Phản xạ đường truyền. Tôi muốn một lời giải thích phi toán học

Tôi là một đài phát thanh nghiệp dư được cấp phép, và thấy hoang mang với nhiều lời giải thích khác nhau, từ huyền thoại đô thị folksy đến phương trình Maxwell-Heaviside, về những gì xảy ra khi chấm dứt đường truyền hoặc bộ nạp. Tôi nhận ra rằng tất cả họ đều đến cùng một điều cuối cùng (hoặc nên làm, chơi chữ hoàn hảo), nhưng không ai trong số họ cho tôi cảm giác ruột thịt về những gì đang diễn ra.

Tôi thích sơ đồ, vì vậy một câu trả lời về các pha (đồ họa) cho dòng điện và điện áp ở tải sẽ phù hợp với tôi nhất. Làm thế nào, ví dụ, một bước xung xuống dòng gây ra điện áp gấp đôi khi chấm dứt mạch mở? Tương tự cho dòng điện ở ngắn mạch. Và làm thế nào là bước phản ánh được tạo ra bởi độ tự cảm và điện dung của dòng?

Bất cứ ai có thể giúp đỡ, mà không nhận được tất cả toán học, và không nói bất kỳ "lời nói dối với trẻ em"?

OK, với những gì đáng giá, đây là cách tôi hình dung nó.

Như bạn nói, một đường truyền có cả điện dung phân tán và điện cảm phân tán, kết hợp với nhau tạo thành trở kháng đặc tính Z ₀ . Giả sử chúng ta có một nguồn điện áp bước có trở kháng đầu ra Z _S khớp với Z ₀ . Trước t = 0, tất cả các điện áp và dòng điện đều bằng không.

Tại thời điểm bước xảy ra, điện áp từ nguồn tự chia đều cho Z _S và Z ₀ , do đó điện áp ở đầu dòng đó là V _S / 2. Điều đầu tiên cần phải xảy ra là bit điện dung đầu tiên cần phải được nạp vào giá trị đó, đòi hỏi một dòng điện chạy qua bit điện cảm đầu tiên. Nhưng điều đó ngay lập tức làm cho bit điện dung tiếp theo được tích điện qua bit điện cảm tiếp theo, v.v. Một sóng điện áp đẩy xuống dòng, với dòng điện chạy phía sau nó, nhưng không đi trước nó.

Nếu đầu xa của dòng bị chấm dứt với tải có cùng giá trị với Z ₀ , khi sóng điện áp đến đó, tải ngay lập tức bắt đầu vẽ một dòng điện khớp chính xác với dòng điện đã chạy trong dòng. Không có lý do cho bất cứ điều gì để thay đổi, vì vậy không có phản ánh trong dòng.

Tuy nhiên, giả sử đầu xa của dòng là mở. Khi sóng điện áp đến đó, không có nơi nào cho dòng điện chạy phía sau nó đi, do đó, điện tích "chồng chất" ở bit điện dung cuối cùng cho đến khi điện áp đến điểm có thể dừng dòng điện cuối cùng bit của cuộn cảm. Điện áp cần thiết để làm điều này xảy ra chính xác gấp đôi điện áp đến, tạo ra điện áp nghịch đảo trên bit tự cảm cuối cùng phù hợp với điện áp bắt đầu dòng điện ở vị trí đầu tiên. Tuy nhiên, bây giờ chúng ta có V _S ở cuối dòng, trong khi hầu hết các dòng chỉ được tính cho V _S / 2. Điều này gây ra một sóng điện áp di chuyển theo hướng ngược lại và khi nó truyền đi, dòng điện vẫn chảy về phía trướccủa sóng được giảm xuống zero đằng sau làn sóng, để lại dòng đằng sau nó tính vào V _S . (Một cách nghĩ khác về điều này là sự phản xạ tạo ra một dòng điện ngược chính xác hủy bỏ dòng chuyển tiếp ban đầu.) Khi sóng điện áp phản xạ này đến nguồn, điện áp trên Z _S đột nhiên giảm xuống 0, và do đó dòng điện giảm xuống 0 , quá. Một lần nữa, mọi thứ giờ đã ở trạng thái ổn định.

Bây giờ, nếu đầu xa của dòng bị ngắn (thay vì mở) khi sóng tới, chúng ta có một ràng buộc khác: Điện áp không thể thực sự tăng, và dòng điện chỉ chảy vào ngắn. Nhưng bây giờ chúng ta có một tình huống không ổn định khác: Điểm cuối của dòng là 0V, nhưng phần còn lại của dòng vẫn được tính vào V _s / 2. Do đó, dòng điện bổ sung chảy vào dòng ngắn và dòng điện này bằng V _S / 2 chia cho Z ₀ (xảy ra bằng với dòng điện ban đầu chảy vào dòng). Một sóng điện áp (bước từ V _S/ 2 xuống 0V) di chuyển theo hướng ngược lại và dòng điện phía sau sóng này gấp đôi dòng ban đầu trước nó. (Một lần nữa, bạn có thể coi đây là sóng điện áp âm hủy sóng dương ban đầu.) Khi sóng này đến nguồn, cực nguồn được dẫn đến 0V, điện áp nguồn đầy đủ được thả qua Z _S và dòng qua Z _S bằng dòng điện bây giờ chảy trong dòng. Tất cả đã ổn định trở lại.

Có ai trong số này giúp đỡ? Một lợi thế của việc hình dung điều này về mặt điện tử thực tế (trái ngược với các chất tương tự liên quan đến dây thừng, trọng lượng hoặc thủy lực, v.v.), là nó cho phép bạn dễ dàng suy luận về các tình huống khác, chẳng hạn như điện dung gộp, điện cảm hoặc tải điện trở không khớp được gắn vào đường truyền.

Dưới đây là một loạt các thí nghiệm hoặc thí nghiệm suy nghĩ nếu bạn thích.

1) Lấy một sợi dây dài được giữ ở hai đầu bởi hai người bạn và giữ chặt. Đứng ở giữa và yêu cầu người ở một đầu đưa ra một sợi dây nhanh chóng theo chiều dọc, gửi một xung xuống sợi dây cho người kia. Khi sóng truyền qua bạn (ở giữa), bạn sẽ nhận thấy rằng sóng chỉ truyền qua bạn. Không có phản xạ (tại thời điểm đó). Bạn sẽ nhận thấy rằng các đặc điểm của dây là giống hệt nhau trước và sau vị trí của bạn. Đây là trường hợp trở kháng phù hợp không có quá trình chuyển đổi, do đó không có phản xạ.

2) lấy cùng một sợi dây, buộc nó vào một vị trí cố định tại một bức tường cứng nhắc. Yêu cầu bạn của bạn gửi một xung xuống dây và quan sát sóng khi nó đến gần, nó chạm vào vị trí cố định và sau đó phản xạ lại. Bạn sẽ nhận thấy rằng khi nó phản ánh nó đảo ngược. Điều này tương đương với một ngắn. Sợi dây bật lên, nhưng không thể di chuyển vì nó được neo, năng lượng được lưu trữ trong năng lượng đàn hồi làm giật dây trở lại (đảo ngược xung)

3) Lấy cùng một sợi dây và buộc một sợi dây rất, rất nhẹ vào nó. Một lần nữa, hai người bạn của bạn đứng ở mỗi đầu và giữ dây / dây căng và có một xung phóng xuống dây. Khi chuyển đổi giữa dây / chuỗi, xung sẽ phản xạ, nhưng không bị đảo ngược. Đây là một ví dụ về một mạch mở. Sợi dây bật lên, nhưng năng lượng không thể đi vào chuỗi (hay đúng hơn là ít năng lượng hơn) vì khối lượng của chuỗi ít hơn rất nhiều. Vì vậy, đầu dây tăng lên, năng lượng được lưu trữ trong năng lượng tiềm năng và sau đó đơn giản tiêu tan bằng cách rơi xuống gửi sóng trở lại dòng.

Trong ống dẫn sóng, năng lượng đang chuyển từ từ (dòng điện) sang điện (điện áp) khi sóng truyền đi. Khi kết thúc mở, dòng điện không thể chảy nên năng lượng ở dạng điện áp. Trong một thời gian ngắn, điện áp không thể được biểu thị (nó là ngắn - hoặc đẳng thế) để năng lượng đi vào các vòng hiện tại cục bộ.

Tôi thích nghĩ về một đường truyền là một tập hợp các trọng số bằng nhau được kết nối với các lò xo phù hợp. Khi một xung nén được tiêm ở một đầu, mỗi trọng lượng sẽ đẩy lên trọng lượng tiếp theo theo cách đẩy hoặc kéo từ trọng lượng "ngược dòng" được cân bằng chính xác bằng một lực kéo hoặc đẩy từ trọng lượng "xuôi dòng", để lại từng trọng lượng bất động sau khi sóng đi qua.

Nếu điểm cuối của đường truyền không thể di chuyển, thì hiệu quả là lò xo không thể di chuyển "đẩy lùi" mạnh gấp đôi so với khi nó có thể di chuyển. Một nửa số xô đó chống lại xô từ sóng trước và nửa còn lại dùng để đẩy trọng lượng trước theo hướng ngược lại với chuyển động trước đó. Hiệu ứng ròng là sóng nén được truyền trở lại.

Nếu phần cuối của đường truyền chỉ đơn giản là "mở", thì hiệu quả là trọng lượng cuối cùng sẽ không chuyển đến điểm xuất phát sau khi truyền năng lượng của nó sang trọng lượng tiếp theo, nhưng khi đạt đến điểm xuất phát thì nó sẽ vẫn có tất cả năng lượng mà nó đã nhận được từ trọng lượng trước đó. Tại thời điểm đó, quán tính và động lượng sẽ khiến nó tiếp tục vượt qua điểm đó và "kéo" một cách hiệu quả ở trọng lượng trước đó với tất cả năng lượng mà trọng lượng trước đó đã nạp vào nó. Điều này có hiệu quả sẽ tạo ra một làn sóng căng thẳng trở lại vào mùa xuân.

Video Bell Labs hấp dẫn này thể hiện đẹp mắt chuyển động sóng, SWR và các phần khớp trở kháng trên một thiết bị để bàn hoàn toàn cơ học mà không cần toán học . Nó được trình bày theo cách mà ngay cả một giáo dân cũng có thể hiểu những khái niệm này.

• Sự phản xạ của sóng từ các đầu tự do và kẹp
• Chồng chất
• Sóng đứng và cộng hưởng
• Mất năng lượng do không khớp trở kháng
• Giảm tổn thất năng lượng bằng máy biến áp phần tư sóng và phần côn