有限長の伝送線路

無限の長さの伝送線路は興味深い抽象化ですが、物理的に不可能です。すべての伝送線路には有限の長さがあり、そのため、無限の線路とまったく同じように動作するわけではありません。

数年前にオーム計で測定した50Ωの「RG-58 / U」ケーブルが無限に長かったとしたら、実際には内導体と外導体の間の50Ω相当の抵抗を測定できたでしょう。しかし、長さは無限ではなかったので、「開いた」（無限の抵抗）と測定されました。

それでも、限られた長さを扱う場合でも、伝送線路の特性インピーダンス定格は重要です。特性インピーダンスの古い用語で、その説明的な値が好きですが、サージインピーダンスです。 。

過渡電圧（「サージ」）が伝送ラインの端に印加されると、ラインは、サージ電圧の大きさをラインのサージインピーダンス（I =E / Z）で割った値に比例する電流を引き込みます。電流と電圧の間のこの単純なオームの法則の関係は、限られた期間だけ当てはまりますが、無期限ではありません。

伝送線路の端が開回路になっている場合、つまり接続されていない場合、連続経路がない場所では電流が流れないため、線路の長さを伝わる電流の「波」は端で停止する必要があります。

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送電線の端でこの電流が突然停止すると、電荷キャリアが次々と行く場所を見つけられなくなるため、送電線の長さに沿って「パイルアップ」が発生します。

鉄道車両のカップリングの間にたるみがある状態で線路を走行している列車を想像してみてください。先頭の車両が不動のバリケードに突然衝突した場合、列車は停止し、最初のカップリングのたるみが発生するとすぐに後ろの車両が停止します。次のカップリングのたるみがなくなるとすぐに次の鉄道車両が停止し、最後の鉄道車両が停止するまで続きます。

列車は一緒に停止するのではなく、最初の車から最後の車まで順番に停止します:(下の図）

伝送線路のソースエンドからロードエンドに伝播する信号は、入射波と呼ばれます。 。負荷端からソース端への信号の伝播（この例では、開回路の伝送線路の端に電流が流れたときに起こったことなど）は、反射波と呼ばれます。 。

この電荷キャリアの「パイルアップ」がバッテリーに伝播して戻ると、バッテリーの電流が止まり、ラインは単純な開回路として機能します。

これはすべて、妥当な長さの伝送ラインでは非常に迅速に行われるため、ラインの抵抗計測定では、ラインが実際に抵抗として動作する短い期間が明らかになることはありません。

速度係数が0.66の1マイルの長さのケーブル（信号の伝播速度は光速の66％、つまり1秒あたり122,760マイル）の場合、信号が一方の端から伝わるのにかかる時間はわずか1 / 122,760秒（8.146マイクロ秒）です。他に。現在の信号がラインの端に到達し、ソースに「反射」するためのラウンドトリップ時間は、この数値の2倍または16.292 µsです。

入射波と反射波の重要性

高速測定器は、ソースからラインエンドまでのこの通過時間を検出し、再びソースに戻ることができ、ケーブルの長さを決定する目的で使用できます。

この手法は、存在を判断するためにも使用できます 開回路ケーブルの端から電流が流れるのと同じように、電流が断線から「反射」するため、ケーブルの導体の一方または両方の断線の場所。

このような目的のために設計された機器は、時間領域反射率計と呼ばれます。 （TDR）。基本的な原理は、ソナーの距離測定の原理と同じです。つまり、音のパルスを生成し、エコーが戻るまでにかかる時間を測定します。

送電線の端が短絡した場合にも同様の現象が発生します。電圧の波面が線の端に達すると、2つの電気的に共通の点の間に電圧が存在できないため、電圧がソースに反射されます。

この反射波がソースに到達すると、ソースは伝送線路全体を短絡と見なします。繰り返しになりますが、これは、信号が伝送線路の導体間の誘電体によって許容される速度で伝送線路を往復するのと同じ速さで発生します。

簡単な実験は、伝送線路での波の反射の現象を示しています。片方の端でロープの長さを取り、手首をすばやく上下に動かして「ホイップ」します。摩擦によって完全に消散するまで、ロープの長さを伝わる波が見られる場合があります:(下の図）

伝送線路が不安定です。

これは、内部損失のある長い伝送ラインに似ています。信号は、ラインの長さを伝搬するにつれて着実に弱くなり、ソースに反射することはありません。ただし、ロープの遠端が入射波の完全な散逸の前のポイントで固体オブジェクトに固定されている場合、2番目の波が反射して手に戻ります:(下の図）

反射波。

通常、送電線の目的は、ある地点から別の地点に電気エネルギーを運ぶことです。

信号が情報のみを目的としており、重要な負荷デバイスに電力を供給しない場合でも、理想的な状況は、元の信号エネルギーのすべてがソースから負荷に移動し、負荷によって完全に吸収または放散されることです。最大の信号対雑音比のために。

したがって、反射エネルギーはエンドデバイスに供給されないエネルギーであるため、反射波と同様に、伝送線路の長さに沿った「損失」は望ましくありません。

伝送線路での反射をなくす方法

負荷のインピーダンスがラインの特性（「サージ」）インピーダンスと正確に等しい場合、反射は伝送ラインから排除される可能性があります。

たとえば、開回路または短絡のいずれかである50Ω同軸ケーブルは、すべての入射エネルギーをソースに反射します。ただし、ケーブルの端に50Ωの抵抗が接続されている場合、反射エネルギーはなく、すべての信号エネルギーが抵抗によって消費されます。

これは、架空の無限長の伝送線路の例に戻ると、完全に理にかなっています。 50Ωの特性インピーダンスと無限の長さの伝送線路は、一端から測定した場合、50Ωの抵抗とまったく同じように動作します。 （下の図）

この線を有限の長さに切断すると、一定のDC電圧源に対して50Ωの抵抗のように短時間動作しますが、その後、どのような状態のままにするかによって、開回路または短絡のように動作します。ラインの端をカット：オープンまたはショート。 （下の図）

ただし、終了した場合 50Ωの抵抗を備えたラインの場合、ラインは再び50Ωの抵抗として無期限に動作します。これも無限の長さである場合と同じです:(下の図）

無限の伝送線路は抵抗のように見えます。

1マイルの送信。

短い伝送線路。

ラインは特性インピーダンスで終端されています。

本質的に、伝送線路の自然インピーダンスに一致する終端抵抗は、無限の長さの伝送線路と同じようにエネルギーを永遠に放散する能力を持っているため、ソースの観点からは線路を無限に長く「表示」します。エネルギーを永遠に吸収することができます。

反射波は、伝送線路が接続されていない（開いている）またはジャンパされている（短絡している）場合だけでなく、終端抵抗が伝送線路の特性インピーダンスと正確に等しくない場合にも現れます。

エネルギー反射は、わずかな不整合の終端インピーダンスで完全ではありませんが、部分的です。これは、終端抵抗がより大きいかどうかに関係なく発生します。 または less ラインの特性インピーダンスよりも。

反射波の再反射は、ソースエンドでも発生する可能性があります。 ソースの内部インピーダンス（テブナン等価インピーダンス）がラインの特性インピーダンスと正確に等しくない場合の伝送ラインの特性。

ソースインピーダンスがラインと一致する場合、ソースに戻る反射波は完全に消散しますが、ソースインピーダンスがラインと一致しない場合、少なくとも部分的に、別の入射波のようにライン端に向かって反射されます。

このタイプの反射は、ソースが別のパルスを送信したように見えるため、特に厄介な場合があります。

レビュー：

• 特性インピーダンスはサージインピーダンスとも呼ばれます 、任意の長さの伝送線路の一時的な抵抗動作のため。
• 有限長の伝送ラインは、DC電圧源からはしばらくの間一定の抵抗として表示され、その後、インピーダンスが何であれ、ラインはで終端されます。したがって、オープンエンドケーブルは、抵抗計で測定すると「オープン」と表示され、ケーブルの端が短絡すると「ショート」と表示されます。
• オープンエンドまたは短絡した伝送ラインの一方の端に印加される過渡（「サージ」）信号は、ラインの遠端で二次波として「反射」します。ソースから負荷まで伝送線路を伝わる信号は、入射波と呼ばれます。;伝送線路の端で「跳ね返った」信号は、負荷からソースに移動し、反射波と呼ばれます。 。
• 反射波は、特性インピーダンスと正確に一致しない抵抗で終端された伝送線路にも現れます。
• 有限長の伝送線路は、線路の特性インピーダンスと等しい値の抵抗で終端されている場合、無限に見えるようにすることができます。これにより、すべての信号反射が排除されます。
• ソースの内部インピーダンスがラインの特性インピーダンスと一致しない場合、反射波は伝送ラインのソース側で再反射される可能性があります。もちろん、この再反射された波は、ソースから送信された別のパルス信号のように見えます。