[Circuit] Transmission line

電路知識:Transmission line
工具:Qucs
線上模擬

簡介:Transmission line 的推導

α:衰減常數 (attenuation constant) , napper/m
β:相位常數 (phase constant) , rad/m
V(z)=Vfeγz+VreγzI(z)=IfeγzIreγzγ=α+jβ=(R+jwL)(G+jwC)vphase=z2z1t2t1=wβ=c=fλλ=2πβZ0=VfIf=VrIr=R+jwLγ=R+jwLG+jwC
假設一段無限短傳輸線的等效電路,如圖
R=/m
L=H/m
G=S/m
C=F/m
viRΔzLΔzdidt=v+ΔvVIRΔzjwLΔzI=V+ΔVIRΔzjwLΔzI=ΔVIRjwLI=ΔVΔzΔVΔz=(R+jwL)IiGΔz(v+Δv)CΔzd(v+Δv)dt=i+ΔiIGΔz(V+ΔV)jwCΔz(V+ΔV)=I+ΔIGΔz(V+ΔV)jwCΔz(V+ΔV)=ΔIG(V+ΔV)jwC(V+ΔV)=ΔIΔzΔIΔz=(G+jwC)(V+ΔV)ΔV0ΔI0Δz0
{dV(z)dz=(R+jwL)I(z)dI(z)dz=(G+jwC)V(z){d2V(z)dz2=(R+jwL)dI(z)dz=(R+jwL)(G+jwC)V(z)d2I(z)dz2=(G+jwC)dV(z)dz=(G+jwC)(R+jwL)I(z){d2V(z)dz2γ2V(z)=0d2I(z)dz2γ2I(z)=0γ=(R+jwL)(G+jwC) 利用 Laplace 轉換解二階微方
f(x)γ2f(x)=0s2F(s)sf(0)f(0)γ2F(s)=0(s2γ2)F(s)=sf(0)+f(0)F(s)=sf(0)+f(0)(s2γ2)F(s)=Asγ+Bs+γA=(F(s)×(sγ))(γ)=(sf(0)+f(0)s+γ)(γ)=γf(0)+f(0)γ+γ=γf(0)+f(0)2γB=(F(s)×(s+γ))(γ)=(sf(0)+f(0)sγ)(γ)=γf(0)+f(0)γγ=γf(0)+f(0)2γ=γf(0)f(0)2γF(s)=γf(0)+f(0)2γsγ+γf(0)f(0)2γs+γf(x)=γf(0)+f(0)2γeγx+γf(0)f(0)2γeγx 目前只能到這步,因不知初始條件無法解
猜測當初也是觀察而來,且是在負載端,所以 z=0 才會在負載端,利用公式反推初始條件
V(0)=Vf+VrV(0)=γVf+γVrI(0)=IfIrI(0)=γIfγIr 可得公式,eγz 項表示波沿 +z 方向傳播;反之,eγz 項為波沿著 -z 方向傳播
因波只會隨著距離加長而減弱
V(z)=Vfeγz+VreγzI(z)=IfeγzIreγzeγz 單獨拿出來,轉回時域
v(z)=Vfeγzv(z,t)=Vfejwteγz=Vfejwteαzjβz=Vfeαz+j(wtβ)z 可以發現 wtβ 便是相位速度,也就是波前進的速度
或從單一點來看,是這點來回振盪的速度。為何會振盪,因為波通過此點
因光速為定值
wt1βz1=wt2βz2vphase=z2z1t2t1=wβ=c=fλλ=2πβ 那麼特徵阻抗 (Characteristic Impdance)呢?
dV(z)dz=(R+jwL)I(z)I(z)=1R+jwLdV(z)dz=1R+jwL(γVfeγz+γVreγz)=γR+jwL(VfeγzVreγz)=(R+jwL)(G+jwC)R+jwL(VfeγzVreγz)=G+jwCR+jwL(VfeγzVreγz)=IfeγzIreγzZ0=VfIf=VrIr=R+jwLγ=R+jwLG+jwC 故特徵阻抗 (Characteristic Impdance) 不算是認知上的阻抗,而是運算過程中,得到類似阻抗的解

特別情況
無損耗傳輸線
γ=α+jβ=jwLC{α=0β=wLCvphase=1LCλ=2πwLCZ0=LC
γ=α+jβ=(R+jwL)(G+jwC)=(0+jwL)(0+jwC)=jwLC{α=0β=wLCvphase=wβ=1LCλ=2πβ=2πwLCZ0=R+jwLG+jwC=0+jwL0+jwC=LC

有終端負載的傳輸線

反射係數 Γ
Γ(z=0)=ZLZ0ZL+Z0Γ(z)=VrVfe2γz=Γ(z=0)e2γzZin(z)=ZL(eγz+eγz)+Z0(eγzeγz)ZL(eγzeγz)+Z0(eγz+eγz)Z0=ZLcosh(γz)Z0sinh(γz)ZLsinh(γz)+Z0cosh(γz)Z0
任意點的反射係數,也就是往前的波跟往後的波的比例
Γ(z)=VreγzVfeγz=VrVfe2γz 那麼在 z=0 的反射係數呢? V(z)=Vfeγz+VfeγzI(z)=IfeγzIreγz=VfZ0eγzVrZ0eγz ZL=V(z=0)I(z=0)=Vf+VrIfIr=Vf+VrVfVrZ0(VfVr)ZL=(Vf+Vr)Z0Vf(ZLZ0)=Vr(ZL+Z0)Vr=ZLZ0ZL+Z0Vf=Γ(z=0)VfVrVf=Γ(z=0)=ZLZ0ZL+Z0 任意點的反射係數可被重寫
Γ(z)=VrVfe2γz=Γ(z=0)e2γzΓ(z=l)=VrVfe2γ(l)=Γ(z=0)e2γl 那麼 Zin(z) 呢?
Zin(z)=V(z)I(z)=Vfeγz+VreγzIfeγzIreγz=Vfeγz+VreγzVfZ0eγzVrZ0eγz=Vfeγz+VreγzVfeγzVreγzZ0=Vf(eγz+Γ(z=0)eγz)Vf(eγzΓ(z=0)eγz)Z0=1+Γ(z=0)e2γz1Γ(z=0)e2γzZ0=1+ZLZ0ZL+Z0e2γz1ZLZ0ZL+Z0e2γzZ0=ZL+Z0+(ZLZ0)e2γzZL+Z0(ZLZ0)e2γzZ0=ZL(1+e2γz)+Z0(1e2γz)ZL(1e2γz)+Z0(1+e2γz)Z0=ZL(eγz+eγz)+Z0(eγzeγz)ZL(eγzeγz)+Z0(eγz+eγz)Z0=ZL(2cosh(γz))+Z0(2sinh(γz))ZL(2sinh(γz))+Z0(2cosh(γz))Z0=ZLcosh(γz)Z0sinh(γz)ZLsinh(γz)+Z0cosh(γz)Z0
若傳輸線長度為 l or
Γ(z=l)=Γ(z=0)e2γlΓ(z=)=0Zin(z=0)=2ZL2Z0Z0=ZLZin(z=l)=ZL(eγl+eγl)+Z0(eγleγl)ZL(eγleγl)+Z0(eγl+eγl)Z0Zin(z=)=ZL+Z0ZL+Z0Z0=Z0

模擬結果
簡單範例
之前推導的皆是穩態 (因有轉換為 Phasor domain,穩態原因)
  1. 以暫態來看,Power 一開始送出,不會知道導線多長,所以會認為導線無限長
    此時 Zin(z=)=Z0,電壓會是分壓下的結果 1×150200=0.75V
  2. 訊號到達負載端,因 V(0)=Vf+Vr=Vf+Γ(z=0)Vf
    故負載電壓為 0.75+0.75×50150200=0.375V,反射電壓為 0.75×50150200=3.75V
  3. 訊號又回到起點,因可看作從負載端送來 Vf,仍可使用 V(0)=Vf+Vr=Vf+Γ(z=0)Vf
    故起點為 3.75+(3.75)×50150200=0.1875V,反射電壓為 3.75×50150200=0.1875V
從範例可知特徵阻抗 (Characteristic Impdance) 不完全算是阻值,比較像是能量傳遞的介質

並聯範例
  1. 以暫態來看,Power 一開始送出,不會知道導線多長,又無電阻,所以全力送出 1V
  2. 到達 vin2 時,因後兩端導線長度未知,所以會認為導線無限長
    此時因 Zin(z=)=Z0Zin=50+50//50=75Ω
    vin2=Vf+Vr=Vf+Γ(z=0)Vf=1.2V
    反射電壓為 Γ(z=0)Vf=755075+50×1=0.2V
    因電阻分壓 vmid=1.2×50//50Zin=0.4V
  3. 到達 vout1 & vout2 時,因阻抗匹配,故完全接受為 0.4V

特別情況
波長 λ 線長 l
γ=α+jβ=α+j2πλZ0=R+jwLγ=R+jwLα+j2πλZin(z)=ZL(eγz+eγz)+Z0(eγzeγz)ZL(eγzeγz)+Z0(eγz+eγz)Z0=ZL(e(α+j2πλ)z+e(α+j2πλ)z)+Z0(e(α+j2πλ)ze(α+j2πλ)z)ZL(e(α+j2πλ)ze(α+j2πλ)z)+Z0(e(α+j2πλ)z+e(α+j2πλ)z)Z0λz=ZL(eαz+eαz)+Z0(eαzeαz)ZL(eαzeαz)+Z0(eαz+eαz)Z0V(z)=Vfeγz+Vreγz=Vfe(α+j2πλ)z+Vre(α+j2πλ)zλz=Vfeαz+VreαzΓ(z)=Γ(z=0)e2γz=Γ(z=0)e2(α+j2πλ)zλz=Γ(z=0)e2αz 若為無損耗傳輸線 α=0
Zin(z)=2ZL2Z0Z0=ZLΓ(z)=Γ(z=0)V(z)=Vf+Vr=Vf(1+Γ(z=0)) 即然在源端看到的負載 Zin(l)=ZL 跟負載端一致,所以分壓會是正確的
V(z)z 無關,所以整條線上都是同樣的電壓,也就是正確的分壓
常見的經驗方法認為如果電纜或者電線的長度大於波長的1/10,則需被作為傳輸線處理

參考

傳輸線理論與阻抗匹配
傳輸線模型
Transmission Line vs Lumped Element

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