Длинная линия

Длинная линия — регулярная^[1] линия электропередачи, длина которой превышает длину волны колебаний, распространяющихся в ней, а расстояние между проводниками, из которых она состоит, значительно меньше этой длины волны.

Характерной особенностью длинных линий является проявление интерференции двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из этих волн создается подключенным к линии генератором электромагнитных колебаний, и называется падающей. Другая волна называется отражённой, и возникает из-за отражения падающей волны от нагрузки, подключенной к противоположному концу линии. Все разнообразие процессов, происходящих в длинной линии, определяется амплитудно-фазовыми соотношениями между падающей и отраженной волнами.

Дифференциальные уравнения длинной линии

Двухпроводная длинная линия
Z_Н = R_Н + iX_Н — комплексное сопротивление нагрузки;
z — продольная координата линии, отсчитываемая от места подключения нагрузки.

Основная статья: Телеграфное уравнение

Первичные параметры

Из электродинамики известно, что линия передачи может быть охарактеризована ее погонными параметрами:

• R₁ — погонное сопротивление, Ом/м;
• G₁ — погонная проводимость, 1/Ом·м;
• L₁ — погонная индуктивность Гн/м;
• C₁ — погонная ёмкость Ф/м;
• $Z_1 = R_1 + i\omega L_1$
• $Y_1 = G_1 + i\omega C_1$

Погонные сопротивление R₁ и проводимость G₁ зависят от проводимости материала проводов и качества диэлектрика, окружающего эти провода, соответственно. Согласно закону Джоуля — Ленца, чем меньше тепловые потери в металле проводов и в диэлектрике, тем меньше R₁ и больше G₁. (Уменьшение активных потерь в диэлектрике означает увеличение его сопротивления, так как активные потери в диэлектрике — это токи утечки. Для модели используется обратная величина — погонная проводимость G₁.)

Погонные индуктивность L₁ и емкость C₁ определяются формой и размерами поперечного сечения проводов, а также расстоянием между ними.

А $Z_1$ и $Y_1$ — погонные комплексные сопротивление и проводимость линии, зависящие от частоты $\omega$.

Выделим из линии элементарный участок бесконечно малой длины dz и рассмотрим его эквивалентную схему.

Эквивалентная схема участка длинной линии

Эквивалентная схема участка длинной линии. Стрелками обозначены направления отсчета напряжения U и тока I в линии; dU и dI — приращения напряжения и тока в линии на элементе длины dz

Значения параметров схемы определяются соотношениями:

$\begin{cases} dR = R_1dz;\\ dG = G_1dz;\\ dL = L_1dz;\\ dC = C_1dz;\\ \end{cases}$

(1)

Используя эквивалентную схему, запишем выражения для приращений напряжения и тока:

$\begin{cases}dU = I(dR + i\omega dL)\\ dI = U(dG + i\omega dC)\\\end{cases}$

Подставляя сюда значения параметров схемы из (1), получаем:

$\begin{cases}dU = IZ_1dz\\ dI = UY_1dz\\\end{cases}$

Из последних соотношений находим дифференциальные уравнения линии. Эти уравнения определяют связь между током и напряжением в любом сечении линии и называются телеграфными уравнениями длинной линии:

Телеграфные уравнения

$\begin{cases} \frac{dU}{dz} = IZ_1\\ \frac{dI}{dz} = UY_1\\ \end{cases}$

(2)

Следствия

Решим телеграфные уравнения относительно напряжения и тока. Для этого продифференцируем их по z:

$\begin{cases} \frac{d^2U}{dz^2} = \frac{dI}{dz}Z_1\\ \frac{d^2I}{dz^2} = \frac{dU}{dz}Y_1\\ \end{cases}$

(3)

При этом учтем условие регулярности линии:

Условие регулярности линии

$\begin{cases} \frac{dZ_1}{dz} = 0\\ \frac{dY_1}{dz} = 0\\ \end{cases}$

(4)

Данные соотношения являются математическим определением регулярности длинной линии. Смысл соотношения (4) состоит в неизменности вдоль линии ее погонных параметров.

Подставляя в (3) значения производных напряжения и тока из (2), после преобразований получаем:

Однородные волновые уравнения длинной линии

$\begin{cases} \frac{d^2U}{dz^2} - \gamma^2U = 0\\ \frac{d^2I}{dz^2} - \gamma^2I= 0\\ \end{cases}$,

(5)

где γ — коэффициент распространения волны в линии: $\gamma = \sqrt{Z_1Y_1}$.

Соотношения (5) называются однородными волновыми уравнениями длинной линии. Их решения известны и могут быть записаны в виде:

$\begin{cases} U = A_Ue^{\gamma z}+B_Ue^{-\gamma z}\\ I = A_Ie^{\gamma z}+B_Ie^{-\gamma z}\\ \end{cases}$,

(6)

где A_U, B_U и A_I, B_I — коэффициенты, имеющие единицы измерения напряжения и тока соответственно, смысл которых будет ясен ниже.

Решения волновых уравнений в виде (6) имеют весьма характерный вид: первое слагаемое в этих решениях представляет собой падающую волну напряжения или тока, распространяющуюся от генератора к нагрузке, второе слагаемое — отраженную волну, распространяющуюся от нагрузки к генератору. Таким образом, коэффициенты A_U, A_I представляют собой комплексные амплитуды падающих волн напряжения и тока соответственно, а коэффициенты B_U, B_I — комплексные амплитуды отраженных волн напряжения и тока соответственно. Так как часть мощности, передаваемой по линии, может поглощаться в нагрузке, то амплитуды отраженных волн не должны превышать амплитуды падающих:

$|B_U|\leqslant |A_U|$

$|B_I|\leqslant |A_I|$

Направление распространения волн в (6) определяется знаком в показателях степени экспонент: плюс — волна распространяется в отрицательном направлении оси z; минус — в положительном направлении оси z (см. рис. 1).Так, например, для падающих волн напряжения и тока можно записать:

$\begin{cases}U_\Pi = A_Ue^{\gamma z}\\I_\Pi = A_Ie^{\gamma z}\\\end{cases}$,

(7)

Коэффициент распространения волны в линии γ в общем случае является комплексной величиной и может быть представлен в виде:

$\gamma = \sqrt{Z_1Y_1} = \sqrt{(R_1 + i\omega L_1)(G_1 + i\omega C_1)} = \alpha + i\beta$,

(8)

где α — коэффициент затухания волны^[2] в линии; β — коэффициент фазы^[3]. Тогда соотношение (7) можно переписать в виде:

$\begin{cases} U_\Pi = A_Ue^{\alpha z}e^{i\beta z}\\ I_\Pi = A_Ie^{\alpha z}e^{i\beta z}\\ \end{cases}$.

(9)

Так как при распространении падающей волны на длину волны в линии λ_Л фаза волны изменяется на 2π , то коэффициент фазы можно связать с длиной волны λ_Л соотношением

$\beta = \frac{2\pi}{\lambda_\Lambda}$.

(10)

При этом фазовая скорость волны в линии V_Ф определяется через коэффициент фазы:

$V_\Phi = \frac{\omega}{\beta}$.

(11)

Определим коэффициенты A и B , входящие в решения (6) волновых уравнений, через значения напряжения U_Н и тока I_Н на нагрузке. Это является оправданным, так как напряжение и ток на нагрузке практически всегда можно измерить с помощью измерительных приборов. Воспользуемся первым из телеграфных уравнений (2) и подставим в него напряжение и ток из (6). Тогда получим:

$~A_U\gamma e^{\gamma z} - B_U\gamma e^{-\gamma z} = Z_1 A_I\gamma e^{\gamma z} + Z_1 B_Ie^{-\gamma z}$

Сравнив коэффициенты при экспонентах с одинаковыми показателями степеней, получим:

$\begin{cases} A_I = \frac{A_U}{W}\\ B_I = -\frac{B_U}{W}\\ \end{cases}$,

(12)

где $W = \sqrt{\frac{Z_1}{Y_1}}$ — волновое сопротивление линии^[4].

Перепишем (6) с учетом (12):

$\begin{cases} U = A_Ue^{\gamma z} + B_Ue^{-\gamma z}\\ I = \frac{A_Ue^{\gamma z} - B_Ue^{-\gamma z}}{W}\\ \end{cases}$.

(13)

Для определения коэффициентов A и B в этих уравнениях воспользуемся условиями в конце линии z = 0:

$\begin{cases} U(z = 0) = U_H\\ I(z = 0) = I_H\\ \end{cases}$.

Тогда из (13) при z = 0 найдем

$\begin{cases} A_U = \tfrac{1}{2}(U_H + I_HW)\\ B_U = \tfrac{1}{2}(U_H - I_HW)\\ \end{cases}$,

(14)

Подставив полученные значения коэффициентов из (14) в (13), после преобразований получим:

$\begin{cases} U = U_H\operatorname{ch}(\gamma z) + I_HW\operatorname{sh}(\gamma z)\\ I = I_H\operatorname{ch}(\gamma z) + \frac{U_H}{W}\operatorname{sh}(\gamma z)\\ \end{cases}$.

(15)

При выводе (15) учтены определения гиперболических синуса и косинуса^[5].

Соотношения для напряжения и тока (15) так же, как и (6), являются решениями однородных волновых уравнений. Их отличие состоит в том, что напряжение и ток в линии в соотношении (6) определены через амплитуды падающей и отраженной волн, а в (15) — через напряжение и ток на нагрузке.

Рассмотрим простейший случай, когда напряжение и ток в линии определяются только падающей волной, а отраженная волна отсутствует^[6]. Тогда в (6) следует положить B_U = 0, B_I = 0:

$\begin{cases} U = A_Ue^{\alpha z}e^{i\beta z}\\ I = A_Ie^{\alpha z}e^{i\beta z}\\ \end{cases}$.

Распределение поля падающей волны

Рис.3. Эпюры напряжений падающей волны в длинной линии. а) амплитуда; б) фаза

На рис.3. представлены эпюры изменения амплитуды |U| и фазы φ_U напряжения вдоль линии. Эпюры изменения амплитуды и фазы тока имеют такой же вид. Из рассмотрения эпюр следует, что при отсутствии в линии потерь (α^[2] = 0) амплитуда напряжения в любом сечении линии остается одной и той же. При наличии потерь в линии (α^[2] > 0) часть переносимой мощности преобразуется в тепло (нагревание проводов линии и окружающего их диэлектрика). По этой причине амплитуда напряжения падающей волны экспоненциально убывает в направлении распространения.

Фаза напряжения падающей волны φ_U = β z изменяется по линейному закону и уменьшается по мере удаления от генератора.

Рассмотрим изменение амплитуды и фазы, например, напряжения при наличии падающей и отраженной волн. Для упрощения положим, что потери в линии отсутствуют, то есть α^[2] = 0. Тогда напряжение в линии можно представить в виде:

$~U = A_Ue^{i\beta z} + B_Ue^{-i\beta z} = A_U(e^{i\beta z} + \Gamma e^{-i\beta z})$,

(16)

где $\Gamma = B_U / A_U$ — комплексный коэффициент отражения по напряжению.

Комплексный коэффициент отражения по напряжению

Характеризует степень согласования линии передачи с нагрузкой. Модуль коэффициента отражения изменяется в пределах: $0 \leqslant |\Gamma | \leqslant 1$

• | Г | = 0, если отражения от нагрузки отсутствуют и B_U = 0^[6];
• | Г | = 1, если волна полностью отражается от нагрузки, то есть $|A_U| = |B_U|$;

Соотношение (16) представляет собой сумму падающей и отраженной волн.

Рис.4. Векторная диаграмма напряжений в линии с отраженной волной

Отобразим напряжение на комплексной плоскости в виде векторной диаграммы, каждый из векторов которой определяет падающую, отраженную волны и результирующее напряжение (рис. 4). Из диаграммы видно, что существуют такие поперечные сечения линии, в которых падающая и отраженная волны складываются в фазе. Напряжение в этих сечениях достигает максимума, величина которого равна сумме амплитуд падающей и отраженной волн:

$~U_{max} = |A_U|+|B_U|$.

Кроме того, существуют такие поперечные сечения линии, в которых падающая и отраженная волны складываются в противофазе. При этом напряжение достигает минимума:

$~U_{min} = |A_U|-|B_U|$.

Если линия нагружена на сопротивление, для которого |Г| = 1 , то есть амплитуда падающей и отраженной волн равны |B_U| = |A_U|, то в этом случае U_max = 2|A_U|, а U_min = 0.

Рис.5. Эпюры распределения напряжения вдоль линии с отражённой волной. а) Модуль напряжения; б) фаза напряжения.

Напряжение в такой линии изменяется от нуля до удвоенной амплитуды падающей волны. На рис. 5 представлены эпюры изменения амплитуды и фазы напряжения вдоль линии при наличии отраженной волны.

Коэффициенты бегущей и стоячей волны

По эпюре напряжения судят о степени согласования линии с нагрузкой. Для этого вводятся понятия коэффициента бегущей волны — k_БВ и коэффициента стоячей волны k_СВ:

$k_{bv} = \frac{U_{min}}{U_{max}} = \frac{|A_U|-|B_U|}{|A_U|+|B_U|} = \frac{1-|\Gamma |}{1+|\Gamma |}$	(17)
$k_{sv} = \frac{1}{k_{bv}}$	(18)

Эти коэффициенты, судя по определению, изменяются в пределах:

$~0\leqslant k_{bv}\leqslant 1$,

$~1\leqslant k_{sv}\leqslant \infty$.

На практике наиболее часто используется понятие коэффициента стоячей волны, так как современные измерительные приборы (панорамные измерители k_СВ) на индикаторных устройствах отображают изменение именно этой величины в определенной полосе частот.

Входное сопротивление длинной линии

Входное сопротивление линии — является важной характеристикой, которое определяется в каждом сечении линии как отношение напряжения к току в этом сечении:

$~Z_{BX} = R_{BX} + iX_{BX}$
$~Z_{BX}(z) = \frac{U(z)}{I(z)}$	(19)

Так как напряжение и ток в линии изменяются от сечения к сечению, то и входное сопротивление линии изменяется относительно ее продольной координаты z. При этом говорят о трансформирующих свойствах линии, а саму линию рассматривают как трансформатор сопротивлений. Подробнее свойство линии трансформировать сопротивления будет рассмотрено ниже.

Режимы работы длинной линии

Различают три режима работы линии:

1. режим бегущей волны; ^[7]
2. режим стоячей волны; ^[7]
3. режим смешанных волн.

Режим бегущей волны

Режим бегущей волны характеризуется наличием только падающей волны, распространяющейся от генератора к нагрузке. Отраженная волна отсутствует. Мощность, переносимая падающей волной, полностью выделяется в нагрузке. В этом режиме B_U = 0, | Г | = 0, k_св = k_бв = 1^[7].

Режим стоячей волны

Режим стоячей волны характеризуется тем, что амплитуда отраженной волны равна амплитуде падающей B_U = A_U то есть энергия падающей волны полностью отражается от нагрузки и возвращается обратно в генератор. В этом режиме, | Г | = 1, k_св = $\infty$, k_бв = 0^[7].

Режим смешанных волн

В режиме смешанных волн амплитуда отраженной волны удовлетворяет условию 0 < B_U < A_U то есть часть мощности падающей волны теряется в нагрузке, а остальная часть в виде отраженной волны возвращается обратно в генератор. При этом 0  < | Г | < 1, 1 < k_св < $\infty$, 0 < k_бв < 1

Линия без потерь

Рис.6. Эпюры напряжения, тока и входного сопротивления в открытой (разомкнутой) линии

В линии без потерь погонные параметры R₁ = 0 и G₁ = 0. Поэтому для коэффициента распространения γ и волнового сопротивления W получим:

$\gamma = \sqrt{Z_1Y_1} = \sqrt{(R_1 + i\omega L_1)(G_1 + i\omega C_1)} = i\omega\sqrt{L_1C_1}$; $\alpha = 0;~~\beta = \omega\sqrt{L_1C_1};~~W = \sqrt{\frac{Z_1}{Y_1}} = \sqrt{\frac{L_1}{C_1}}$.

(20)

С учетом этого выражения для напряжения и тока (15) примут вид:

$\begin{matrix} U = U_H\cos(\beta z) & + & iI_HW\sin(\beta z) \\ I = I_H\sin(\beta z) & + & i\tfrac{U_H}{W}\cos(\beta z) \end{matrix}$

(21)

При выводе этих соотношений учтены особенности^[8] гиперболических функций^[5].

Рассмотрим конкретные примеры работы линии без потерь на простейшие нагрузки.

Разомкнутая линия

В этом случае ток, протекающий через нагрузку равен нулю (I_Н = 0), поэтому выражения для напряжения, тока и входного сопротивления в линии принимают вид:

$~U = U_H\cos(\beta z);\quad I = i\frac{U_H}{W}\sin(\beta z)$ $Z_{BX}=\frac{U}{I}=-iW\operatorname{ctg}(\beta z) = iX_{BX}$ $\beta = \frac{2\pi}{\lambda}$

(22)

Рис.7. Эпюры напряжений, тока и входного сопротивления в короткозамкнутой линии

На рис.6 эти зависимости проиллюстрированы графически. Из соотношений (22) и графиков следует:

• в линии, разомкнутой на конце, устанавливается режим стоячей волны, напряжение, ток и входное сопротивление вдоль линии изменяются по периодическому закону с периодом λ_Л/2;
• входное сопротивление разомкнутой линии является чисто мнимым за исключением точек с координатами z = nλ_Л/4, n = 0,1,2,…;
• если длина разомкнутой линии меньше λ_Л/4, то такая линия эквивалентна емкости;
• разомкнутая на конце линия длиной λ_Л/4 эквивалентна последовательному резонансному на рассматриваемой частоте контуру и имеет нулевое входное сопротивление;
• линия, длина которой лежит в интервале от λ_Л/4 до λ_Л/2, эквивалентна индуктивности;
• разомкнутая на конце линия длиной λ_Л/2 эквивалентна параллельному резонансному контуру на рассматриваемой частоте и имеет бесконечно большое входное сопротивление.

Замкнутая линия

В этом случае напряжение на нагрузке равно нулю (U_Н = 0), поэтому напряжение, ток и входное сопротивление в линии принимают вид:

$U = iI_HW\sin(\beta z);\quad I = I_H\cos(\beta z)$ $Z_{BX} = \frac{U}{I} = iW\operatorname{tg}(\beta z) = iX_{BX}$

(23)

На рис.7 эти зависимости проиллюстрированы графически.

Рис.8. Эпюры напряжения, тока и входного сопротивления в линии, нагруженной на ёмкость

Используя результаты предыдущего раздела, нетрудно самостоятельно сделать выводы о трансформирующих свойствах короткозамкнутой линии. Отметим лишь, что в замкнутой линии также устанавливается режим стоячей волны. Отрезок короткозамкнутой линии, длиной меньше λ_Л/4 имеет индуктивный характер входного сопротивления, а при длине λ_Л/4 такая линия имеет бесконечно большое входное сопротивление на рабочей частоте^[9].

Ёмкостная нагрузка

Как следует из анализа работы разомкнутой линии, каждой емкости C на данной частоте ω можно поставить в соответствие отрезок разомкнутой линии длиной меньше λ_Л/4. Емкость C имеет емкостное сопротивление $iX_C = -\tfrac{i}{\omega C}$. Приравняем величину этого сопротивления к входному сопротивлению разомкнутой линии длиной l < λ_Л/4:

$-\tfrac{i}{\omega C} = -iW\operatorname{ctg}(\beta l)$.

Отсюда находим длину линии, эквивалентную по входному сопротивлению емкости C:

$l = \tfrac{1}{\beta}\operatorname{arctg}(\omega CW)$.

Зная эпюры напряжения, тока и входного сопротивления разомкнутой линии, восстанавливаем их для линии, работающей на емкость (рис.8). Из эпюр следует, что в линии, работающей на емкость, устанавливается режим стоячей волны.

При изменений емкости эпюры сдвигаются вдоль оси z. В частности, при увеличении емкости емкостное сопротивление уменьшается, напряжение на емкости падает и все эпюры сдвигаются вправо, приближаясь к эпюрам, соответствующим короткозамкнутой линии. При уменьшении емкости эпюры сдвигаются влево, приближаясь к эпюрам, соответствующим разомкнутой линии.

Индуктивная нагрузка

Рис.9. Эпюры напряжения, тока и входного сопротивления в линии, работающей на индуктивность

Как следует из анализа работы замкнутой линии, каждой индуктивности L на данной частоте ω можно поставить в соответствие отрезок замкнутой линии длиной меньше λ_Л/4. Индуктивность L имеет индуктивное сопротивление iX_Л = iωL. Приравняем это сопротивление к входному сопротивлению замкнутой линии длиной λ_Л/4:

$~i\omega L = iW\operatorname{tg}(\beta l)$.

Отсюда находим длину линии l, эквивалентную по входному сопротивлению индуктивности L:

$~l = \tfrac{1}{\beta}\operatorname{arctg}(\omega\tfrac{L}{W})$.

Зная эпюры напряжения, тока и входного сопротивления замкнутой на конце линии, восстанавливаем их для линии, работающей на индуктивность (рис. 9). Из эпюр следует, что в линии, работающей на индуктивность, также устанавливается режим стоячей волны. Изменение индуктивности приводит к сдвигу эпюр вдоль оси z. Причем с увеличением L эпюры сдвигаются вправо, приближаясь к эпюрам холостого хода, а с уменьшением L — влево по оси z, стремясь к эпюрам короткого замыкания.

Активная нагрузка

В этом случае ток и напряжение на нагрузке R_Н связаны соотношением U_Н = I_НR_Н^[10]. Выражения для напряжения и тока в линии (21) принимают вид:

$U = U_H\cos(\beta z) + iU_H\tfrac{W}{R_H}\sin(\beta z)$ $I = I_H\cos(\beta z) + iI_H\tfrac{R_H}{W}\sin(\beta z)$

(23)

Рассмотрим работу такой линии на примере анализа напряжения. Найдем из (23) амплитуду напряжения в линии:

$|U| = U_H\sqrt{\cos^2(\beta z) + \left (\tfrac{W}{R_H}\right )^2\sin^2(\beta z)}$

(24)

Отсюда следует, что можно выделить три случая:

• Сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии R_Н = W ^[6][7]
• Сопротивление нагрузки больше волнового сопротивления линии R_Н > W
• Сопротивление нагрузки меньше волнового сопротивления линии R_Н < W

В первом случае из (24) следует |U| = U_Н, то есть распределение амплитуды напряжения вдоль линии остается постоянным, равным амплитуде напряжения на нагрузке. Это соответствует режиму бегущей волны в линии.

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Комплексная нагрузка

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

КПД линии с потерями

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Пределы применимости теории длинной линии

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

См. также

• Регулярная линия передачи
• Измерительная линия
• Металлический изолятор

Примечания

1. ↑ Регулярная линия электропередачи — это линия, электрофизические и геометрические параметры которой не меняются вдоль её длины.
2. ↑ ^{1 2 3 4} Коэффициент затухания α определяет скорость уменьшения амплитуды волны при распространении вдоль линии.
3. ↑ Коэффициент фазы β определяет скорость изменения фазы волны вдоль линии.
4. ↑ Волновым сопротивлением линии передачи называется отношение напряжения к току в бегущей волне.
5. ↑ ^{1 2} Гиперболические функции
6. ↑ ^{1 2 3} Такая линия называется полностью согласованной.
7. ↑ ^{1 2 3 4 5} Не реализуемо на практике. Является лишь математической абстракцией Возможно лишь приближение в той, или иной степени.
8. ↑ $\operatorname{ch}(i\beta z)=\cos(\beta z)$, $\operatorname{sh}(i\beta z)=\sin(\beta z)$
9. ↑ Это свойство короткозамкнутого четвертьволнового отрезка линии позволяет использовать его в практических устройствах как «металлический изолятор».
10. ↑ Закон Ома

Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.