로의 예입니다. 줄이 튕겨 지지만 줄의 질량이 훨씬 작아서 에너지가 줄로 들어갈 수 없습니다 (또는 훨씬 적은 에너지). 따라서 로프 끝이 올라가고 에너지는 잠재적 인 에너지에 저장되고 다시 아래로 떨어지면 다시 줄을 내려서 파산됩니다.

도파관에서, 에너지는 파가 전파됨에 따라 자기 (전류)에서 전기 (전압)로 변환된다. 개방 터미네이션에서 전류는 흐를 수 없으므로 에너지는 전압 형태가됩니다. 짧게는 전압을 표현할 수 없으므로 (짧거나 등전위 임) 에너지가 로컬 전류 루프로 들어갑니다.

전송 라인은 스프링과 일치하는 동일한 무게의 모음으로 생각하고 싶습니다. 압축 펄스가 한쪽 끝에 주입되면, 각 무게 추는 "상류"무게로부터의 밀기 또는 당기기가 "하류"무게로부터의 당기기 또는 밀기에 의해 정확하게 균형을 잡는 방식으로 다음 무게를 밀어 내게됩니다. 파도가 지나간 후 ​​움직이지 않는 각 무게.

송전선의 끝이 움직일 수 없다면, 움직일 수없는 스프링이 움직일 수있는 것보다 두 배나 강하게 "푸시"됩니다. 그 셔브의 절반은 이전 웨이브의 셔브에 대항하며, 다른 절반은 이전 웨이트의 반대 방향으로 이전 웨이트를 밀어내는 역할을합니다. 결과적으로 압축 파가 다시 전송됩니다.

송전선의 끝이 단순히 "개방"인 경우, 마지막 중량이 에너지를 다음 중량으로 옮긴 후에 시작점으로 이동하지 않고 시작점에 도달하면 효과가 발생합니다. 이전 무게에서받은 모든 에너지가 여전히 남아 있습니다. 이 시점에서 관성과 운동량은 그 지점을지나 계속해서 이전 무게로 공급 된 모든 에너지를 사용하여 이전 무게에서 효과적으로 "인발"하게됩니다. 이것은 스프링을 장력 파로 효과적으로 생성합니다.

이 매혹적인 Bell Labs 비디오 는 수학 없이도 완전히 기계적인 탁상 장치의 파동, SWR 및 임피던스 정합 섹션을 아름답게 보여줍니다 . 평신도조차도 이러한 개념을 이해할 수있는 방식으로 제시됩니다.

• 자유롭고 고정 된 끝에서 파도가 반사 됨
• 위에 놓기
• 정재파와 공명
• 임피던스 불일치에 의한 에너지 손실
• 1/4 파 및 테이퍼 드 섹션 변압기에 의한 에너지 손실 감소