Линия передачи бесконечной длины – это, конечно, замечательно, но физически невозможно. Все линии передачи имеют некоторую конечную длину и поэтому не ведут себя так, как бесконечная линия.
Если бы тот кусок кабеля «RG-58/U» на 50 Ом, который я измерил омметром несколько лет назад, был бесконечно длинным, я бы действительно получил сопротивление 50 Ом между внутренним и внешним проводниками. Но его длина была не бесконечной, поэтому он измерялся как «разомкнутая цепь» (получено бесконечное сопротивление).
Тем не менее, характеристический импеданс линии передачи важен даже при ограниченной длине. Более старый термин для характеристического импеданса, который мне нравится из-за его описательной ценности, – это импульсное сопротивление (импульсный импеданс).
Если переходное напряжение («скачок», он же «импульс») приложено к концу линии передачи, линия будет потреблять ток, пропорциональный величине импульсного напряжения, делённой на импульсное сопротивление линии (I = E/Z). Это простое соотношение между током и напряжением по закону Ома будет сохраняться в течение ограниченного периода времени, но это не будет продолжаться вечно.
Если конец линии передачи разомкнут, то есть оставлен неподключённым, «волна» тока, распространяющаяся по длине линии, остановится на конце, поскольку ток не может течь там, где нет продолжения пути.
Это резкая остановка тока на конце линии вызывает «затор» по длине линии передачи, так как носители электрического заряда по очереди не находят места, куда им двигаться дальше.
Представьте поезд, едущий по рельсам с запасом между сцепками вагонов: если ведущий вагон внезапно врезается в неподвижное препятствие, он останавливается, после чего остановится следующий за ним вагон, как только произойдет реакция первой сцепки, которая больше не провисает, как во время движения, а теперь механически напряжена, так как ведомый вагон упёрся в ведущий. Что вызовет остановку следующего вагона, как только исчезнет провисание следующей муфты, и так далее, пока не остановится последний вагон.
Весь состав останавливается не одномоментно, а последовательно, от первого вагона к последнему:
Рис. 1. Отраженная волна на примере последовательно останавливающегося поезда.
Сигнал, распространяющийся от конца линии передачи до конца нагрузки, называется падающей волной. Распространение сигнала от конца нагрузки к выводу источника питания (например, то, что произошло в вышеприведённом примере с током, достигающим конца разомкнутой линии передачи) называется отражённой волной.
Когда этот «затор» из электронов распространяется обратно к батарее, подача тока прекращается, и линия действует просто как разомкнутая цепь.
Все это происходит очень быстро для линий передачи вменяемой длины, и поэтому измерение линии омметром никогда не выявляет короткий период времени, когда сама линия фактически ведет себя как резистор.
Для кабеля длиной в милю с коэффициентом скорости 0,66 (т.е. скорость распространения сигнала составляет 66% от скорости света или 197563 километров в секунду), требуется всего 1/122760 секунды (8,146 микросекунды), чтобы сигнал прошёл от одного конца к другому. Для того, чтобы текущий сигнал достиг конца линии и «отразился» обратно к источнику, время прохождения туда и обратно вдвое превышает эту цифру, т.е. 16,292 мкс.
Значение падающих и отражённых волн
Высокоскоростные измерительные приборы способны определять это сверхмалое время прохождения от источника питания до конца линии и от конца линии обратно к источнику, и их используют для определения длины кабеля.
Этот метод также может использоваться для определения наличия и местоположения разрыва в одном или обоих проводниках кабеля, поскольку ток будет «отражаться» от разрыва провода так же, как он будет отражаться от конца кабеля в разомкнутой цепи.
Инструменты, разработанные для таких целей, называются рефлектометрами во временно́й области (РВО). Основной принцип работы аналогичен принципу определения дальности сонара: генерирование звукового импульса и измерение времени, которое требуется для возврата эхо-сигнала.
Аналогичное явление наблюдается, если конец линии передачи закорочен: когда волна напряжения достигает конца линии, она отражается обратно к источнику, потому что напряжение не может существовать между двумя электрически общими точками.
Когда эта отражённая волна достигает источника, источник воспринимает всю линию передачи как коротко замкнутую цепь. Опять же, это происходит настолько быстро, насколько сигнал может распространяться туда и обратно по линии передачи со той скоростью, которую допускает диэлектрический материал между проводниками линии.
Простой эксперимент иллюстрирует явление отражения волн в линиях передачи. Возьмите верёвку за один конец и взметните её быстрым движением руки вверх-вниз. Вы будете наблюдать волну, бегущую по верёвке, пока она полностью не рассеется за счёт трения:
Рис. 2. Линия передачи с потерями.
Это аналогично длинной линии передачи с внутренними потерями: сигнал неуклонно ослабевает по мере распространения по длине линии, никогда не отражаясь обратно к источнику. Однако, если дальний конец веревки жёстко прикреплён в точке, находящейся дальше до полного рассеяния падающей волны, вторая волна отразится обратно в вашу руку:
Рис. 3. Отражённая волна.
Обычно цель линии передачи – передавать электрическую энергию из одной точки в другую.
Даже если сигналы предназначены только для передачи информации, а не для питания какого-либо значительного нагрузочного устройства, идеальной ситуацией было бы, чтобы вся энергия исходного сигнала проходила от источника к нагрузке, а затем полностью поглощалась или рассеивалась нагрузкой. Это дало бы максимальное соотношение «сигнал/шум».
Таким образом, «потери» по длине линии передачи нежелательны, как и отражённые волны, поскольку отражённая энергия – это энергия, не переданная конечному устройству.
Как устранить отражения в линии передачи
Отражения в линии передачи можно устранить, если полное сопротивление нагрузки точно равно характеристическому («импульсному») сопротивлению линии.
Например, коаксиальный кабель на 50 Ом в разомкнутой или короткозамкнутой цепи будет отражать всю падающую энергию обратно к источнику. Однако, если на конце кабеля подключён резистор на 50 Ом, отражения энергии не будет, ибо всю энергию сигнала рассеет резистор.
Это имеет смысл, если мы вернёмся к нашему гипотетическому примеру с линией передачи бесконечной длины. Линия передачи с волновым сопротивлением 50 Ом и бесконечной длиной ведёт себя точно так же, как сопротивление 50 Ом, измеренное с одного конца (см. рисунок ниже).
Если мы разрежем эту линию, сократив её до некоторой конечной длины, она будет вести себя как резистор на 50 Ом, подключаемый к источнику постоянного напряжения на короткий промежуток времени, но затем ведёт себя как разомкнутая цепь или короткое замыкание, в зависимости от того, в каком состоянии мы оставим обрезанный конец линии: будет ли это обрыв или короткое замыкание (см. рисунок ниже).
Однако, если мы конец линии сделаем резистором на 50 Ом, линия снова будет вести себя как резистор на 50 Ом, бесконечно долго: так же, как если бы она снова имела бесконечную длину:
Рис. 4. Бесконечная линия передачи ведёт себя как резистор.Рис. 5. Передача на одну милю.Рис. 6. Короткое замыкание в линии передачи.Рис. 7. Линия оканчивается характеристическим сопротивлением.
По сути, согласующий резистор, соответствующий естественному импедансу линии передачи, заставляет линию «казаться» бесконечно длинной, как её в этом случае воспринимает источник питания, потому что резистор имеет способность вечно рассеивать энергию так же, как линия передачи бесконечной длины способна вечно поглощать энергию.
Отражённые волны также будут проявляться, если оконечное сопротивление не точно равно характеристическому импедансу линии передачи, а не только в тех случаях, когда линия остаётся неподключённой (разомкнутой) или замкнутой (закороченной).
Хотя отражение энергии не является полным с оконечным сопротивлением с небольшим рассогласованием, оно будет частичным. Это происходит независимо от того, больше или меньше оконечное сопротивление, чем характеристическое сопротивление линии.
Повторные отражения отражённой волны также могут возникать на конце линии передачи, если внутренний импеданс источника (являющийся эквивалентным импедансом Тевенена) не в точности равен характеристическому импедансу линии.
Отражённая волна, возвращающаяся обратно к источнику, будет полностью рассеиваться, если полное сопротивление источника совпадает с сопротивлением линии, но будет отражаться обратно к концу линии, как другая падающая волна (по крайней мере частично), если полное сопротивление источника не соответствует характеристическому импедансу линии.
Этот тип отражения может быть особенно неприятным, так как создаётся впечатление, что источник передал вообще другой импульс.
Итог
Характеристический импеданс также известен как импульсное сопротивление из-за временно́го сопротивления линии передачи любой длины.
Линия передачи конечной длины будет восприниматься источником постоянного напряжения постоянным сопротивлением в течение некоторого короткого времени, а затем, каким бы ни был импеданс, как линия конечной длины. Следовательно, кабель с открытым концом просто показывает «обрыв» при измерении омметром и «короткое замыкание», когда его конец закорочен.
Переходный («импульсный») сигнал, подаваемый на один конец незамкнутой или короткозамкнутой линии передачи, будет «отражаться» от дальнего конца линии как вторичная волна. Сигнал, идущий по линии передачи от источника к нагрузке, называется падающей волной; сигнал, «отскочивший» от конца линии передачи и возвращающийся от нагрузки к источнику, называется отражённой волной.
Отражённые волны также будут появляться в линиях передачи, оконеченных резисторами, не точно соответствующими характеристическому импедансу.
Линия передачи конечной длины может восприниматься бесконечной по длине, если на ней установлен резистор, значение которого равно характеристическому сопротивлению линии. Это устраняет все отражения сигнала.
Отражённая волна может повторно отражаться от конца линии передачи, если внутренний импеданс источника не соответствует характеристическому сопротивлению линии. Эта переотражённая волна, конечно же, будет выглядеть как другой импульсный сигнал, передаваемый от источника питания.
