Impedanță complexă a undelor. Cablu coaxial, ce este? impedanta caracteristica

Impedanța caracteristică, sau impedanța, este rezistența pe care o întâlnește o undă electromagnetică atunci când se propagă de-a lungul oricărui sistem de ghidare omogen (adică fără reflexii), inclusiv perechea răsucită.

Este caracteristic acestui tip de cablu și depinde doar de parametrii și frecvența săi primari.

Impedanța caracteristică este legată de parametrii primari prin următoarea relație simplă:

Z=√((R+jωL)/(G+jωC))

Impedanța caracteristică este numeric egală cu impedanța de intrare a unei linii de lungime infinită, care are o sarcină terminală egală cu propria impedanță caracteristică. Se măsoară în ohmi și determină relația cantitativă dintre componentele electrice și magnetice ale unei unde electromagnetice. În cazul general, impedanța de undă este o mărime complexă, modulul său scade pe măsură ce frecvența crește și la frecvențe înalte tinde către o rezistență activă fixă:

Z ∞ =lim ω → ∞ √((R+jωL)/(G+jωC)) = √(L/C)

Cablurile perechi răsucite la frecvențe audio, adică atunci când transmit semnale telefonice, au o rezistență de aproximativ 600 ohmi pe măsură ce frecvența crește, aceasta scade rapid și la frecvențe de peste 1 MHz până la frecvența limită superioară a unui anumit cablu nu ar trebui să difere; de la 100 ohmi cu mai mult de + 15%.

Atenuare

Pe măsură ce semnalul electromagnetic se propagă pe un cablu torsadat, acesta își pierde treptat energia.

Acest efect se numește atenuare sau atenuare.

Atenuarea este de obicei evaluată în decibeli ca diferență între nivelurile semnalului la ieșirea emițătorului și la intrarea receptorului.

Un decibel corespunde unei modificări a puterii de 1,26 ori sau a tensiunii de 1,12 ori.

Se obișnuiește să se facă distincția între atenuarea intrinsecă și cea de funcționare a unui cablu.

Atenuarea intrinsecă a unui cablu se referă la atenuarea când funcționează în condiții ideale.

Într-o formă generalizată, valoarea sa poate fi definită teoretic ca partea reală a așa-numitului coeficient de propagare γ, care este legat de parametrii primari prin următoarea relație simplă:

γ=√((R+jωL)(G+jωC))

Experimental, atenuarea proprie a cablului poate fi determinată ca diferență între nivelurile semnalelor de intrare și de ieșire dacă rezistența sursei de semnal și sarcina sunt egale între ele și impedanța caracteristică a cablului.

În timpul funcționării efective, această condiție nu este îndeplinită în toate cazurile, care este de obicei însoțită de o creștere a atenuării.

Această atenuare se numește atenuare de lucru.

Din cele de mai sus, rezultă o concluzie practică importantă că, pentru a minimiza atenuarea de funcționare și a o aduce mai aproape de rezistența intrinsecă a sursei de semnal, iar sarcina trebuie să fie egală cu impedanța caracteristică, adică în terminologia ingineriei electrice, trebuie asigurată o sarcină egală atât a sursei de semnal, cât și a cablului în sine.

Din formula de mai sus rezultă că atenuarea este o mărime dependentă de frecvență și, ca toți parametrii incluși în ea, depinde de lungimea cablului.

Rezultatele analizei formulei arată că atenuarea este legată de lungimea perechii răsucite printr-o dependență liniară la toate frecvențele.

Pentru a simplifica calculele de inginerie, este convenabil să folosiți coeficientul de atenuare sau parametrul de atenuare liniară α, care este numeric egal cu atenuarea unui cablu de lungime fixă (pentru un cablu cu pereche răsucită, aceasta este de obicei 100 m).

Valorile coeficientului de atenuare α, lungimea L și atenuarea A sunt legate între ele prin următoarea relație simplă:

A |dB| = α |dB/100 m| x L |m|/100

Cu cât valoarea atenuării este mai mică, cu atât semnalul la intrarea receptorului este mai puternic și conexiunea este mai stabilă, toate celelalte lucruri fiind egale. Atenuarea este cauzată de rezistența activă și pierderile de izolație dielectrică. Radiația energiei electromagnetice și reflexiile au, de asemenea, o anumită contribuție la atenuare.

Orice conductor prin care curge curent alternativ este o sursă de radiație în spațiul înconjurător. Preia energie de la semnal și duce la o atenuare crescută a semnalului. Acest fenomen crește brusc odată cu creșterea frecvenței semnalului. La λ< а, где λ - длина волны электромагнитного сигнала, а - расстояние между проводами, большая часть энергии идет на излучение в окружающее пространство и передача в неэкранированной направляющей системе становится невозможной. Для стандартной витой пары величина параметра а имеет значение порядка 2 мм, то есть критическая частота для нее будет равна 15 ГГц, что на два порядка ниже рабочих частот самых совершенных витых пар (-150 МГц). С ростом частоты потери на электромагнитное излучение возрастают. Для минимизации потерь на излучение применяют балансную передачу и скрутку проводников в пары.

După cum sa menționat mai sus, într-un circuit simetric ideal nu există radiație electromagnetică. În practică, astfel de circuite simetrice ideale nu există. Faptul este că într-un astfel de circuit conductorii trebuie să fie infinit aproape unul de celălalt și, în limită, să fie trase într-o linie infinit de subțire, curentul total care circulă este egal cu zero. Conductoarele cu un diametru mai mic și o izolație mai subțire se potrivesc mai aproape. Cu toate acestea, o reducere excesivă a secțiunii transversale a conductorului și subțierea izolației duce la o creștere a atenuării datorită creșterii rezistenței active și a creșterii conductivității capacelor izolatoare.

Dependența de frecvență a parametrilor primari ai unui cablu electric

Din circuitul echivalent putem concluziona că atenuarea tinde să crească odată cu creșterea frecvenței. Acest lucru se datorează atât unei creșteri a rezistenței ramificației longitudinale, în principal din cauza elementului L, cât și unei scăderi a rezistenței ramificației transversale, care se datorează în principal prezenței capacității (elementul C). Conform standardului TIA/EIA-568-A, la o lungime de 100 m și la o temperatură de 20 ° C, răspunsul în frecvență A(f) a atenuării maxime admisibile, începând de la 0,772 MHz, pentru cablurile din categoriile 3 , 4 și 5 se determină conform expresiei următoare

A (f) = k1√f + k2f + k3√f,

A, dB - atenuarea maximă admisă

f, MHz - frecvența semnalului

k1, k2, k3 - constante determinate în funcție de categoria cablului (vezi tabelul de mai jos)

Pe lângă specificarea analitică a valorii de atenuare, standardul TIA/EIA-568-A definește și acest parametru în formă tabelară cu extinderea valorilor normalizate în regiunea de joasă frecvență. Acest lucru poate fi util atunci când se efectuează calcule de inginerie ale căilor de comunicație concepute pentru a sprijini funcționarea anumitor aplicații și, de asemenea, vă permite să obțineți imediat informațiile necesare fără a efectua calcule.

Atenuarea maximă admisă a cablurilor din categoriile 3,4 și 5 pe o lungime de 100 m la t=20ºС conform standardului TIA/EIA-568-A

Figura de mai sus prezintă dependențele de frecvență ale atenuării maxime admise a cablurilor de diferite categorii, calculate folosind formula de mai sus.

Aproximarea prin formulă s-a dovedit a fi foarte reușită și este destul de des folosită de mulți producători de cabluri pentru a descrie caracteristicile produselor lor. În acest caz, sunt acceptate propriile valori ale coeficienților k 1 -k 3, iar domeniul de aplicare se extinde la frecvențe de până la 400 și chiar 550 MHz.

Crosstalk

La transmiterea unui semnal, o parte din energia acestuia, din cauza echilibrării imperfecte a perechii răsucite, se transformă în radiație electromagnetică, care provoacă curenți induși în perechile adiacente. Acest efect se numește interferență tranzitorie. Interferența, suprapusă unor semnale utile transmise prin perechi vecine, poate duce la erori de recepție și, în cele din urmă, poate reduce calitatea comunicării.

Diferența dintre nivelurile semnalului transmis și interferența pe care o creează asupra perechii adiacente se numește atenuare de cuplare. În funcție de locația și metoda de măsurare a acestui parametru, se disting mai multe tipuri de atenuare tranzitorie, vezi figură, în care Ii indică curenții de interferență creați de diferite secțiuni ale perechii răsucite de influență în cea influențată.

Interferență tranzitorie la capetele apropiate (stânga) și îndepărtate (dreapta) ale unei perechi adiacente

Dacă sursa semnalului și punctul de măsurare sunt la același capăt, atunci vorbim despre atenuarea cuplării la capătul apropiat, dacă în puncte diferite, atunci vorbim despre atenuarea cuplajului la capătul îndepărtat. În tehnologia SCS, primul dintre ele are în mod tradițional denumirea NEXT (Near End Crosstalk), împrumutat din literatura tehnică în limba engleză, iar al doilea - FEXT (Far End Crosstalk). În literatura tehnică internă dedicată cablurilor de comunicații urbane și pe distanțe lungi, parametrii similari sunt desemnați A 0 și, respectiv, A 1.

Cu cât valorile NEXT și FEXT sunt mai mari, cu atât este mai scăzut nivelul de interferență în perechile adiacente și, în consecință, cu atât este mai mare calitatea cablului. Din punct de vedere practic, este de interes dependența de frecvență a atenuării tranziției la capetele apropiate și îndepărtate, precum și dependența acestor parametri de lungimea liniei. Perechea influență și perechea influențată sunt așezate în paralel sub o carcasă de protecție comună. Datorită acestui fapt, conductoarele lor pot fi considerate plăci ale unui condensator. Aceasta înseamnă că pe măsură ce frecvența crește, atenuarea cuplajului scade. Standardul TIA/EIA-568-A specifică valorile minime ale pierderii de cuplare la capătul apropiat pentru o lungime a cablului de 100 m Pentru a determina parametrul NEXT minim admis la frecvențe care depășesc 0,772 MHz, se utilizează următoarea expresie aproximativă:

NEXT(f) = NEXT(0,772) - 15 lg (f/0,772)

NEXT(0,772) - pierderea minimă admisă de cuplare la capătul apropiat la o frecvență de 0,772 MHz, care pentru cablurile din categoriile 3, 4 și 5 se presupune a fi de 43, 58 și, respectiv, 64 dB

f, MHz - frecvența semnalului.

În plus, standardul normalizează valorile NEXT la frecvențe sub 0,772 MHz, ceea ce poate fi necesar pentru unele aplicații. În acest caz, valorile normalizate sunt prezentate sub formă de tabel.

Rezultatele calculelor folosind formula de mai sus sunt prezentate în figură.

Valori maxime admise NEXT pentru cabluri de categoria 3, 4 și 5 la 100 m conform TIA/EIA-568-A

Însumarea componentelor individuale ale aceleiași frecvențe tranzitorii la capătul apropiat are loc cu diferite faze (tensiune). Prin urmare, graficul real al dependenței de frecvență a valorii NEXT are forma unei curbe asemănătoare zgomotului cu modificări bruște ale valorilor atenuării tranzitorii la frecvențe apropiate. Standardele standardizează doar valoarea minimă a parametrului NEXT, iar cablul este considerat a fi în conformitate cu cerințele standardului dacă, pe întregul interval de frecvență de funcționare, valoarea reală NEXT nu scade sub valoarea specificată de standarde.

O dependență tipică a atenuării cuplajului la capetele apropiate și îndepărtate de lungimea liniei este prezentată în figură.

Dependența atenuării tranziției la capetele îndepărtate și apropiate de lungimea liniei

Atenuarea tranzitorie la capătul apropiat odată cu creșterea lungimii liniei scade mai întâi ușor și apoi se stabilizează. O explicație calitativă a acestui efect este că, pornind de la o anumită lungime a liniei, curenții de interferență din secțiuni îndepărtate ajung la capătul apropiat atât de slăbit încât practic nu măresc influența reciprocă între circuite, iar valoarea NEXT rămâne constantă. Rezultă că valorile NEXT pentru cele două capete ale unei perechi pot diferi semnificativ unele de altele, prin urmare toate standardele necesită măsurarea acesteia pe ambele părți. Graficul atenuării cuplajului la capătul îndepărtat în funcție de lungimea liniei este extrem. Inițial, în timp ce lungimea liniei este mică, creșterea lungimii crește puterea de interferență. Pe măsură ce lungimea crește, începe să apară o creștere a atenuării componentelor de interferență, iar FEXT crește monoton.

Pentru a îmbunătăți parametrul NEXT în cablurile simetrice, sunt utilizate diferite pasi de perechi răsucite. Pe lângă slăbirea cuplării electromagnetice a perechilor individuale, această soluție nu le permite să se potrivească strâns împreună pe toată lungimea, ceea ce crește și mai mult atenuarea tranzitorie.

Este cunoscut faptul că echipamentele de rețea pentru diverse scopuri utilizează cablu simetric ca mediu de transmisie în moduri diferite. Prin urmare, în funcție de aplicația și metoda de utilizare a cablului, normalizarea mărimii diafoniei sau, echivalent, atenuării diafoniei se realizează diferit.

Cele mai populare rețele LAN în prezent sunt rețelele Ethernet. Când utilizați modul full duplex, emițătorul și receptorul funcționează simultan, iar acest echipament utilizează două perechi răsucite dintr-un singur cablu pentru a funcționa. Acest caz este prezentat schematic în figură.

La definiția NEXT

În acest caz, semnalul informațional, slăbit după trecerea prin perechea răsucită, interacționează la intrarea receptorului cu interferențe tranzitorii puternice ale emițătorului care funcționează la același capăt. Prin urmare, este suficient să normalizați următorul parametru:

NEXT = R s - max R p

Р с - nivelul semnalului,

R p - nivelul de interferență tranzitorie creat de acesta

Valoarea max P p este luată în cel mai rău caz, deoarece nu se știe dinainte care două perechi vor fi folosite de echipamentele de rețea pentru a organiza schimbul de informații.

Recent, la construirea echipamentelor de rețea, a existat o tendință clară de a folosi mai multe perechi pentru a transmite informații simultan (echipamente LAN 100Base-T4, 100VG AnyLAN și 1000Base-TX). Pe de altă parte, semnalele din mai multe aplicații sunt transportate din ce în ce mai mult pe un singur cablu cu mai multe perechi. În această situație, normalizarea doar a parametrului NEXT este insuficientă, deoarece receptorul este afectat simultan de mai multe surse de interferență. Pentru a ține cont de această împrejurare, se utilizează un model de calcul mai complex, care pentru un cablu cu 4 perechi are forma prezentată în figură (toate perechile acționează asupra uneia), iar așa-numitul parametru de putere totală (suma de putere) este normalizat.

La definiția PS-NEXT

Datorită distanțelor diferite dintre perechi, pasurilor de răsucire diferite etc. diferența dintre valorile NEXT și PS-NEXT se dovedește a nu fi de 4,8 dB, ci de aproximativ 2 dB.

În cele din urmă, în cele mai noi aplicații avansate, cum ar fi Gigabit Ethernet, intrarea receptorului și ieșirea transmițătorului sunt decuplate folosind un sistem diferențial. Acest lucru vă permite să utilizați simultan o pereche răsucită pentru recepția și transmiterea semnalelor. În această situație, pe lângă diafonia de la capătul apropiat, este necesar să se țină seama și de interferența de la capătul îndepărtat și să se normalizeze diafonia de la capătul îndepărtat în consecință:

FEXT=P c - max P p

P p - nivelul de interferență tranzitorie la capătul îndepărtat

La definiția PS-NEXT

Similar cu diafonia aproape, poate fi introdus și parametrul PS-FEXT. Similar cu diafonia la capătul apropiat, valoarea diafoniei totale la capătul îndepărtat poate fi normalizată. Diafonia la capătul îndepărtat este de obicei mai mică decât diafonia la capătul apropiat. Cu toate acestea, spre deosebire de interferența apropiată, aceste componente de interferență sunt adesea însumate în fază sau cu o mică diferență de fază, ceea ce le poate crește și mai mult puterea.

Și, în sfârșit, unii producători încep să standardizeze așa-numita diafonie globală GXT, care este egală cu suma diafoniei induse la ambele capete ale cablului.

În momentul de față, doar valorile NEXT și PS-NEXT sunt specificate de edițiile oficiale ale standardelor (aceasta din urmă valoare este dată pentru cablurile multi-perechi și combinate, valorile FEXT și GXT sunt standardizate printr-o limită). numarul de firme.

Securitate

Pentru a evalua calitatea transmisiei informațiilor în tehnologia de comunicație prin cablu, este utilizat pe scară largă parametrul imunitații la interferență sau pur și simplu securitate, care reprezintă diferența dintre nivelurile semnalului util și interferența la punctul în cauză.

La definiția NEXT

Pentru modelul de calcul, nivelul semnalului este P c = P per - A, iar nivelul de interferență tranzitorie este P pp = P per - NEXT. Securitatea conform definiției va fi egală cu:

adică depinde doar de valorile atenuării și atenuării tranziției.

Parametrul ACR determină cantitatea de interferență depășită de semnalul util și, prin urmare, este o caracteristică integrală a calității cablului. Abrevierea ACR folosită pentru a desemna securitate înseamnă atenuare la raportul de diafonie. Pe măsură ce valoarea ACR crește, toate celelalte lucruri fiind egale, raportul semnal-zgomot începe să crească, iar stabilitatea conexiunii crește în consecință. Deoarece NEXT și A depind de frecvență, ACR este, de asemenea, dependent de frecvență. ISO/IEC 11801 specifică valorile minime ACR pentru cablurile de Categoria 5 la frecvențe de 20 MHz și mai sus. TIA/EIA-568-A nu specifică în mod specific limitele ACR la frecvențe diferite, dar acestea pot fi calculate folosind formula ACR = NEXT - A. Rezultatele acestor calcule pentru cablurile de Categoria 3, 4 și 5 pe o lungime de 100 m sunt prezentate în figură.

Valori calculate ale parametrilor ACR minimi acceptabili conform standardului TIA/EIA-568-A pentru cabluri din categoriile 3,4 și 5 la o lungime de 100 m

Din această cifră se poate observa că, în cel mai rău caz, semnalul de la intrarea receptorului trebuie să depășească zgomotul de interferență de la perechea adiacentă cu cel puțin 10 dB, ceea ce este echivalent cu un raport semnal-zgomot de 3,16 ori mai mare decât tensiune sau de 10 ori puterea.

Introducerea parametrului ACR ne permite să precizăm conceptul de frecvență limită superioară a cablului. Cablurile cu perechi răsucite cu conectori de terminare sunt considerate a oferi o funcționare full-duplex stabilă pentru orice aplicație cu o limită de frecvență superioară de 10 dB ACR. Această poziție este evidențiată separat în figură.

Pentru a determina parametrul de securitate

Excepție de la această regulă sunt cablurile de Categoria 4, care au un ACR de 26 dB la 20 MHz. Cu toate acestea, frecvența limită superioară a aplicației nu trebuie confundată cu frecvența maximă a cablului la care producătorul își certifică parametrii, deoarece valorile ACR sunt adesea negative la această frecvență (acest lucru este deosebit de pronunțat pentru modelele neecranate cu un relativ scăzut NEXT). Necesitatea certificării parametrilor cablului la aceste frecvențe apare pentru a evalua posibilitatea utilizării acestuia pentru transmisia semi-duplex sau unidirecțională (simplex) a oricăror semnale, de exemplu televiziunea.

În cazul aplicațiilor de înaltă frecvență, care în timpul funcționării folosesc toate perechile răsucite pentru a transmite informații și simultan în două direcții, normalizarea doar a valorii ACR este insuficientă. Pentru a calcula componenta de interferență creată de interferența la capătul îndepărtat, se folosește o valoare similară cu ACR

Abrevierea ELFEXT folosită pentru a desemna acest parametru înseamnă Equal Lewel pentru Far End Crosstalk - nivelul echivalent de crosstalk la capătul îndepărtat.

Orice media transmite un semnal pe distanțe lungi folosind unde electromagnetice. Una dintre proprietățile unei astfel de unde este rezistența la undă. Deși unitățile caracteristice de rezistență sunt ohmii, nu este o rezistență „reala” care poate fi măsurată folosind echipamente speciale, cum ar fi un ohmmetru sau un multimetru.

Cel mai bun mod de a înțelege impedanța caracteristică este să vă imaginați un fir infinit de lung care nu creează unde reflectate sau inversate atunci când este încărcat. Crearea unei tensiuni alternative (V) într-un astfel de circuit va duce la apariția unui curent (I). Impedanța caracteristică (Z) în acest caz va fi numeric egală cu raportul:
Z = V/I
Acest lucru este valabil pentru vid. Dar dacă vorbim despre „spațiul real”, unde nu există un fir infinit de lung, ecuația ia forma legii lui Ohm pentru o secțiune a circuitului:
R = V/I

Circuitul de calcul al liniei de transmisie echivalentă

Pentru inginerii cu microunde, expresia generală care definește impedanța caracteristică este:
Z = R+j*w*L/G+j*w*C
Aici R, G, L și C sunt lungimile de undă nominale ale modelului liniei de transmisie. Trebuie remarcat faptul că, în general, impedanța undei poate fi un număr complex. O clarificare importantă este că acest caz este posibil numai dacă R sau G nu sunt zero. În practică, ei încearcă întotdeauna să obțină pierderi minime pe linia de transmisie a semnalului. Prin urmare, contribuția lui R și G la ecuație este de obicei ignorată și, în cele din urmă, valoarea cantitativă a rezistenței undei capătă o valoare foarte mică.

Rezistență internă

Impedanța caracteristică este prezentă chiar dacă nu există o linie de transmisie. Este asociat cu propagarea undelor în orice mediu omogen. Rezistența internă este o măsură a raportului dintre câmpul electric și câmpul magnetic. Se calculează la fel ca în liniile de transmisie. Presupunând că nu există nicio conductivitate sau rezistență „reală” în mediu, ecuația se reduce la o formă pătratică simplă:
Z = SQRT(L/C)
În acest caz, inductanța pe unitate de lungime este redusă la permeabilitatea mediului, iar capacitatea pe unitate de lungime este redusă la constanta dielectrică.

Rezistenta la vid

În spațiu, permeabilitatea relativă a mediului și constanta dielectrică sunt întotdeauna constante. Astfel, ecuația rezistenței interne este simplificată la ecuația pentru rezistența la undă a vidului:
n = SQRT(m/e)
Aici m este permeabilitatea vidului, iar e este constanta dielectrică a mediului.
Valoarea impedanței de vid este o valoare constantă și este aproximativ egală cu 120 picoohmi.

46851

Există o prejudecată persistentă și, s-ar putea spune chiar, o concepție greșită în rândul multor oameni cu privire la cablurile de înaltă frecvență. În calitate de dezvoltator de antene, care este și șeful unei companii care le produce, sunt în mod constant afectat de această întrebare. Voi încerca să pun capăt acestei probleme odată pentru totdeauna și să închid subiectul utilizării cablurilor de 75 ohmi în loc de 50 ohmi în scopul transmiterii semnalelor de putere redusă. Voi încerca să nu plictisesc cititorul cu termeni și formule complexe, deși un anumit minim de matematică este încă necesar pentru a înțelege problema.

În ingineria radio de joasă frecvență, pentru a transmite un semnal cu parametri de curent-tensiune dați, avem nevoie de un conductor care are anumite proprietăți de izolație față de mediu și rezistență liniară, astfel încât în punctul de primire a semnalului de joasă frecvență să primim un semnal suficiente pentru prelucrarea ulterioară. Cu alte cuvinte, orice conductor are rezistență și este de dorit ca această rezistență să fie cât mai mică posibil. Aceasta este o condiție simplă pentru tehnica de joasă frecvență. Pentru semnale cu putere de transmisie redusă ne este suficient un fir subțire pentru semnale cu putere mare, trebuie să alegem un fir mai gros.

Spre deosebire de tehnologia radio de joasă frecvență, în tehnologia de înaltă frecvență trebuie luați în considerare mulți alți parametri. Fără îndoială, ca și în tehnologia LF, ne interesează puterea și rezistența transmise prin mediul de transmisie. Ceea ce numim de obicei rezistența liniei de transmisie la frecvențe joase se numește pierdere la frecvențe înalte. La frecvențe joase, pierderile sunt determinate în primul rând de rezistența liniară proprie a liniei de transmisie, în timp ce la HF apare așa-numitul efect Skin. Efectul pielii - duce la faptul că curentul deplasat de un câmp magnetic de înaltă frecvență curge doar de-a lungul suprafeței conductorului, sau mai degrabă în stratul său subțire de suprafață. Din această cauză, se poate spune că secțiunea transversală efectivă a conductorului scade. Acestea. în condiții egale, pomparea aceleiași puteri la frecvențe joase și înalte necesită fire de secțiuni diferite. Grosimea stratului de piele depinde de frecvență cu creșterea frecvenței, grosimea stratului de piele scade, ceea ce duce la pierderi mai mari decât la frecvențe mai mici. Efectul pielii este prezent cu curent alternativ de orice frecvență. Pentru claritate, voi da câteva exemple.

Deci, pentru un curent cu o frecvență de 60 de herți, grosimea stratului de piele este de 8,5 mm. Iar pentru un curent de 10 MHz, grosimea stratului de piele va fi de numai 0,02 mm. Nu este o diferență izbitoare? Și pentru frecvențe de 100, 1000 sau 2000 MHz, grosimea stratului conductor va fi și mai mică! Fără a intra în matematică, voi spune că grosimea stratului de piele depinde, în primul rând, de conductivitatea specifică a conductorului și de frecvență. Prin urmare, pentru a transmite puterea maximă posibilă către HF, trebuie să luăm un cablu cu cea mai mare suprafață a miezului central. Mai mult, având în vedere că la frecvențele de microunde grosimea stratului de piele este mică, nu trebuie neapărat să folosim un cablu solid de cupru. Probabil nici nu veți observa diferența de la utilizarea unui cablu cu un conductor central din oțel acoperit cu un strat subțire de cupru. Cu excepția cazului în care va fi mai rigid la îndoire. Desigur, este de dorit să existe un strat mai gros de cupru pe conductorul de oțel. Există, desigur, avantaje în utilizarea cablului de cupru solid, acesta este mai flexibil și poate transporta mai multă putere la frecvențe mai mici. De asemenea, tensiunea de alimentare de curent continuu a preamplificatoarelor este adesea transmisă prin cablu coaxial și, de asemenea, cablul de cupru nu are concurență. Dar pentru transmiterea unei puteri mici de cel mult 10-200 mW la un cuptor cu microunde, din punct de vedere economic, folosirea cablului placat cu cupru ar fi mai justificată. Vom presupune că problema alegerii între cablurile placate cu cupru și cablurile din cupru a fost închisă.

Pentru a înțelege diferențele dintre cabluri în ceea ce privește impedanța caracteristică, nu vă voi spune care este impedanța caracteristică a unui cablu. Destul de ciudat, acest lucru nu este necesar pentru a înțelege diferența. Mai întâi, să ne dăm seama de ce există cabluri cu impedanțe caracteristice diferite. În primul rând, acest lucru este legat de istoria formării ingineriei radio. În zorii ingineriei radio, alegerea materialelor izolatoare pentru cablurile coaxiale era foarte limitată. În zilele noastre, în mod normal, percepem prezența unei game uriașe de materiale plastice, dielectrice spumate, cauciuc cu proprietăți conductor sau ceramică. Cu 80 de ani în urmă, nimic din toate acestea nu exista. A existat cauciuc, polietilenă, parafină, bachelită și fluoroplastic (cunoscut și sub numele de teflon) a fost inventat în anii 30. Impedanța caracteristică a cablurilor este determinată de raportul dintre diametrele conductorului interior central și diametrul exterior al cablului.

Mai jos este nomograma.

Grosimea conductorului central este determinată de capacitatea sa de a transmite cea mai mare putere. Diametrul exterior este selectat în funcție de dielectricul utilizat - umplutura situată între cei doi conductori. Folosind nomograma, devine clar că gama de impedanțe ale undelor de cablu convenabile pentru producția industrială se află în intervalul 25 - 100 ohmi.

Deci, unul dintre criterii este fabricabilitatea. Următorul criteriu este puterea maximă transmisă. Omițând matematica, voi spune că pentru a transmite putere maximă folosind dielectricii cei mai folosiți, impedanța optimă a undei este în intervalul 20-30 Ohmi. În același timp, impedanțelor de undă de 50-75 Ohmi corespund atenuării minime. Mai mult, cablurile cu o impedanță caracteristică de 75 ohmi au o atenuare mai mică decât cablurile cu o impedanță caracteristică de 50 ohmi. Devine mai mult sau mai puțin clar că este mai profitabil să folosești un cablu de 75 Ohmi pentru transmiterea puterilor mici și 50 Ohmi pentru transmiterea puterilor mari.

Acum consider că este necesar să luăm în considerare problema mai puțin importantă a coordonării liniei de transport. Pur și simplu voi încerca să răspund la întrebări despre dacă este posibil să conectați un cablu de 75 ohmi în loc de unul de 50 ohmi.

Înțelegerea problemelor de coordonare necesită cunoștințe speciale în inginerie radio. Prin urmare, ne vom limita doar la a afirma faptele. Dar faptele sunt că pentru a transmite un semnal cu pierderi minime, rezistența internă a sursei de semnal trebuie să fie egală cu impedanța caracteristică a cablului. În același timp, impedanța caracteristică a cablului trebuie să fie egală cu impedanța caracteristică a sarcinii. Cu alte cuvinte, sursa semnalului este transmițătorul, sarcina este antena. Să ne uităm la câteva situații în care, pentru simplitate, vom considera cablul ideal fără pierderi, iar puterea transmisă prin cablu este mică - până la 100-200 miliwați (20 dBm).

Să luăm în considerare o situație în care impedanța de ieșire a transmițătorului este de 50 ohmi, conectăm la el un cablu de 50 ohmi și o antenă de 75 ohmi. În acest caz, pierderile vor fi de 4% din puterea de ieșire. Este prea mult? Răspunsul este ambiguu. Cert este că în ingineria radio HF funcționează în principal cu cantități logaritmice reduse la decibeli. Și dacă 4% este convertit în decibeli, atunci pierderea în linie va fi de numai 0,18 dB.

Dacă conectăm un transmițător cu ieșire de 50 Ohm la un cablu de 75 Ohm și apoi la o antenă de 50 Ohm. În acest caz, 8% din putere este pierdută. Dar aducând această valoare la decibeli, se dovedește că pierderea va fi de numai 0,36 dB.

Acum să ne uităm la atenuarea tipică a cablului pentru o frecvență de 2000 MHz. Și să comparăm ce este mai bine de utilizat: 20 de metri de cablu de 75 ohmi sau 20 de metri de cablu de 50 de ohmi.

Atenuarea la 20 de metri pentru binecunoscutul cablu scump Radiolab 5D-FB este de 0,3 * 20 = 6 dB.

Atenuarea la 20 de metri pentru un cablu Cavel SAT703 de înaltă calitate este de 0,29 * 20 = 5,8 dB.

Ținând cont de pierderea nepotrivită - 0,36 dB, constatăm că câștigul din utilizarea unui cablu de 50 Ohm este de doar 0,16 dB. Acest lucru corespunde aproximativ la 2 metri suplimentari de cablu.

Acum să comparăm prețul. 20 de metri de cablu Radiolab 5D-FB costă, în cel mai bun caz, aproximativ 80*20=1600 de ruble. În același timp, 20 de metri de cablu Cavel SAT703 costă 25*20=500 de ruble. Diferența de preț este de 1100 de ruble. foarte vizibil. Avantajele cablurilor de 75 Ohm includ, de asemenea, ușurința de tăiere și accesibilitatea conectorilor. Prin urmare, dacă cineva începe din nou să fie deștept și vă spune că nu există nicio modalitate de a folosi un cablu de 75 Ohmi pentru un modem 3G, atunci cu conștiința curată trimiteți-l la... sau la mine pentru minunatele noastre antene. Vă mulțumim pentru atenție.

Caracteristici ale propagării ultrasunetelor în țesuturile corpului uman.

Gama de frecvente.

Urechea umană percepe vibrațiile elastice ale mediului doar într-o măsură limitată.

Împărțirea în ultrasunete, sunet și infrasunete este arbitrară. Această împărțire se bazează pe proprietate

Unde infrasonice cu o frecvență sub limita inferioară a sunetului audibil.

Dar, prin natura lor, undele ultrasonice nu diferă de undele sonore și, de asemenea

Limita sunetului audibil.

Din punct de vedere fizic, corpul uman este un mediu eterogen cu zone de densități și proprietăți acustice diferite, separate prin suprafețe de fază în zone diferite.

Când ultrasunetele trec prin corpul uman, apar următoarele caracteristici:

1) Viteza ultrasunetelor în țesuturile corpului uman depinde de tipul de țesut și de mediul de țesut. Valorile sale (m/s) pentru țesături individuale sunt următoarele:

ficat 1570

2) Țesuturile corpului uman se împrăștie puternic și reflectă ultrasunetele. Motivul este eterogenitatea morfologică a țesuturilor, prezența interfețelor multiple,
diferențe de impedanță acustică. De exemplu, acustic
Rezistența craniului și a sângelui diferă de 3,5 ori.

3) În țesuturile corpului uman, unda ultrasonică este puternic atenuată datorită absorbției sale. Exemplu: coeficientul de absorbție al craniului este de 14 ori mai mare decât coeficientul de absorbție al creierului.

Impedanța caracteristică este rezistența pe care o întâlnește o undă electromagnetică atunci când se propagă de-a lungul unei linii uniforme fără reflexie:

unde U p și I p sunt tensiunea și curentul undei incidente;

U from și I from sunt aceleași cu unda reflectată.

Astfel, mărimea impedanței undei nu depinde de lungimea liniei de cablu și este constantă în orice punct al circuitului.

În general, impedanța undei este o mărime complexă și poate fi exprimată prin părțile reale și imaginare:

În tabel 3-1 prezintă formulele pentru calcularea Z în α θ β.

Impedanța caracteristică a unui cablu coaxial sau unic într-o manta metalică

Pentru materialele izolante a căror constantă dielectrică este aproape independentă de frecvență,

unde 3335,8 este o constantă acceptată de IEC este factorul de scurtare a lungimii de undă.

La calcularea cablurilor de radiofrecvență se depune eforturi pentru a obține un design optim, care să ofere caracteristici electrice ridicate cu cel mai mic consum de materiale. De exemplu, atunci când se utilizează cupru pentru conductoarele interioare și exterioare ale unui cablu RF, atenuarea minimă este atinsă la un raport , ohm, puterea electrică maximă - at , ohm și putere maximă transmisă - at , ohm.

Precizia și stabilitatea parametrilor cablului depind de toleranțele diametrelor conductorilor interior și exterior și de stabilitatea lui ε.

Dependența impedanței caracteristice a unui cablu simetric de frecvență este prezentată în Fig. 3-7. Modulul impedanței undei Z B scade cu o schimbare a frecvenței de la f = 0 și rămâne neschimbat în întreaga regiune de înaltă frecvență. Unghiul de impedanță a undei este zero la f = 0 și la frecvențe înalte. La frecvențele tonale (f ≈ 800 Hz) unghiul de impedanță a undei este cel mai mare. În liniile de cablu predomină componenta capacitivă a impedanței undei și, prin urmare, unghiul de impedanță a undei este întotdeauna negativ și nu depășește 45° ca valoare.

Într-o linie de cablu care este uniformă ca caracteristici electrice pe toată lungimea de la generator la receptor, cu o sarcină la capete având o rezistență egală cu rezistența undei (Z r = Z n = Z B), toată energia electromagnetică transmisă este absorbit complet de receptor fără reflexie.

În liniile neuniforme și cu sarcini de neegalat, undele reflectate apar în locuri de inconsecvență electrică și o parte din energie se întoarce la începutul liniei. Energia transmisă cu o sarcină nepotrivită este semnificativ mai mică decât cu o sarcină potrivită.

Undele reflectate distorsionează răspunsul în frecvență al impedanței caracteristice a cablului. În acest caz, la intrarea liniei nu este o impedanță de undă, ci o impedanță de intrare Zin.

Relația dintre energia furnizată receptorului și energia reflectată depinde de rezistența receptorului Z B și de rezistența undei Z B și se caracterizează prin coeficientul de reflexie

Cu o sarcină potrivită (Z n = Z in), coeficientul de reflexie este zero și energia este complet absorbită de receptor. În timpul unui scurtcircuit (Z n = 0) și al modului fără sarcină (Z n = ∞), coeficienții de reflexie sunt egali cu - 1 și, respectiv, + 1.

Pentru a asigura o bună calitate a comunicației și transmisiei de televiziune prin cablu coaxial, este necesar ca abaterea impedanței caracteristice ΔZ să nu depășească 0,45 ohmi, ceea ce corespunde coeficientului de reflexie.

Ca urmare a deformărilor sau a prezenței excentricității în locația conductorului intern în raport cu conductorul extern, parametrii cablului pot fi distribuiți neuniform pe lungimea acestuia. În locurile neomogenităților apar abateri ale rezistenței undei față de cea nominală.

Impedanța caracteristică a cablurilor spiralate (cabluri cu întârziere)

Impedanța caracteristică a cablurilor bicoaxiale (cu ecrane individuale peste izolație) se calculează folosind formulele pentru cablurile coaxiale; este egală cu suma impedanţelor caracteristice ale ambelor cabluri.

Impedanța caracteristică a unui cablu simetric în domeniul de frecvență f = 15.000 kHz și mai mult:

neprotejat

ecranat

Rezistența de intrare Zin este rezistența la intrarea liniei la orice rezistență de sarcină la capătul acesteia și este exprimată prin raportul de tensiune U 0 la curentul I o la începutul liniei:

Unde .

Tabelul 3 - 1

Formule aproximative pentru calcularea parametrilor de transmisie secundari ai cablurilor de comunicație

Domeniul de aplicare al formulelor	Relația dintre R și ωL	Formule de calcul
α, nep/km	β, rad/km	Z in, ohm
Curent continuu (f = 0)	ωL = 0
Frecvențele tonale (f< 800 гц)
Frecvențe înalte și cabluri cu inductanță ridicată
Frecvențe intermediare

Impedanța undelor

în acustică, într-un mediu gazos sau lichid - raport presiune acustică Rîntr-o undă plană de călătorie (vezi undele) la viteză v vibrații ale particulelor mediului. V. s. caracterizează gradul de rigiditate al mediului (adică capacitatea mediului de a rezista la formarea deformațiilor) în modul de undă de călătorie. V. s. nu depinde de forma de undă și este exprimată prin formula: p/v= ρ c, unde ρ este densitatea mediului, Cu - viteza sunetului. V. s. reprezintă impedanţa mediului acustic pentru undele plane. Termenul „V. Cu." introdus prin analogie cu V. s. în teoria liniilor electrice; în acest caz, presiunea corespunde tensiunii, iar viteza de deplasare a particulelor corespunde curentului electric.

V. s. - cea mai importantă caracteristică a unui mediu care determină condițiile de reflexie și refracție a undelor la limita acestuia. Când o undă plană este incidentă în mod normal pe o interfață plană între două medii, coeficientul de reflexie este determinat doar de raportul V.s. aceste medii; dacă V. s. mediile sunt egale, atunci unda trece de graniță fără reflectare. Conceptul de V. s. poate fi folosit și pentru un corp solid (pentru unde elastice longitudinale și transversale într-un corp solid nemărginit și pentru unde longitudinale într-o tijă), determinând VS. ca raport dintre solicitarea mecanică corespunzătoare (vezi Stress), luată cu semnul opus, la viteza particulelor mediului.

Reflecţie- procesul fizic de interacțiune a undelor sau particulelor cu o suprafață, o schimbare a direcției frontului de undă la limita a două medii cu proprietăți diferite, în care frontul de undă revine la mediul din care a provenit. Concomitent cu reflectarea undelor la interfața dintre medii, de regulă, are loc refracția undelor (cu excepția cazurilor de reflexie internă totală).

În acustică, reflexia provoacă ecouri și este folosită în sonar. În geologie, joacă un rol important în studiul undelor seismice. Reflecția este observată pe undele de suprafață în corpurile de apă. Reflecția este observată cu multe tipuri de unde electromagnetice, nu doar cu lumina vizibilă. Reflectarea undelor radio VHF și cu frecvență mai înaltă este importantă pentru transmisiile radio și radar. Chiar și razele X dure și razele gamma pot fi reflectate la unghiuri mici față de suprafață de oglinzile special create. În medicină, reflectarea ultrasunetelor la interfețele dintre țesuturi și organe este utilizată atunci când se efectuează diagnosticarea cu ultrasunete.

Cantitativ, coeficientul de reflexie este egal cu raportul dintre fluxul de radiație reflectat de corp și fluxul incident asupra corpului:

Suma coeficientului de reflexie și a coeficienților de absorbție, transmisie și împrăștiere este egală cu unitatea. Această afirmație decurge din legea conservării energiei.

În cazurile în care spectrul radiației incidente este atât de îngust încât poate fi considerat monocromatic, vorbim de monocromatic coeficient de reflexie. Dacă spectrul de radiații incidente asupra unui corp este larg, atunci se numește uneori coeficientul de reflectanță corespunzător integrală.

În general, valoarea reflectanței unui corp depinde atât de proprietățile corpului însuși, cât și de unghiul de incidență, compoziția spectrală și polarizarea radiației. Datorită dependenței de reflectanța suprafeței unui corp de lungimea de undă a luminii incidente pe acesta, corpul este perceput vizual ca fiind colorat într-o culoare sau alta.

1. Raza incidentă, raza reflectată și perpendiculara la punctul de incidență se află în același plan

2. Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie

BAZELE CALCULULUI ELECTRIC AL CABLURILOR ȘI SIRMELOR

Impedanța caracteristică este rezistența pe care o întâmpină o undă electromagnetică atunci când se propagă de-a lungul unei linii uniforme fără reflexie, egală cu:

în intervalul de frecvență tonală (f = 800 Hz):

Impedanța caracteristică a unui cablu coaxial (sau unic) într-o manta metalică

unde 3335.8 este o constantă adoptată de comitetul tehnic 40–2 IEC; א - raportul vitezelor de propagare;

unde Zк și Zк+1 sunt impedanța caracteristică a două secțiuni diferite ale cablului, ohmi; Zav - valoarea medie a impedanței undei, ohm; Δ Z/2 - abaterea medie aritmetică a rezistenței undei de la valoarea medie.

Impedanța caracteristică a cablurilor spiralate (întârzieri)

ecranat

pe curent continuu

în regiunea de înaltă frecvență (f = 30 kHz și mai sus)

de 2.718 ori

În cablurile RF, atenuarea este de obicei exprimată în decibeli. O atenuare de 1 bel corespunde unei scăderi a puterii la ieșirea liniei de cablu de 10 ori în comparație cu puterea la intrare

Relații între unitățile de măsură

Atenuarea cablului coaxial RF

Dacă conductorii interior și exterior ai cablului sunt din cupru (ρ 1 = ρ 2 = 0,0175 ohm*mm2/m, μ 1= μ 2=1)

Tabelul 2-10

Atenuarea cablurilor de comunicație coaxiale:

Atenuarea cablului coaxial cu izolație șaibă din polietilenă:

Atenuarea cablurilor de comunicație:

la transmiterea frecventelor vocale (f = 800 Hz)

La calcularea atenuării cablurilor cu izolație din materiale de înaltă frecvență, în care al doilea termen are o valoare mică și este neglijat, atenuarea

unde a este atenuarea admisibilă a liniei de cablu, int. Standardele existente limitează atenuarea maximă admisă pentru liniile telefonice de joasă frecvență (LF) la 3,3 np, iar pentru liniile de înaltă frecvență (HF) la 6-7 np. Raza de comunicare maximă admisă prin linii de cablu trunchi

unde τ este timpul de tranzit admisibil al semnalului, ms; Conform standardelor Comitetului Consultativ Internațional, timpul de călătorie al semnalelor de la un abonat la altul nu trebuie să depășească 250 ms, iar pentru liniile de cablu conectate la autostrăzile internaționale - 100 ms, T este timpul de călătorie a semnalului pe o secțiune de 1 km a linia, ms/km.

← Anterior | Următorul → ... cuprins...

www.proelectro2.ru

Lecții despre circuite electrice - linii de transmisie

Înainte de a începe să citiți articolul, încercați să vă gândiți la întrebarea: va curge curentul dacă conectați un fir foarte lung la o baterie (mai mult de 300 de mii de kilometri, supraconductor), dacă capetele opuse ale firului nu sunt conectate nicăieri? Câți amperi? După ce ați citit acest articol, veți înțelege semnificația rezistenței undelor. Din prelegerile despre teoria undelor, am învățat doar că rezistența undelor este rezistență la valuri. Majoritatea studenților păreau să înțeleagă exact același lucru. Adică nimic.

Acest articol este o traducere foarte liberă a acestei cărți: Lecții în circuite electrice

Articole înrudite: Pe Habré: Există contact, nu există semnal. Coș de gunoi pe Wikipedia: Linie lungă

cablu de 50 ohmi?

La începutul pasiunii mele pentru electronică, am auzit adesea despre impedanța caracteristică a unui cablu coaxial de 50Ω. Un cablu coaxial este format din două fire. Sârmă centrală, izolator, împletitură, izolator. Impletitura acopera complet conductorul central. Acest fir este folosit pentru a transmite semnale slabe, iar împletitura protejează semnalul de interferențe.

Am fost nedumerit de această inscripție - 50 Ω. Cum pot doi conductori izolați să aibă o rezistență de 50 Ω unul față de celălalt? Am măsurat rezistența dintre fire și am văzut, așa cum era de așteptat, un circuit deschis. Rezistența cablului de la o parte la alta este zero. Indiferent cum am conectat ohmmetrul, nu am putut obține o rezistență de 50 ohmi. Ceea ce nu am înțeles atunci a fost cum reacționează cablul la impulsuri. Desigur, ohmetrul funcționează cu curent continuu și arată că conductoarele nu sunt conectate între ele. Cu toate acestea, cablul, datorită influenței capacității și inductanței distribuite pe toată lungimea sa, acționează ca un rezistor. Și la fel ca într-un rezistor obișnuit, curentul este proporțional cu tensiunea. Ceea ce vedem ca o pereche de conductori este un element important de circuit în prezența semnalelor de înaltă frecvență. În acest articol veți afla ce este o linie de comunicare. Multe efecte de linie nu apar atunci când funcționează cu curent continuu sau la o frecvență de linie de 50 Hz. Cu toate acestea, în circuitele de înaltă frecvență, aceste efecte sunt destul de semnificative. Aplicarea practică a liniilor de transmisie este în comunicațiile radio, în rețelele de calculatoare și în circuitele de joasă frecvență pentru protecția împotriva supratensiunii sau a loviturilor de trăsnet.

Firele și viteza luminii

Luați în considerare următoarea diagramă. Circuitul este închis - lampa se aprinde. Circuitul este deschis - lampa se stinge. De fapt, lampa nu se aprinde instantaneu. Ea măcar trebuie să devină fierbinte. Dar nu pe asta vreau să mă concentrez. Deși electronii se mișcă foarte lent, ei interacționează unul cu celălalt mult mai repede - cu viteza luminii. Ce se va întâmpla dacă lungimea firelor este de 300 mii km? Deoarece electricitatea este transmisă la o viteză finită, firele foarte lungi vor introduce întârziere. Neglijând timpul de încălzire a lămpii și rezistența firelor, lampa se va aprinde la aproximativ 1 secundă după pornirea comutatorului. Deși construirea unor linii electrice supraconductoare de această lungime ar pune probleme practice enorme, este posibil teoretic, așa că experimentul nostru de gândire este fezabil. Când întrerupătorul este oprit, lampa va continua să primească energie pentru încă 1 secundă. O modalitate de a imagina mișcarea electronilor într-un conductor este ca vagoanele de tren. Mașinile în sine se mișcă încet, abia începând să se miște, iar unda ambreiajului se transmite mult mai repede.

O altă analogie, poate mai potrivită, sunt valurile în apă. Obiectul începe să se miște orizontal de-a lungul suprafeței. Un val va fi creat datorită interacțiunii moleculelor de apă. Valul se va mișca mult mai repede decât se mișcă moleculele de apă.

Electronii interacționează cu viteza luminii, dar se mișcă mult mai lent, ca molecula de apă din imaginea de mai sus. Cu un circuit foarte lung, devine vizibilă o întârziere între apăsarea comutatorului și aprinderea lămpii.

impedanta caracteristica

Să presupunem că avem două fire paralele de lungime infinită, fără bec la capăt. Va curge curent când întrerupătorul este închis? Chiar dacă firul nostru este un supraconductor, nu putem neglija capacitatea dintre fire:

Să conectăm alimentarea la fir. Curentul de încărcare a condensatorului este determinat de formula: I = C(de/dt). În consecință, o creștere instantanee a tensiunii ar trebui să genereze un curent infinit. Cu toate acestea, curentul nu poate fi infinit, deoarece există inductanță de-a lungul firelor, ceea ce limitează creșterea curentului. Căderea de tensiune în inductanță respectă formula: E = L(dI/dt). Această cădere de tensiune limitează fluxul maxim de curent.

Deoarece electronii interacționează cu viteza luminii, unda va călători cu aceeași viteză. Astfel, creșterea curentului în inductori și procesul de încărcare a condensatorilor vor arăta astfel:

Ca urmare a acestor interacțiuni, curentul prin baterie va fi limitat. Deoarece firele sunt nesfârșite, capacitatea distribuită nu se va încărca niciodată, iar inductanța nu va permite curentului să crească la nesfârșit. Cu alte cuvinte, firele se vor comporta ca o sarcină constantă. Linia de transmisie se comportă ca o sarcină constantă la fel ca un rezistor. Pentru sursa de alimentare, nu are nicio diferență unde curge curentul: într-un rezistor sau într-o linie de transmisie. Impedanța (rezistența) acestei linii se numește impedanță caracteristică și este determinată numai de geometria conductorilor. Pentru firele paralele izolate cu aer, impedanța caracteristică se calculează după cum urmează:

Pentru un fir coaxial, formula pentru calcularea impedanței undei arată ușor diferită:

Dacă materialul izolator nu este un vid, viteza de propagare va fi mai mică decât viteza luminii. Raportul dintre viteza reală și viteza luminii se numește factor de scurtare. Coeficientul de scurtare depinde numai de proprietățile izolatorului și se calculează folosind următoarea formulă:

Impedanța caracteristică este cunoscută și ca impedanță caracteristică. Formula arată că impedanța caracteristică crește pe măsură ce distanța dintre conductori crește. Dacă conductorii sunt îndepărtați unul de celălalt, capacitatea lor devine mai mică și inductanța distribuită crește (efectul neutralizării a doi curenți opuși este mai mic). Mai puțină capacitate, mai multă inductanță => mai puțin curent => mai multă rezistență. Și invers, apropierea firelor duce la o capacitate mai mare, o inductanță mai mică => mai mult curent => o impedanță caracteristică mai mică. Excluzând efectele scurgerii de curent prin dielectric, impedanța caracteristică respectă următoarea formulă:

Linii de transmisie cu lungime finită

Liniile de lungime infinită sunt o abstractizare interesantă, dar sunt imposibile. Toate liniile au o lungime finită. Dacă acea bucată de cablu RG-58/U de 50 ohmi pe care am măsurat-o cu un ohmmetru în urmă cu câțiva ani ar fi fost de lungime infinită, aș fi înregistrat o rezistență de 50 ohmi între firele interioare și exterioare. Dar această linie nu era infinită și era măsurată ca deschisă, cu o rezistență infinită. Cu toate acestea, impedanța caracteristică este, de asemenea, importantă atunci când lucrați cu fire de lungime limitată. Dacă linia este aplicată o tensiune tranzitorie, va curge un curent egal cu raportul dintre tensiune și impedanța caracteristică. Este doar legea lui Ohm. Dar nu va acționa la infinit, ci pentru o perioadă limitată de timp. Dacă există o întrerupere la capătul liniei, atunci curentul va fi oprit în acel punct. Și această oprire bruscă a curentului va afecta întreaga linie. Imaginați-vă un tren care coboară șinele cu slăbiciune în cuplaje. Dacă se lovește de un perete, nu se va opri dintr-o dată: mai întâi prima, apoi a doua mașină etc.

Semnalul care se propagă de la sursă se numește undă incidentă. Propagarea unui semnal de la sarcină înapoi la sursă se numește undă reflectată. Odată ce grămada de electroni de la capătul liniei se propagă înapoi la baterie, curentul din linie se oprește și se comportă ca un circuit deschis normal. Toate acestea se întâmplă foarte repede pentru linii de lungime rezonabilă, astfel încât ohmetrul să nu aibă timp să măsoare rezistența. Nu are timp să prindă perioada de timp în care circuitul se comportă ca un rezistor. Pentru un cablu kilometric cu un factor de scurtare de 0,66, semnalul se propagă doar 5,05 µs. Unda reflectată călătorește înapoi la sursă pentru aceeași cantitate, adică un total de 10,1 μs. Instrumentele de mare viteză sunt capabile să măsoare acest timp între trimiterea semnalului și sosirea reflexiei pentru a determina lungimea cablului. Această metodă poate fi folosită și pentru a determina dacă unul sau ambele fire de cablu sunt rupte. Astfel de dispozitive se numesc reflectometre pe cablu. Principiul de bază este același cu cel al sonarelor cu ultrasunete: generarea unui impuls și măsurarea timpului până la ecou. Un fenomen similar are loc în cazul unui scurtcircuit: când unda ajunge la capătul liniei, este reflectată înapoi, deoarece tensiunea nu poate exista între cele două fire conectate. Când unda reflectată ajunge la sursă, sursa vede că a avut loc un scurtcircuit. Toate acestea se întâmplă în timpul de propagare a semnalului acolo + timpul înapoi. Un experiment simplu ilustrează fenomenul de reflexie a undelor. Luați frânghia așa cum se arată în imagine și trageți-o. Valul va începe să se propage până când se stinge complet din cauza frecării.

Este ca o coadă lungă cu pierderi. Nivelul semnalului va scădea pe măsură ce vă deplasați de-a lungul liniei. Cu toate acestea, dacă al doilea capăt este atașat de un perete solid, va apărea o undă reflectată:

De obicei, scopul unei linii de transmisie este de a transporta un semnal electric de la un punct la altul. Reflecțiile pot fi eliminate dacă terminatorul de linie este exact egal cu impedanța caracteristică. De exemplu, o linie deschisă sau scurtată va reflecta întregul semnal înapoi la sursă. Dar dacă conectați un rezistor de 50 ohmi la capătul liniei, atunci toată energia va fi absorbită de rezistor. Toate acestea au sens dacă ne întoarcem la linia noastră infinită ipotetică. Se comportă ca un rezistor constant. Dacă limităm lungimea firului, atunci se va comporta ca un rezistor doar pentru o perioadă, apoi - ca un scurtcircuit sau un circuit deschis. Cu toate acestea, dacă punem un rezistor de 50 ohmi la capătul liniei, acesta se va comporta din nou ca o linie infinită.

În esență, un rezistor la capătul unei linii egal cu impedanța caracteristică face ca linia să fie infinită din punctul de vedere al sursei, deoarece un rezistor poate disipa pentru totdeauna energie la fel cum liniile infinite pot absorbi energie. Unda reflectată, revenind înapoi la sursă, poate fi reflectată din nou dacă impedanța caracteristică a sursei nu este exact egală cu impedanța caracteristică. Acest tip de reflexie este deosebit de periculos, deoarece face să pară ca și cum sursa a transmis impulsul.

Linii de transmisie scurte și lungi

În circuitele DC, impedanța caracteristică este de obicei ignorată. Chiar și cablul coaxial în astfel de circuite este utilizat numai pentru protecție împotriva interferențelor. Acest lucru se datorează timpilor scurti de propagare în comparație cu perioada semnalului. După cum am învățat în capitolul anterior, linia de transmisie se comportă ca un rezistor până când unda reflectată revine înapoi la sursă. După acest timp (10,1 µs pentru un cablu kilometric), sursa vede rezistența totală a circuitului. Dacă un semnal de joasă frecvență este transmis către circuit, sursa vede impedanța caracteristică pentru o perioadă, apoi impedanța totală a liniei. Știm că mărimea semnalului nu este egală pe toată lungimea liniei din cauza propagării la viteza luminii (aproape). Dar faza semnalului de joasă frecvență se modifică ușor în timpul de propagare a semnalului. Deci, putem presupune că tensiunea și faza semnalului în toate punctele liniei sunt egale. În acest caz putem considera că linia este scurtă deoarece timpul de propagare este mult mai mic decât perioada semnalului. În schimb, o linie lungă este aceea în care, în timpul propagării, forma semnalului reușește să se schimbe pentru cea mai mare parte a fazei sau chiar să transmită mai multe perioade de semnal. Liniile lungi sunt considerate a fi acelea când faza semnalului se modifică cu mai mult de 90 de grade în timpul propagării. Până acum în această carte am luat în considerare doar linii scurte. Pentru a determina tipul de linie (lung, scurt), trebuie să comparăm lungimea acesteia și frecvența semnalului. De exemplu, perioada unui semnal cu o frecvență de 60 Hz este de 16,66 ms. La propagarea cu viteza luminii (300 mii km/s), semnalul va parcurge 5000 km. Dacă coeficientul de scurtare este mai mic de 1, atunci viteza va fi mai mică de 300 mii km/s, iar distanța va fi mai mică cu aceeași cantitate. Dar chiar dacă utilizați factorul de scurtare a cablului coaxial (0,66), distanța va fi totuși mare - 3300 km! Indiferent de lungimea cablului, aceasta se numește lungime de undă. O formulă simplă vă permite să calculați lungimea de undă: o linie lungă este una care se potrivește cu cel puțin ¼ din lungimea de undă. Și acum puteți înțelege de ce toate rândurile erau scurte. Pentru sistemele de alimentare cu curent alternativ de 60 Hz, lungimea cablului trebuie să depășească 825 km pentru ca efectele de propagare a semnalului să devină semnificative. Cablurile de la amplificatorul audio la difuzoare trebuie să aibă o lungime mai mare de 7,5 km pentru a avea un impact semnificativ asupra semnalului audio de 10 kHz! Când aveți de-a face cu sisteme RF, problema lungimii liniei de transmisie este departe de a fi banală. Luați în considerare un semnal radio de 100 MHz: lungimea sa de undă este de 3 metri chiar și la viteza luminii. Linia de transmisie trebuie să aibă o lungime mai mare de 75 cm pentru a fi considerată lungă. Cu un factor de scurtare de 0,66, această lungime critică este de numai 50 cm Când o sursă electrică este conectată la o sarcină printr-o linie de transmisie scurtă, impedanța sarcinii domină. Adică, atunci când linia este scurtă, impedanța caracteristică nu afectează comportamentul circuitului. Putem vedea asta când testăm un cablu coaxial cu un ohmmetru: vedem o întrerupere. Deși linia se comportă ca un rezistor de 50 ohmi (cablu RG/58U) pentru o perioadă scurtă de timp, după acest timp vom vedea o pauză. Deoarece timpul de reacție al ohmmetrului este mult mai mare decât timpul de propagare a semnalului, vedem o pauză. Această viteză foarte mare de propagare a semnalului nu ne permite să detectăm rezistența de contact de 50 ohmi cu un ohmmetru. Dacă folosim cablu coaxial pentru a transmite curent continuu, cablul va fi considerat scurt și impedanța sa caracteristică nu va afecta funcționarea circuitului. Vă rugăm să rețineți că o linie scurtă va fi orice linie în care schimbarea semnalului este mai lentă decât se deplasează semnalul de-a lungul liniei. Aproape orice lungime fizică a cablului poate fi scurtă în ceea ce privește impedanța și undele reflectate. Folosind un cablu pentru a transmite un semnal de înaltă frecvență, puteți estima lungimea liniei în diferite moduri. Dacă sursa este conectată la sarcină prin linii lungi de transmisie, impedanța sa caracteristică domină impedanța sarcinii. Cu alte cuvinte, linia lungă electric acționează ca componentă principală a circuitului, iar proprietățile sale domină pe cele ale sarcinii. Sursa este conectată la un capăt al cablului și transmite curent la sarcină, dar curentul se duce în primul rând nu la sarcină, ci la linie. Acest lucru devine din ce în ce mai adevărat cu cât linia noastră este mai lungă. Să ne uităm la ipoteticul nostru cablu infinit de 50 ohmi. Indiferent de sarcina pe care o conectăm la celălalt capăt, sursa va vedea doar 50 ohmi. În acest caz, rezistența liniei este decisivă, iar rezistența la sarcină nu va conta. Cel mai eficient mod de a minimiza efectul lungimii liniei de transmisie este de a încărca linia cu rezistență. Dacă impedanța de sarcină este egală cu impedanța caracteristică, atunci orice sursă va vedea aceeași impedanță, indiferent de lungimea liniei. Astfel, lungimea liniei va afecta doar întârzierea semnalului. Cu toate acestea, o potrivire completă a rezistenței la sarcină și a rezistenței la val nu este întotdeauna posibilă. Următoarea secțiune discută liniile de transmisie, mai ales când lungimea liniei este egală cu partea fracțională a undei. Sper că ați clarificat fizica de bază a funcționării cablurilor. Din păcate, următorul capitol este foarte lung. Cartea se citește dintr-o suflare și la un moment dat trebuie să te oprești. Pentru prima postare, cred că este suficient. Vă mulțumim pentru atenție.

Continuat aici

Etichete:

electricitate
Lecții de circuite electrice

geektimes.ru

impedanta caracteristica

Impedanța caracteristică este rezistența pe care o întâlnește o undă electromagnetică atunci când se propagă de-a lungul unei linii uniforme fără reflexie:

unde U p și I p sunt tensiunea și curentul undei incidente;

U from și I from sunt aceleași cu unda reflectată.

Astfel, mărimea impedanței undei nu depinde de lungimea liniei de cablu și este constantă în orice punct al circuitului.

În general, impedanța undei este o mărime complexă și poate fi exprimată prin părțile reale și imaginare:

În tabel 3-1 prezintă formulele pentru calcularea Z în α θ β.

Impedanța caracteristică a unui cablu coaxial sau unic într-o manta metalică

Pentru materialele izolante a căror constantă dielectrică este aproape independentă de frecvență,

unde 3335,8 este constanta adoptată de IEC; - factor de scurtare a lungimii de undă.

La calcularea cablurilor de radiofrecvență se depune eforturi pentru a obține un design optim, care să ofere caracteristici electrice ridicate cu cel mai mic consum de materiale. Deci, de exemplu, atunci când se utilizează cuprul pentru conductorii interni și externi ai unui cablu de radiofrecvență, atenuarea minimă se realizează la un raport de ohmi, rezistența dielectrică maximă la ohmi și puterea maximă transmisă la ohmi.

Precizia și stabilitatea parametrilor cablului depind de toleranțele diametrelor conductorilor interior și exterior și de stabilitatea lui ε.

Dependența impedanței caracteristice a unui cablu simetric de frecvență este prezentată în Fig. 3-7. Modulul impedanței undei Z B scade cu o schimbare a frecvenței de la f = 0 la și rămâne neschimbat în întreaga regiune de înaltă frecvență. Unghiul de impedanță a undei este zero la f = 0 și la frecvențe înalte. La frecvențele tonale (f ≈ 800 Hz) unghiul de impedanță a undei este cel mai mare. În liniile de cablu predomină componenta capacitivă a impedanței undei și, prin urmare, unghiul de impedanță a undei este întotdeauna negativ și nu depășește 45° ca valoare.

Relația dintre energia furnizată receptorului și energia reflectată depinde de rezistența receptorului Z B și de rezistența undei Z B și se caracterizează prin coeficientul de reflexie

Impedanța caracteristică a cablurilor spiralate (cabluri cu întârziere)

Impedanța caracteristică a unui cablu simetric în domeniul de frecvență f = 15.000 kHz și mai mult:

neprotejat

ecranat

Rezistența de intrare Zin este rezistența la intrarea liniei la orice rezistență de sarcină la capătul acesteia și este exprimată prin raportul dintre tensiunea U 0 și curentul I o la începutul liniei:

Tabelul 3 - 1

Formule aproximative pentru calcularea parametrilor de transmisie secundari ai cablurilor de comunicație

www.proelectro.ru

Calculul impedanței undei este foarte important în ingineria radio și în electronică. Găsirea valorii corecte pentru această valoare ajută la determinarea distanței maxime de transmisie a semnalului și vă spune cât de mult trebuie să fie amplificat pentru a obține cea mai bună calitate a recepției.

Cel mai bun mod de a înțelege ce este impedanța caracteristică este să vă imaginați un fir infinit de lung care nu creează unde reflectate sau inversate atunci când este încărcat. Crearea unei tensiuni alternative (V) într-un astfel de circuit va duce la apariția unui curent (I). Impedanța caracteristică (Z) în acest caz va fi numeric egală cu raportul:

Această formulă este valabilă pentru vid. Dar dacă vorbim despre „spațiul real”, unde nu există un fir infinit de lung, ecuația ia forma legii lui Ohm pentru o secțiune a circuitului:

R = V/IFPentru inginerii cu microunde, expresia generală care determină impedanța caracteristică este: Z = R+j*w*L/G+j*w*CHAre R, G, L și C sunt lungimile de undă nominale ale liniei de transmisie model. Trebuie remarcat faptul că, în general, impedanța undei poate fi un număr complex. O clarificare importantă este că acest caz este posibil numai dacă R sau G nu sunt zero. În practică, ei încearcă întotdeauna să obțină pierderi minime pe linia de transmisie a semnalului. Prin urmare, contribuția lui R și G la ecuație este de obicei ignorată și, în cele din urmă, valoarea cantitativă a impedanței caracteristice devine foarte mică. Impedanța caracteristică este prezentă chiar dacă nu există o linie de transmisie. Este asociat cu propagarea undelor în orice mediu omogen. Rezistența internă este o măsură a raportului dintre câmpul electric și câmpul magnetic. Se calculează la fel ca în liniile de transmisie. Presupunând că nu există conductivitate sau rezistență „reala” în mediu, ecuația se reduce la o formă pătratică simplă: Z = SQRT(L/C) În acest caz, inductanța pe unitatea de lungime se reduce la permeabilitatea mediului, iar capacitatea pe unitate de lungime se reduce la constanta dielectrică În spațiu, permeabilitatea relativă a mediului și constanta dielectrică sunt întotdeauna constante. Astfel, ecuația rezistenței interne este simplificată la ecuația pentru rezistența la undă a vidului: n = SQRT(m/e) Aici m este permeabilitatea vidului, iar e este constanta dielectrică a mediului.

Valoarea impedanței de vid este o valoare constantă și este aproximativ egală cu 120 picoohmi.

Imprimare

Ce este impedanța undelor