Волновое сопротивление
Волновое сопротивление – сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения:
где U п и I п – напряжение и ток падающей волны;
U от и I от – то же отраженной волны.
Таким образом, величина волнового сопротивления не зависит от длины кабельной линии и постоянна в любой точке цепи.
В общем виде волновое сопротивление – комплексная величина и может быть выражена через действительную и мнимую части:
В табл. 3-1 приведены формулы для расчета Z в α θ β.
Волновое сопротивление коаксиального или одножильного кабеля в металлической оболочке
У изоляционных материалов, у которых диэлектрическая проницаемость почти не зависит от частоты,
где 3335,8 – постоянная, принятая МЭК; – коэффициент укорочения длины волны.
При расчете радиочастотных кабелей стремятся получить оптимальную конструкцию, обеспечивающую высокие электрические характеристики при наименьшем расходе материалов. Так, например, при использовании меди для внутреннего и внешнего проводников радиочастотного кабеля минимальное затухание достигается при отношении , ом, максимальная электрическая прочность – при , ом и максимум передаваемой мощности – при , ом.
Точность и стабильность параметров кабеля зависят от величины допусков диаметров внутреннего и внешнего проводников и стабильности ε.
Зависимость волнового сопротивления симметричного кабеля от частоты приведена на рис. 3-7. Модуль волнового сопротивления Z B с изменением частоты уменьшается от при f = 0 до и остается неизменным во всей области высоких частот. Угол волнового сопротивления равен нулю при f = 0 и на высоких частотах. На тональных частотах (f ≈ 800 гц) угол волнового сопротивления – наибольший. В кабельных линиях преобладает емкостная составляющая волнового сопротивления, и поэтому угол волнового сопротивления всегда отрицателен, а по величине не превышает 45°.
|
|
|
Рис. 3-7. Зависимость волнового сопротивления симметричного кабеля от частоты. |
В кабельной линии, однородной по электрическим характеристикам на всем протяжении от генератора до приемника, с нагрузкой по концам, имеющей сопротивление, равное волновому (Z r = Z n = Z B ), вся передаваемая электромагнитная анергия полностью поглощается приемником без отражения.
В неоднородных линиях и при несогласованных нагрузках в местах электрических несогласованности возникают отраженные волны и часть энергии возвращается к началу линии. Передаваемая энергия при несогласованной нагрузке значительно меньше, чем при согласованной.
Отраженные волны искажают частотную характеристику собственного волнового сопротивления кабеля. В этом случае на входе линии не волновое, а входное сопротивление Z вх .
Соотношение между энергией, поступающей к приемнику, и энергией отраженной зависит от сопротивлений приемника Z B и волнового Z B и характеризуется коэффициентом отражения
При согласованной нагрузке (Z n = Z в ) коэффициент отражения равен нулю, и энергия полностью поглощается приемником. При коротком замыкании (Z п = 0) и режиме холостого хода (Z n = ∞) коэффициенты отражения равны соответственно – 1 и + 1.
Для обеспечения хорошего качества связи и телевизионной передачи по коаксиальному кабелю необходимо, чтобы отклонение волнового сопротивления ΔZ не превышало 0,45 ом, что соответствует коэффициенту отражения
В результате деформаций или наличия эксцентриситета в расположении внутреннего проводника по отношению к внешнему параметры кабеля могут оказаться неравномерно распределенными по его длине. В местах неоднородностей происходят отклонения волнового сопротивления от номинального.
Волновое сопротивление спиральных кабелей (кабелей задержки)
Волновое сопротивление двухкоаксиальных кабелей (с индивидуальными экранами поверх изоляции) вычисляют по формулам для коаксиальных кабелей; оно равно сумме волновых сопротивлений обоих кабелей.
Волновое сопротивление симметричного кабеля в области частот f = 15 000 кгц и выше:
неэкранированного
экранированного
Входным сопротивлением Z вх называется сопротивление на входе линии при любом нагрузочном сопротивлении на ее конце и выражается отношением напряжения U 0 к току I o в начале линии:
где .
Таблица 3 – 1
Приближенные формулы для расчета вторичных параметров передачи кабелей связи
|
Область применения формул |
Соотношение между R и ωL |
Расчетные формулы |
||
|
α, неп/км |
β, рад/км |
Z в , ом |
||
|
Постоянный ток (f = 0) |
ωL = 0 |
|
0 |
|
|
Тональные частоты (f < 800 гц) |
|
|
|
|
|
Высокие частоты и кабели с повышенной индуктивностью |
|
|
|
|
|
Промежуточные частоты |
|
|
|
|
к содержанию
Способ контроля волнового сопротивления кабелей связи
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для оперативного контроля волнового сопротивления различных кабелей и витых пар, применяемых для передачи импульсных сигналов в современных системах цифровой связи.
Известны несколько стандартных способов измерения волнового сопротивления кабелей (ГОСТ Р51978–2002. Методика определения волнового сопротивления и коэффициента затухания), основанных на учете геометрических размеров кабеля или на применении генератора гармонических сигналов различной частоты, к которым относятся:
– способ определения волнового сопротивления по отношению диаметров проводов и диэлектрической проницаемости изоляции кабеля, относящийся к расчетным методам и применяющийся в основном только для контроля качества коаксиальных кабелей, точность которого ограничивается технологическим разбросом проводов и оплетки кабеля за счет допусков при его изготовлении;
– способ определения волнового сопротивления путем измерения емкости кабеля на холостом ходе, индуктивности кабеля при коротком замыкании проводов на его конце и вычисления его волнового сопротивления , применяемый при длине исследуемого кабеля не менее 5 метров;
– способ определения волнового сопротивления путем измерения напряжения и тока на холостом ходе, а также напряжения и тока при коротком замыкании проводов на конце кабеля с вычислением его волнового сопротивления в виде .
Известен способ измерения комплексных сопротивлений пассивных многополюсников, при котором к исследуемому многополюснику подключают генератор гармонического сигнала поочередно через различные аттенюаторы с известными затуханиями, измеряют на входе и на выходе аттенюаторов напряжение относительно земляного полюса многополосника. При этом для каждого используемого аттенюатора параллельно измеряемому многополюснику подключают реактивное сопротивление с известным значением и повторяют измерения напряжений на входе и выходе аттенюатора. По результатам измерений вычисляют активную и реактивную составляющую комплексного сопротивления многополюсника (патент РФ №2317559 С1, опубл. 20.02.2008 г., бюл. № 5).
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявленному является способ измерения физических параметров материала (патент РФ №2571301 С2, опубл. 27.03.2015 г., бюл. № 9), заключающийся в том, что производят измерение напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, выполненного в виде короткозамкнутого на дальнем конце отрезка длинной линии, заполняемого контролируемым материалом, причём измерения напряжения выполняют одновременно в двух точках: непосредственно на входе преобразователя и на измерительном резисторе, включенном между генератором и преобразователем, при этом генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, и на каждом шаге вычисляют отношение напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на измерительном резисторе, и по минимуму этого отношения определяют частоты гармоник при заполнении первичного преобразователя воздухом и при заполнении его контролируемым материалом. По значениям частот нескольких гармоник вычисляют действительную составляющую показателя преломления материала. Мнимую составляющую показателя преломления вычисляют по величине отношения напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе резистора. Далее определяют физические параметры, влияющие на показатель преломления.
В данной области техники существует техническая проблема, заключающаяся в том, что в результате контроля волнового сопротивления кабелей известными способами обеспечивается недостаточная точность при относительной сложности измерений, характеризующихся необходимостью подключения измерительных средств к входным и выходным цепям кабелей с их замыканием и размыканием. Эта техническая проблема обусловлена тем, что стандартная строительная длина кабелей связи составляет от 305 до 500 м при поставке на катушках и не менее 100 м – при поставке в бухтах (по ГОСТ Р 54429–2011), поэтому при большой длине кабелей их нужно наматывать на барабан или сматывать в бухты. При этом измеренные значения волнового сопротивления могут составлять до 10 % выше реальных. Это происходит в результате плотной упаковки кабеля на барабане или в бухте за счет проявления межвитковых эффектов.
Кроме того, известные способы измерения волнового сопротивления с применением генераторов гармонических колебаний не позволяют реализовать оперативный контроль кабелей, а также периодический контроль волнового сопротивления кабелей, проложенных в подземных коммуникациях, т. е. не обеспечивают универсальности их применения для практических исследований и оценки качества работающих кабелей связи.
Техническая проблема решается созданием способа контроля волнового сопротивления кабелей связи, позволяющего упростить процесс измерения и обеспечить универсальность контроля при сохранении точности измерения волнового сопротивления.
Эта техническая проблема решается тем, что согласно способу контроля волнового сопротивления кабелей на вход измеряемого кабеля связи от генератора импульсов через образцовый резистор подают прямоугольные импульсы амплитудой , подключают к входу кабеля связи измерительное устройство, дополнительно между генератором импульсов и образцовым резистором последовательно подключают повторитель напряжения и размыкают дальние концы проводов измеряемого кабеля, а измерительным устройством определяют максимальное значение вертикального фронта импульса, после чего вычисляют волновое сопротивление измеряемого кабеля по формуле .
Перечисленная новая совокупность существенных признаков – введение повторителя напряжения между генератором импульсов и образцовым резистором и измерение вертикального фронта импульсов при разомкнутых проводах на дальнем конце измеряемого кабеля – обеспечивает значительное упрощение и универсальность измерения волнового сопротивления кабеля.
Заявляемый способ реализуется устройством, структурная схема которого приведена на фиг. 1, а работа его основных функциональных узлов поясняется временными диаграммами напряжений, показанными на фиг. 2.
Устройство содержит генератор импульсов 1, который через повторитель напряжения 2 и образцовый резистор 3 подключен к входу исследуемого кабеля связи 4 и соединен с входом устройства измерения 5, устройство управления 6, задающее частоту импульсов генератора 1.
Устройство, реализующее предлагаемый способ контроля волнового сопротивления кабеля связи, работает следующим образом.
Генератор импульсов 1 формирует прямоугольные импульсы напряжения с амплитудой , которые через повторитель напряжения 2 и образцовый резистор 3 с сопротивлением = const поступают на вход исследуемого кабеля связи 4 и на устройство измерения 5. По фронту импульса генератора 1 на входе кабеля связи 4 сначала формируется скачок напряжения с максимальным значением . Это значение зависит от амплитуды импульса на выходе генератора импульсов 1 и повторителя напряжения 2 с коэффициентом усиления = 1, а также от отношения волнового сопротивления кабеля связи 4 к сопротивлению образцового резистора 3. Наличие крутой ступени напряжения обусловлено тем, что волновое сопротивление = является чисто активным и определяется только удельной (погонной) индуктивностью и удельной (погонной) емкостью кабеля связи. Значение волнового сопротивления не зависит от его длины и сопротивления нагрузки, подключенной к выходной цепи кабеля.
После появления максимума вертикального фронта начинается нарастание напряжения на входе кабеля связи 4 до максимального значения (фиг. 2). Этот процесс обусловлен зарядом распределенной емкости кабеля связи = ⋅ через активное сопротивление его проводов , пропорциональное длине кабеля , и сопротивление образцового резистора 3 с постоянной времени по закону вида . Постоянная времени τ кабеля связи 4 зависит от его длины , и для полного заряда и разряда емкости нужно задавать частоту импульсов генератора 1 устройством управления 6 по условию .
Применение повторителя напряжения 2 на операционном усилителе с низким выходным сопротивлением RВЫХ2 ≤ 1 Ом позволяет исключить влияние внутреннего сопротивления генератора 1 на точность контроля волнового сопротивления кабеля связи 4. Кроме того, применение в качестве устройства измерения цифрового осциллографа 5 с увеличением масштаба вблизи максимума скачка напряжения (использование так называемого «эффекта лупы») позволяет обеспечить его точное выделение с разрешающей способностью ΔU ≈ 10 мВ. Аналогичное повышение разрешающей способности достигается при работе цифрового осциллографа 5 в ждущем режиме при его запуске по фронту импульсов генератора импульсов 1 и увеличении масштаба развертки во времени. Подключение образцового резистора с сопротивлением, близким к волновому сопротивлению ≈ при установке амплитуды импульсов генератора = 5 В позволяет уменьшить относительную погрешность выделения ступени напряжения до уровня .
Проведенный анализ уровня техники и сравнение представленных технических решений позволили установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа контроля волнового сопротивления кабелей связи, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях измерений для выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из современного уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, данное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Промышленная применимость способа обусловлена тем, что устройство, реализующее предлагаемый способ контроля волнового сопротивления кабелей связи, может быть осуществлено с помощью современной элементной базы, с достижением указанного в изобретении назначения.
Для оценки эффективности предлагаемого способа были проведены экспериментальные исследования, в результате которых установлено, что применение генератора импульсов типа Г3-34, образцового резистора типа С5-5 класса 0,05 и цифрового осциллографа типа GDS-810С позволяет реализовать контроль волнового сопротивления кабелей связи длиной до 10 км. Для сравнения точности контроля предлагаемым способом с результатами измерений известными способами использовался цифровой прибор типа LCR-816, которым измерялись активное сопротивление RКС и индуктивность LКС при разомкнутых проводах на конце кабеля связи, а емкость CКС – при размыкании этих проводов. Затем вычислялось волновое сопротивление кабеля связи , расчетное значение которого сравнивалось с экспериментальными данными.
В результате обработки и усреднения полученных данных установлено, что разброс значений при определении волнового сопротивления по ГОСТ Р 51978-2002 и предлагаемым способом контроля волнового сопротивления кабелей связи не превышает ±1 Ом при номинальном волновом сопротивлении исследуемого кабеля = 245 Ом.
Применение образцового резистора с сопротивлением, равным номинальному волновому сопротивлению = , позволяет реализовать оперативный допусковый контроль кабелей при их производстве по отклонению показаний от порогового напряжения .
Таким образом, упрощение процесса измерения предлагаемым способом достигается за счет исключения замыкания выходных цепей кабеля и серий измерений, необходимых для расчетов действительных и мнимых составляющих, а универсальность его применения достигается за счет выполнения контроля только на одной стороне (на входе) кабеля связи. Это позволяет выполнять контроль параметров кабелей связи как в процессе их изготовления, так и при периодическом контроле в процессе эксплуатации. Кроме того, подключение измерительной аппаратуры к концам кабеля, проложенного в земле или в защитном трубопроводе, позволяет реализовать контроль его волнового сопротивления с учетом внешней среды.
Как рассчитать характеристическое сопротивление – Код мира
Вывод характеристического импеданса формулыВолновое сопротивление линии передачи «» Zo относится к отношению волны в линии передачи амплитуды напряжения и амплитуды тока. Это означает, что, когда кабель с полным сопротивлением кабеля бесконечной длиной, чтобы предотвратить имя резистивного тока через проводник, это не сопротивление постоянного тока общепринятого смысла. Волновое сопротивление кабеля определяется проводимостью кабеля, емкости и сопротивления характеристик интегральной комбинации. Пусть – – Корневой неограниченное удлинительный кабель равномерно, в конце передачи – полное сопротивление на частоте, указанной как «характеристический импеданс» (характеристический импеданс). Эти параметры определяются физическими параметрами, такие как размер проводника, расстояние и другие характеристики кабельной изоляции между проводниками.
При измерении волнового сопротивления кабеля может быть другим – эквивалентный конец резистора прекращения с волновым сопротивлением, с результатами измерений, относящихся к частоте входного сигнала. Единица измерения характеристического импеданса в Ом. При высокой полосе частот продолжают увеличиваться, волновое сопротивление асимптотически к фиксированному значению. Так, например, 50 или 75 будет коаксиальные Ом; обычный UTP волновое сопротивление 100 Ом, характеристический импеданс неэкранированной витой пары составляет 150 Ом.
Модель линии передачи 1
2. Описание символов
R, L, G, С представляют собой сопротивление, индуктивность, емкость и проводимость.
3. Расчет
Из (5) (6) дает следующее уравнение вычисляется
Волновое сопротивление для сигнала переменного тока (или высокочастотного сигнала) он.
Характеристический импеданс трассировки печатной платы формулы:
Ь присущая индуктивность на единицу длины линии передачи, С является присущая емкость на единицу длины линии передачи
Чтобы изменить волновое сопротивление линии передачи изменится присущую индуктивности и емкости на единицу длины линии передачи.
Характеристический импеданс линии передачи вычисляетсяСопротивление воздуха диэлектрической линии передачи рассчитывается следующим образом:
1. характеристический импеданс параллельных проводов
2. характеристический импеданс коаксиального кабеля
Влияние характеристического импеданса факторов линии передачиа. ширина линии обратно пропорциональна волновому сопротивлению. Соответствует ширина линии увеличивается, чтобы увеличить емкость, волновое сопротивление будет уменьшаться, и наоборот
Б. характеристическое сопротивление обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости. Кроме того, увеличить диэлектрическую проницаемость, чтобы увеличить емкость, соответствующую пониженным волновым сопротивлением; емкость С = & epsi; s / 4πkd
С. к линии передачи базовой плоскости и характеристического импеданса пропорциональна расстоянию. Уменьшение линии передачи и расстояние базовой плоскости, соответствующие емкости возрастают, так что также уменьшает характеристическое сопротивление.
D. Длина линии передачи характеристического импеданса не имеет значения. Может быть видно с помощью L и C являются параметры формулы на единицу длину линии передачи, длина линии передачи не имеет значения
Диаметр Е. и обратно пропорционален волновое сопротивление. Из-за скин-эффект высокочастотных сигналов, влияющим малы по сравнению с другими факторами.
Коаксиальный кабель
В настоящее время на рынке представлен огромный ассортимент радиочастотных коаксиальных кабелей. Разные производители представляют свою продукцию для различного применения. Самые распространённые марки- РК, SAT и RG могут быть, как импортного, так и отечественного производства. Материалы, применяемые в производстве, различны и существенно влияют на характеристики кабельной продукции. Основные различия, на которые следует обратить внимание, это электрические характеристики, которые необходимо подбирать по имеющимся сертификатам и техническим описаниям, в зависимости от сферы применения. Все радиочастотные кабели имеют одно общее предназначение- это передача сигнала в радиочастотном спектре, поэтому наиболее важным параметром, при выборе, будет волновое сопротивление кабеля. В серии кабелей РК, так же, как SAT и RG, принято три основных стандарта волнового сопротивления продукции. Это 50 Ом, 75 Ом и 300 Ом. При расшифровке маркировки кабеля, легко определяется волновое сопротивление. Например: РК-75-4-11 РК – радиочастотный коаксиальный кабель в сплошной полиэтиленовой изоляции и полиэтиленовой оболочке. 75 – волновое сопротивление в омах. 4 – номинальный диаметр по изоляции в мм. 11-последние две единицы обозначают: 1- группа изоляции и категория теплостойкости 1- номер разработки ( в данном случае означает что токопроводящая жила имеет цельнотянутое исполнение) По теплостойкости изоляции существует 7 категорий. В данном примере 1-это обычная теплостойкость до 125 градусов.Коэффициент затухания коаксиального кабеля
Следующим важным параметром является коэффициент затухания. Этот показатель необходимо учитывать при прокладке кабельных линий и коммуникаций большой длины, когда и волновое и электрическое сопротивление кабеля существенно могут ослабить сигнал. Поэтому, при выборе кабеля для прокладки в системах видеонаблюдения и приёмо- передающих антенно-фидерных устройствах предпочтение следует отдавать кабелям с центральной медной жилой и наименьшим коэффициентом затухания. Для сравнения можно рассмотреть характеристики кабеля РК-75-4-12, где по номеру разработки можно увидеть, что вместо одной медной жилы, как в РК-75-4-11, диаметром 0,72 мм., используется многопроволочная центральная жила 7*0,26 мм. На электрических параметрах это изменение сильно не отразилось, коэффициент затухания немного уменьшился с повышением частоты передаваемого сигнала. Но на монтажных характеристиках сказалось положительно. Магистральные кабели, такие как РК-75-7-11 и РК-75-9-13 отличаются от представленных выше, тем, что имеют больший диаметр центральной жилы и, соответственно больший диаметр изоляции – 7 мм. и 9 мм. Коэффициент затухания также несколько различается. У РК-75-9-13 он немного ниже.Технические характеристики
Встречаются производители, которые предлагают вместо медной жилы, стальную, покрытую тонким слоем меди или алюминиевую. Конечно же, это ведёт к изменению электрических параметров. Но не всегда в худшую сторону. Стальная жила- это всегда увеличение электрического и волнового сопротивления. Вес кабеля, в целом, так же увеличивается. А вот, омеднённый алюминий, по своим электрическим характеристикам намного превосходит сталь, но в монтаже крайне неудобен из-за своей ломкости. На электрические свойства кабеля так же влияет и материал изоляции. Применяемый полиэтилен высокого и низкого давления, полиуретан и вспененные разновидности этих компонентов не всегда применимы в областях передачи сигнала на сверхвысоких частотах. Здесь более уместен фторопласт и его разновидности. Этим можно существенно снизить затухания в кабеле При выборе способа прокладки радиочастотного кабеля также необходимо обращать внимание на то, что кабель в полиэтилене используют обычно для внешней прокладки (на улице, при эксплуатации во влажных и сырых помещениях, при минусовых температурах), а кабель в оболочке ПВХ для прокладки внутри помещения.Советы по выбору коаксиального кабеля
Очень важно при выборе кабеля обратить внимание на качество исполнения экранной оплётки. От плотности и материала его изготовления во многом зависит волновое сопротивление всего кабеля. Экран должен быть плотным и обязательно медным. Также следует обращать внимание на наличие алюминиевой экранирующей оплётки. Она призвана экранировать кабель от влияния помех извне. Но при наличии хорошей медной экранирующей оплётки, от алюминия можно отказаться. Кстати, присутствие в кабеле одновременно двух металлов, меди и алюминия, очень нежелательно. Все эти требования применимы ко всем коаксиальным кабелям, как к РК, так и к SAT и RG, к импортным и отечественным. И всегда при этом помнить, что дорогое не всегда хорошее.Где купить?
На сайте электротехнической компании Атлас в разделе кабеля и провода, представлен широкий ассортимент коаксиального кабеля, приобрести данную продукцию или уточнить информацию вы можете по телефону +7(495) 543-43-06, по электронной почте [email protected] или отправив заявку через систему заказов на сайте.Коаксиальный кабель 50 ом или 75 ом какой лучше выбрать
Коаксиальный кабель 50 ом или 75 ом какой лучше выбрать
Казалось бы, кабель на 50 или 75 Ом такая привычная для нас вещь, что многие даже не задумывались, почему используются именно эти значения. Некоторые объясняют это тем, что для таких значений проще сделать согласующее устройство для антенны, кто-то говорит, что так сложилось исторически или такие кабели просто дешевле в изготовлении и они более гибкие, другие же объясняют это меньшим затуханием в волноводе. Все они отчасти правы. Но все-таки, как получаются именно 50 и 75 Ом?
Коаксиальный волновод необходим для передачи энергии от антенны к приемному устройству, или же от передающего устройства к антенне.
Для приемника важно, чтобы волновод вносил как можно меньшее затухание, а для передатчика важно, чтобы был максимальный коэффициент передачи по мощности. Задавшись этими условиями можно произвести некоторый расчет и посмотреть, что в итоге получится.
Как мы уже сказали выше, для приемника необходимо наименьшее затухание в волноводе, то есть как можно большая амплитуда напряженности, которая определяется следующим выражением:
― амплитуда без учета затухания;
― коэффициент затухания волн в коаксиальном волноводе;
― длина линии;
― погонное активное сопротивление;
― волновое сопротивление;
― магнитная постоянная, равная ;
― относительная магнитная проницаемость, для большинства диэлектриков ;
― электрическая постоянная, равная Ф/м;
― относительная диэлектрическая проницаемость, для воздуха ;
Активное сопротивление коаксиального кабеля обратно пропорционально диаметру его проводников, проводимости материала из которого сделаны проводники и толщине скин-слоя
― проводимость материала проводника;
― толщина скин-слоя;
Подставим полученные выражения в формулу коэффициента затухания,
Наименьшее затухание в линии будет тогда, когда коэффициент максимален. Для того, чтобы найти максимум функции вспомним следующее правило: если дифференцируемая функция имеет в точке экстремум, то ее производная обращается в ноль в этой точке; если при прохождении через какую-то точку знак производной меняется с плюса на минус, то эта точка будет максимумом, а если с минуса на плюс, то минимумом.
Продифференцируем функцию коэффициента затухания по ,
Приравняв производную к нулю, решим уравнение
Волновое сопротивление волновода при таком соотношении диаметров оплетки и центральной жилы составляет 77 Ом,
Наименьшее ослабление сигнала в коаксиальном кабеле достигается при данном волновом сопротивлении. Для приемных систем было принято как стандарт округленное значение — 75 Ом. Это применяется обычно в телевидении
В случае передатчика (модемы, роутеры, репитеры, усилители сотовой связи и т.п.), то есть когда важен коэффициент передачи по мощности, с учетом напряженности пробоя коаксиальной линии получаем следующее:
известная со школы формула, только в ней нам следует учесть напряженность пробоя и вместо использовать волновое сопротивление .
Напряженность пробоя
выразив отсюда и подставив в формулу мощности получим,
Продифференцируем по ,
Приравняв производную к нулю, решим уравнение,
При таком соотношении диаметров волновое сопротивление коаксиального волновода
Максимальный коэффициент передачи по мощности с точки зрения передатчика наблюдается при сопротивлении 30 Ом, с учетом максимального напряжения пробоя.
Думаю, не сложно догадаться, зная оптимальные волновые сопротивления для приемника и передатчика, какое оптимальное сопротивление коаксиального волновода для приемопередатчика. Правильно, 50 Ом.
Для приёмо-передающих линий применяют кабели 50 Ом.
На практике же самым распространенным коаксиальным кабелем является 50 Ом кабель, поскольку в нем совмещена возможность передачи радиосигналов с небольшими потерями в кабеле, а так же близкие к предельно достижимым показания электрической прочности и передаваемой мощности.
В телевидении применение 75 Ом коаксиальных кабелей объясняется тем, что как было посчитано выше, такие кабели обладают наименьшим ослаблением сигнала, что и нужно для телевизионного приемника.
Информация взята с сайта we.easyelectronics.ru
Микроволны101 | Измерение характеристического импеданса
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу измерений
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу характеристического импеданса
Щелкните здесь, чтобы перейти на страницу с диаграммой Смита
Щелкните здесь, чтобы перейти на страницу рефлектометрии во временной области
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу четвертьволновых трансформаторов
Эта страница объединяет несколько различных попыток измерения характеристического импеданса (Z0). Единственное, что у них общего, это то, что все они используют электрические измерения линий передачи, а не электромагнитное моделирование или моделирование в закрытой форме.Только одно решение (пока) способно измерять Z0 по частоте, так что можно наблюдать дисперсию.
Можно ли измерить Z0 омметром?
Измерение Z0 с использованием коэффициента отражения
Измерение Z0 на диаграмме Смита
Микроволны 101 способ измерения Z0
Измерение Z0 с помощью рефлектометрии во временной области (отдельная страница)
Можно ли измерить Z0 омметром?
Ниже приводится текст, который мы нашли на веб-сайте «E-how» в 2012 году, в котором показано, как тестировать кабель с сопротивлением 50 или 75 Ом, с тех пор его содержимое было удалено.Во всемирной паутине много дезинформации, будьте осторожны. Хотя у них наверняка много рекламных ссылок!
1. Установите мультиметр на шкалу Ом около 100 Ом. Подходит более высокая шкала, но избегайте перехода к шкале, близкой к 1 кОм или выше. Коаксиальный кабель обычно рассчитан на работу при 50 или 75 Ом, поэтому шкала должна быть на этих значениях или выше.
2. Отсоедините оба конца кабеля от их разъемов.
3. Проверьте длину кабеля, поместив щуп мультиметра на каждый конец кабеля, касаясь центрального провода, выходящего из коаксиального разъема.
4. Считайте показания мультиметра. Значение около 50 или 75 Ом кабеля указывает на то, что кабель работает правильно по всей своей длине. Показание бесконечного сопротивления указывает на разрыв где-то внутри кабеля. Нулевое значение указывает на возможное короткое замыкание между внутренним кабелем и его экраном.
Нет лучшего способа сказать это, чем «какой идиот!» Плохие советы продолжаются, мы не будем их больше давать.
Что такое характеристический импеданс, также известный как «Z-ноль»? Начнем с распространенного заблуждения. Если у вас есть коаксиальный кабель на 50 Ом (или микрополосковая линия, или любая другая линия передачи на 50 Ом), который не подключен ни к чему на обоих концах, и подключите к нему омметр, вы можете рассчитывать на 50 Ом, если вы новичок. в микроволновую технику.Но вы измеряете разомкнутую цепь (если что-то не нагружает противоположный конец, что означает, что вы не следовали нашим простым инструкциям …) и не близко к пятидесяти Ом. В чем дело?
Но подождите, Йенс из Дании хочет, чтобы вы знали, что приведенное выше утверждение не на 100% технически верно:
На новой странице характеристического импеданса вы начинаете с утверждения, что вы не можете ничего измерить, если подсоедините обычный омметр к 50-омному кабелю или микрополоску.Это просто потому, что линия слишком коротка, чтобы счетчик мог получить показания. Для получения стабильных показаний глюкометру может потребоваться около 1 секунды. Если вы возьмете передачу без потерь, скажем, c x 1,5 (около 4,5 x exp (8) метров!), Вы получите показание, которое длится около 3 секунд. Однако у вас могут возникнуть некоторые практические проблемы с этим экспериментом. Линия намотает экватор примерно 11,25 раз. И получить его без потерь тоже будет сложно.
Спасибо, дайте нам знать, когда у вас будет кабель, чтобы мы могли провести измерения!
А теперь противоположная точка зрения Рафаэля…
Я считаю, что Йенс почему-то ошибочно делает вывод из феномена распространения волн. На мой взгляд, если вы можете провести эксперимент, вы никогда не увидите (скажем,) 50 Ом на вашем измерителе, потому что традиционные мультиметры получают сопротивление из измеренных напряжения и тока, чтобы отображать результат V / I, и у вас никогда не будет никакого тока. течет между двумя проводниками.
Определение сопротивления – это «сопротивление потоку электрического тока», тогда как определение импеданса – «сопротивление переменному току».Это означает, что «сопротивление» 50 Ом ведет себя одинаково (обеспечивает одинаковое сопротивление току) как на постоянном, так и на переменном токе. С другой стороны, «импеданс» в 50 Ом не обязательно будет одинаковым при постоянном или переменном токе.
Дело не в том, что у импеданса есть только реальная часть, это обязательно «сопротивление» … это может быть просто «импеданс».
Z = R + jX
Z = R
Мы склонны согласиться с Рафаэлем в этом, но надеемся на дальнейшее обсуждение! А вот еще несколько дискуссий от Марка, который согласен с Йенсом…
Хотя измерение постоянного тока действительно покажет отсутствие тока, проходящего через коаксиальный кабель без оконечной нагрузки, в краткосрочной перспективе (считая наносекундами) это неверно. Когда вы касаетесь выводов измерителя к кабелю, эти выводы имеют другой электрический потенциал по сравнению с электрическим потенциалом между центральным проводником и экраном. Чтобы выровнять потенциал между измерительными выводами и кабелем, ДОЛЖЕН течь ток. В конце концов, вам нужен заряд, чтобы иметь электрический потенциал, и вам нужен ток, чтобы создать этот заряд.В то время как начальная энергия, приложенная к кабелю, все еще распространяется от измерителя, измеритель действительно будет показывать 50 Ом. Проблема в том, что, как указал Йенс, вам понадобится либо очень быстрый мультиметр, либо очень длинный кабель, чтобы на самом деле увидеть на дисплее сопротивление 50 Ом.
Если взглянуть на это с другой стороны, кабель без потерь можно представить как бесконечную серию L-образных пар индуктивности и шунтирующих конденсаторов. Когда вы думаете в терминах последовательных катушек индуктивности и шунтирующих конденсаторов, вы можете легко представить себе получение другого показания, пока все L и C не стабилизируются на своих значениях устойчивого состояния.
Чтобы заявить, что счетчик всегда будет показывать обрыв, требуется, чтобы информация перемещалась быстрее скорости света. В конце концов, как измеритель может определить, закончен ли кабель, пока он не “запросит” электроны? В течение первых 100 мкс кабель длиной 100 мкс будет выглядеть одинаково с точностью до метра независимо от каких-либо открытых, коротких или нагруженных условий на другом конце. В противном случае информация должна распространяться быстрее, чем волна, распространяющаяся по кабелю.
У меня проблема с сообщением о том, что измеритель “взглянет” на импеданс в первую наносекунду и даст значимый результат.Оператор ждал несколько секунд для измерения, и он видел открытое, а затем съедал еще кусок своего пончика. Но вы все дали нам пищу для размышлений! – Неизвестный редактор
Измерение Z0 по коэффициенту отражения
Это пришло от Дуга. Спасибо! Мы также видели, как это было написано в руководстве по микроволновой печи. Между прочим, существует большая путаница по поводу обозначения Z0, которое представляет собой характеристический импеданс линии передачи, и ZT, который представляет собой полное сопротивление оконечной нагрузки.Поскольку Z0 часто сопоставляется с ZT, люди склонны использовать эти термины взаимозаменяемо. Благодаря Parit мы попытались очистить следующий текст, чтобы он соответствовал соглашению.
Если вы измеряете неизвестный кабель с неизвестным Z0, просто возьмите измеренные S-параметры и перенормируйте их на любое значение, дающее вам наибольшие возвратные потери (т. Е. S11 <-20 дБ или около того). Это не будет зависеть от длины (однако она должна иметь некоторую измеримую длину, скажем, больше, чем lambda / 8).Нормализованный импеданс, который дает наименьшее значение, - это Z0 неизвестной линии передачи. Например, в идеале линия передачи 75 Ом, нормированная на 75 Ом, будет давать бесконечные возвратные потери.
Если вы отобразите это на диаграмме Смита, правильный Z0 – это тот мяч, который дает вам самый плотный мяч в центре. На днях добавим картинку. Но имейте в виду, что с помощью этого метода невозможно увидеть небольшие эффекты дисперсии (которые могут немного изменить импеданс линии передачи по частоте).
Измерение Z0 на диаграмме СмитаЕсли вы нанесете S11 на диаграмму Смита для длины линии с неизвестным импедансом, она начертит круг с одной точкой на окружности круга в центре диаграммы. Диаметр круга математически связан с импедансом линии. Если линия была четвертьволновой, если вы построили ее по частоте до точки четвертьволны, она расшифровывает полукруг. В этом случае легко вычислить соотношение импеданса линии.
Ниже приведена линия Z0 с сопротивлением 25 Ом, “измеренная” между двумя выводами ZT на 50 Ом:
Когда мы наносим коэффициент отражения на диаграмму Смита, вы можете увидеть круг, который развивается слева от точки ZT = 50 Ом. Когда линия достигает половины длины волны, круг замыкается, а затем он просто пересекает себя по мере того, как вы продвигаетесь дальше по частоте. Маркер показывает сопротивление 0,25, нормированное на ZT, или 12,5 Ом (0,25 x 50 Ом).
На отметке m1 линия образует классический четвертьволновый трансформатор, на этой частоте сеть выглядит как реальный 12.2/50 = 12,5
, где Z0 – импеданс линии (действующей как четвертьволновый трансформатор), Zin – полное сопротивление, смотрящее на нее, а Z0 – полное сопротивление системы, которое ограничивает оба конца линии.
Решение для Z0, когда оно неизвестно, просто:
Z0 = КСВВ (Zin * ZT)
Импеданс линии, таким образом, связан с диаметром круга, по которому ее коэффициент отражения отслеживает по частоте. Только не заблуждайтесь, говоря, что центр круга представляет сопротивление трансформатора, это НЕ.Вы должны использовать показанное выше уравнение, чтобы найти ZT.
Между прочим, величина коэффициента отражения, когда вы находитесь на действительной оси слева от Z0, составляет:
ро = (Z0-Zin) / (Z0 + Zin)
Что в данном случае составляет 0,6 (или -4,43 дБ, если вы предпочитаете децибелы.
Если бы ваш коэффициент отражения был справа от Z0 (и на действительной оси), коэффициент отражения был бы:
rho = (Zin-Z0) / (Zin + Z0).
Если вы перепутаете их, единственная ошибка будет заключаться в том, что количество будет отрицательным.
Микроволны101
способ измерения Z0Ниже мы обсудим нашу идею по измерению характеристического импеданса линии передачи, основанную на вопросе, который возник в нашем случае. Вероятно, это не более чем математическое упражнение, но никогда не знаешь, когда оно может быть полезно. Если кто-то дал вам коаксиальный кабель и не знает, 75 или 50 Ом, этот трюк может сработать. Это действительно расчет Z0 на основе прямого измерения коэффициента отражения.И он полностью способен измерять дисперсию или то свойство микрополосковых и других линий передачи, не являющихся полностью ТЕМ, где Z0 изменяется с частотой (по крайней мере, теоретически!). Вот предпосылка:
Вам не нужна полная полуволновая линия, чтобы обвести круг, чтобы найти его диаметр … чтобы определить диаметр круга, вам нужно всего три точки. Описанный круг треугольника, который они образуют, легко вычислить, вы можете найти формулу в Википедии. Теперь вы можете измерить характеристический импеданс линии по трем частотным точкам величины и угла S11!
Мы составили таблицу Excel, в которой производится вычисление «диаметра» для каждого набора из трех последовательных частотных точек.Затем он преобразуется в зависимость сопротивления от частоты. Файл Excel называется «Калькулятор импеданса 101.xls», его можно найти здесь.
Существуют возможные ошибки, которые необходимо свести к минимуму, чтобы этот метод дал точную оценку Z0. Если в измерении присутствуют паразиты (например, разъемы на концах кабеля с неизвестным импедансом), то расчет может быть отключен. Для достижения наилучших результатов необходимо полностью учитывать S-параметры. На графике вы увидите, что рассчитанный импеданс зависит от частоты.Возможно, самая низкая ошибка возникает на самой низкой частоте, если кто-то еще хочет порассуждать об этом, мы хотели бы услышать от вас!
Есть два решения математики. Мы не придумали, как сделать электронную таблицу достаточно умной, чтобы выбрать правильный, но выбрать правильный легко. Если круг находится слева от центра, Z0
Пример 1
Мы получили коэффициент отражения из электромагнитного моделирования линии передачи.Ниже он нанесен (таблицей) от нуля до 10 ГГц. Круг находится справа от начала координат, поэтому сопротивление линии передачи должно быть больше 50 Ом. К сожалению, нам было лень нанести данные на настоящую диаграмму Смита!
Вот что показывает таблица для Z0: характеристическое сопротивление линии находится где-то между 69 и 75 Ом. Трансформатор на 69 Ом сделает нагрузку похожей на нагрузку 95,2 Ом или с коэффициентом отражения 0,311, который находится примерно в том месте, где этот круг пересекает ось X.
Почему импеданс зависит от частоты? Вероятно, нет … это «ошибка измерения» из-за паразитов в электромагнитном моделировании.
Есть информация об измерении волнового сопротивления? Отправьте его нам. пожалуйста!
Импеданс кабеля
Этот документ пытается прояснить некоторые детали линий передачи. и индуктивность кабеля. Этот документ представляет собой лишь краткое введение в эти темы.Если вы планируете много работать с линиями передачи, коаксиальными или в противном случае стоит потратить время, чтобы получить книгу об этом тема. Идеальная книга зависит от вашего образования в области физики или электротехники. инженерное дело и математика.
Какое сопротивление кабеля и когда оно необходимо?
Основная идея заключается в том, что проводник на радиочастотах больше не ведет себя как проводник. штатный старый провод. Так как длина жилы (провода) приближается примерно к 1/10 длина волны передаваемого сигнала – старая добрая схема правила анализа больше не применяются.Это тот момент, когда такие вещи, как На сцену выходят импеданс кабеля и теория линии передачи.
Ключевой принцип всей теории линий передачи состоит в том, что полное сопротивление источника должен быть равен импедансу нагрузки для достижения максимальной передачи мощности и минимальное отражение сигнала в пункте назначения. В реальном мире обычно это означает, что полное сопротивление источника такое же, как и полное сопротивление кабеля. и значение приемника на другом конце кабеля также имеет такое же сопротивление.
Как определяется импеданс кабеля?
Характеристический импеданс коэффициента передачи кабеля от напряженности электрического поля до напряженности магнитного поля для волн распространяющиеся в кабеле (В / м / А / м = Ом).
Закон Ома гласит, что если напряжение (E) приложено к паре клемм и в этой цепи измеряется ток (I), то для определения величины импеданса (Z) можно использовать следующее уравнение. Следующая формула будет держать истину:
Z = E / IЭто соотношение справедливо, будь то постоянный ток (DC) или переменный ток (AC).
Характеристическое сопротивление и обычно обозначается Zo или «Zed naught». Когда по кабелю передается ВЧ-мощность без стоячих волн, Zo также равно отношение напряжения на линии к току, протекающему в линейные проводники. Так определяется характеристическое сопротивление по формуле:
Zo = E / IНапряжения и токи зависят от индуктивного сопротивления и емкостное реактивное сопротивление в кабеле. Итак, характеристическое сопротивление формулу можно записать в следующем формате:
Zo = sqrt ((R + 2 * pi * f * L) / (G + j * 2 * pi * f * c))Где:
- R = последовательное сопротивление проводника в омах на единицу длины (сопротивление постоянному току)
- G = Шунтирующая проводимость в mhos на единицу длины
- j = символ, указывающий, что член имеет фазовый угол +90 градусов (мнимое число)
- пи = 3.1416
- L = Индуктивность кабеля на единицу длины
- C = Емкость кабеля на единицу длины
- sqrt = функция квадратного корня
Zo = sqrt (R / (j * 2 * pi * f * C))Если емкость не меняется с частотой, Zo изменяется обратно пропорционально квадратному корню из частоты и имеет фазовый угол, который составляет -45 ° около постоянного тока и уменьшается до 0 ° с увеличением частоты.Емкость поливинилхлорида и каучука несколько снижается с увеличением частоты, тогда как полиэтилен, полипропилен и тефлон * существенно не меняются.
Когда f становится достаточно большим, два члена, содержащие f, становятся настолько большими, что R и G можно не учитывать, и результирующее уравнение выглядит следующим образом:
Zo = sqrt ((j * 2 * pi * f * L) / (j * 2 * pi * f * C))Что можно упростить до формы:
Zo = sqrt (аккредитив)
Характеристики кабеля на высоких частотах
На высоких частотах кабель нельзя рассматривать как обычный кабель.На на более высоких частотах он работает как волновод. Характеристическое сопротивление удельное сопротивление для электромагнитных волн. Итак: это нагрузка, которую создает кабель на высоких частотах. Он высокий частота идет (в зависимости от кабеля, конечно) обычно от 100 кГц и вверх.
Если вы подаете синусоидальный электрический сигнал переменного тока разумной частоты в один конец кабеля, то сигнал распространяется как электрическая волна вниз по кабелю. Если длина кабеля очень велика, длины волны на частоте этого переменного сигнала, и вы измеряете отношение переменного напряжения к переменному току в этой бегущей волне, тогда это отношение равно называется характеристическим сопротивлением кабеля.
В практических кабелях характеристический импеданс определяется геометрия кабеля и диэлектрик. Длина кабеля на это не влияет. характеристическое сопротивление.
Как выглядит модель коаксиального кабеля?
Коаксиальный кабель схематически представлен серией конденсаторы и индуктивности, своего рода странное устройство фильтров, конкретные значения, уникальные для конкретного типа коаксиального кабеля. При заданном частота, если она выбрана правильно, это устройство пропускает большую часть сигнала; в то время как на более высоких частотах это расположение ослабляет сигнал.
Как характеристики коаксиального кабеля определяют импеданс?
Длина не имеет ничего общего с импедансом коаксиального кабеля. Характеристический импеданс определяется размером и расстоянием между проводники и тип диэлектрика, используемого между ними. Для обычного коаксиального кабеля, используемого с разумной частотой, характеристический импеданс зависит от размеров внутреннего и внешние проводники, а также характеристики диэлектрического материала между внутренним и внешним проводниками.(1/2)) * лог (Д / д)
Где:
- журнал = логарифм 10
- d = диаметр центрального проводника
- D = внутренний диаметр экрана кабеля
- e = диэлектрическая проницаемость (= 1 для воздуха)
В ореховой скорлупе характеристический импеданс коаксиального кабеля равен квадратный корень из (индуктивность на единицу длины разделить на длина емкости). Для коаксиальных кабелей характеристический импеданс обычно составляет от 20 до 150 Ом.Длина кабель не имеет никакого значения в отношении характеристического сопротивления.
Если частота слишком высока для коаксиального кабеля, то волна может распространяться в нежелательных режимах (т. е. иметь нежелательные модели электрических и магнитных полей), а затем кабель не работает должным образом по разным причинам.
Каково полное сопротивление симметричных пар?
Характеристический импеданс определяется размером и расстоянием между проводники и тип диэлектрика, используемого между ними.У сбалансированной пары или двойных линий есть Zo, которое зависит от соотношения расстояние между проволоками в зависимости от диаметра проволоки и вышеизложенные замечания остаются в силе. Для практичных линий Zo на высоких частотах очень близко, но не совсем так, чистое сопротивление.
Можно использовать следующую формулу для расчета характеристического сопротивления симметричной пары вблизи земли: (формула взята из опубликованной книги «Справочные данные для радиоинженеров»). (1/2))
Где:
- журнал = логарифм 10
- d = диаметр проволоки
- D = расстояние между проводами в паре
- e = диэлектрическая проницаемость (= 1 для воздуха)
- h = расстояние между симметричной парой и землей
Для сдвоенной линии Zo обычно составляет от 75 до 1000 Ом в зависимости от предполагаемое приложение. Импеданс типичной старой телефонной пары в телефонных столбах в воздухе имеет характеристическое сопротивление около 600 Ом. Используемые телефонные и телекоммуникационные кабели обычно имеют характеристическое сопротивление 100 или 120 Ом.
Какую электрическую модель я могу использовать для длинного коаксиального кабеля?
Если вы знаете сопротивление и емкость определенной длины кабель можно использовать следующую электрическую модель:
л л л / / л
--- + uuuu + - + - + uuuu + - + - + uuuu + - /... / + uuuu + ---
| | | / / |
- + - - + - - + - - + -
С - + - С - + - С - + - С - + -
| | | / / |
---------- + -------- + ------ + - / ... / ------ + ---
/ /
Для этой модели полезно знать полезный импеданс.
уравнение, описывающее соотношение импеданса, емкости
и обучение:Z = sqrt (аккредитив)
Уравнения и модель основаны на том факте, что для «длинных» кабелей вы можете рассчитать полное сопротивление кабеля с помощью следующей модели:
л л л / / л
--- + uuuu + - + - + uuuu + - + - + uuuu + - /... / + уууу + ->
| | | / / |
- + - - + - - + - - + -
С - + - С - + - С - + - С - + -
| | | |
Z = jwL + [(1 / jwC) || {(jwL + [(1 / jwC) || ...
= Z
Поскольку цепочка бесконечна, члены справа просто равны Z. Получается хорошая квадратичная величина.“long” на самом деле не является ограничительным, чтобы соответствовать длине волны или лучше ориентировочно.
Могу ли я измерить сопротивление кабеля мультиметром?
Характеристическое сопротивление кабеля – это характеристики кабеля, которые действительно только для высокочастотных сигналов. Мультиметры используют постоянный ток для измерения сопротивления, поэтому вы не можете измерить импеданс кабеля используя мультиметр или другое простое измерительное оборудование. Обычно лучше проверять тип кабеля (обычно он указан на кабеле). и его характеристики импеданса из какого-то каталога вместо пытаюсь измерить это.
Как я могу измерить сопротивление кабеля?
Существуют отношения, которые делают определение Зо довольно простым с надлежащим оборудованием. Можно показать, что если на данной частоте полное сопротивление отрезка кабеля измеряется с открытым дальним концом (Zoc), а измерение повторяется с закороченным дальним концом (Zsc), можно использовать следующее уравнение для определения Zo:
Zo = sqrt (Zoc * Zsc)Где:
- Zoc = полное сопротивление отрезка кабеля измерено при открытом дальнем конце
- Zsc = полное сопротивление отрезка кабеля измерено с закороченным дальним концом
Высокочастотные измерения Zo производятся путем определения скорости распространения и емкости кабеля или рефлектометрии.
Когда сопротивление кабеля влияет на сигнал?
Чтобы характеристическое сопротивление кабеля составляло любое разница в способе прохождения сигнала через него, кабель должен быть по крайней мере, большая часть длины волны для конкретного частота, которую он несет.
Скорость движения большинства проводов при переменном токе составляет от 60 до 70 процентов. скорость света, или около 195 миллионов метров в секунду.Звуковая частота 20000 Гц имеет длина волны 9750 метров, поэтому кабеля должно быть четыре или пять * километров * задолго до того, как это стало влиять на звук частота. Вот почему характеристический импеданс аудиосвязи Кабели – это не то, о чем большинству из нас есть о чем беспокоиться.
Нормальный видеосигнал редко превышает 10 МГц. Это о 20 метров на длину волны. Эти частоты приближаются к тому, чтобы быть достаточно высокий, чтобы характеристический импеданс мог быть фактором.Компьютерные видеосигналы высокого разрешения и быстрые цифровые сигналы легко превышает 100 МГц, поэтому необходимо правильное согласование импеданса даже в коротких кабельных трассах.
Как работает согласование импеданса
Во-первых, вы хотите проложить кабель с электрический источник с выходным сопротивлением, равным характеристическое сопротивление кабеля, так что вся выходная мощность источника идет в кабель, а не отражается от входного конца кабеля обратно в источник. Во-вторых, вам нужна электрическая нагрузка на выходе. кабеля, чтобы иметь входное сопротивление, равное характеристике сопротивление кабеля, так что вся мощность идет на нагрузку вместо того, чтобы отражаться от нагрузки обратно в кабель.
Есть много исключений из этого обычного способа вождения, но те используются для спецэффектов. Вы можете выбрать соответствие импеданса для максимальная передача мощности при низкой полосе пропускания или несоответствие импеданса для более плоская частотная характеристика. Это вызов инженера, в зависимости от того, что он хочет.
Зачем нужно согласование импеданса?
Если у вас есть несоответствия между выходным сопротивлением источника, характеристическое сопротивление кабеля и входное сопротивление нагрузки, затем отражения могут существенно зависеть от длины кабеля.И если вы деформируете кабель, например, из-за раздавливания или перекручивания, или если вы устанавливаете разъемы неправильно, тогда у вас могут быть отражения, в результате чего мощность потеря. А также иногда отраженная мощность может повредить источник питания, если отправляется на кабель (например, радиопередатчик). Поэтому вам нужно быть осторожным с несовпадением импеданса.
Аномалия, которая встречается не во всех учебниках, – это когда антенна толкает питание обратно (не правильное завершение), это выглядит внутри щита и внешней стороны, любой из которых самый низкий, получает силу.Это означает, что RF может перемещаться по внешней стороне коаксиального кабеля. Самая сложная концепция коаксиального кабеля – XL, XC не существует. (к передатчику), если кабель заделан.
Наиболее частые причины для перечисления импеданса кабеля заключаются в том, что его надежных электрических характеристик и того самого импеданса листинг. Коаксиальный кабель часто используется для передачи сигналов низкого уровня с более высокой частотой. которые разделены. Разделение очень дорого с точки зрения потери сигнала – идеальное согласование импеданса будет стоить вам половины сигнала и даже небольшое рассогласование очень дорого, особенно в отношении сигналов мощности антенны.Тщательно подобранные несущие, такие как коаксиальный кабель, необходимы для сохранения сигнала на пониженный шум.
Какое влияние номинальная емкость оказывает на кабель производительность или возможности передачи?
Емкость кабеля не имеет значения, если коаксиальный кабель терминирован. Передатчик не будет видеть ни емкости, ни индуктивности.
И эта характеристика линии передачи используется, чтобы скрыть емкость в высокочастотные печатные платы. Инженеры могут спроектировать дорожки на печатной плате так, чтобы они правильные значения емкости и индуктивности, чтобы передатчик не видите ничего, кроме линии передачи с надлежащим сопротивлением.
Почему характеристический импеданс важен при передаче данных?
Если кабель оконцован с соответствующим характеристическим импедансом, вы не можете сказать с передающего конца, что кабель не бесконечно длинный – весь сигнал, который подается в кабель, принимается кабелем и нагрузкой.
Если импедансы не совпадают, часть волн в кабеле будет отражаться обратно на кабельные соединения, искажая исходящие волны. Когда эти отраженные волны попадают в генератор волн, они снова отражаются и смешиваются с исходящими волнами, так что трудно сказать, какие волны являются исходными, а какие – переотраженными.
То же самое происходит, когда по кабелю посылаются импульсы – когда они сталкиваются с импедансом, отличным от характеристического импеданса кабеля, часть их энергии отражается обратно к передающему концу. Если импульсы обнаруживают разрыв цепи или короткое замыкание, вся энергия отражается (кроме потерь из-за затухания – другой предмет). Для других оконечных устройств будет отражено меньшее количество энергии.
Эта отраженная энергия искажает импульс, и если импеданс генератора импульсов не совпадает с характеристическим импедансом кабеля, энергия будет повторно отражаться обратно по кабелю, проявляясь в виде дополнительных импульсов.
Могу ли я использовать коаксиальный кабель без согласования импеданса?
Если коаксиальный кабель очень короткий, сопротивление кабеля не изменится. имеют большое влияние на сигнал. Обычно зверский способ передачи сигнал через коаксиальный кабель для согласования импеданса, хотя есть некоторые приложения, в которых нормальный импеданс сопоставление на обоих концах не выполняется. В некоторых специальных приложениях кабель может быть согласован только по сопротивлению только на одном конце или намеренно ошибочно на обоих концах.Это приложение являются частными случаями, когда учитывается импеданс кабеля. так что комбинация кабеля и концевой заделки на концах кабеля производят желаемую передачу характеристики всей системы. В этом виде специального применения кабель не считается пассивная линия передачи, но компонент, изменяющий сигнал в цепи.
Как насчет скорости распространения?
Скорость распространения в процентах, основанная на скорости света в вакуум.Процент показывает, какова скорость сигнала в кабеле. по сравнению со скоростью света в вакууме. В коаксиальном кабеле при разумных условиях скорость распространения зависит от характеристик диэлектрического материала.
Почему показатели затухания имеют тенденцию увеличиваться с увеличением частоты?
Обычно это происходит из-за ограниченного проникновения тока в внутренние и внешние проводники (скин-эффект). С увеличением частоты ток менее глубоко проникает в проводники, и таким образом ограничивается более тонкой областью металла.Следовательно сопротивление, следовательно, затухание выше. Это также может быть частично вызвано за счет потерь энергии в диэлектрическом материале.
Как минимизировать затухание в коаксиальном кабеле?
Для линии с фиксированным внешним диаметром проводника, у которой внешний и внутренние проводники имеют одинаковое удельное сопротивление, и если предположить, что вы используете диэлектрик с незначительными потерями (например, полиэтилен или тефлон в высокочастотном диапазоне хотя бы), то получится минимальные потери в коаксиальном кабеле, если минимизировать выражение:
(1 / д + 1) / лн (1 / д)где d – отношение внутреннего диаметра проводника к внешнему. ID проводника.Электронная таблица или калькулятор приближают вас довольно быстро: D / d = 3.5911 близко. Утверждалось, что формула Thr получена из формулы для коаксиального импеданса в зависимости от D / d и формулы для потерь, которые вы найти в «Справочных данных для инженеров», опубликованных Ховардом Сэмом, на стр. 29-13 в седьмом издании.
Интересная вещь Обратите внимание, что эта минимальная потеря напрямую не дает сопротивление линии: полное сопротивление линии зависит от диэлектрика постоянная диэлектрика. Для линии с воздушной изоляцией соответствующий импеданс составляет около 76.71 Ом, но если линия изолирован сплошным полиэтиленом, то затухание минимальное составляет около 50,6 Ом. Как бы то ни было, все RG-58 мы используем для питания антенн и подключения тестового оборудования. довольно близко к минимальному затуханию, учитывая вышеизложенное условий, и что диэлектрик – полиэтилен.
Но если в линии используется вспененный диэлектрик с коэффициентом скорости 0,8, тогда импеданс минимального ослабления будет около 61 Ом. Однако этот минимум довольно широк, и вы не начните терять много, пока не получите более 50% от оптимального импеданса.
Обратите внимание, что линия пено-диэлектрическая с таким же импедансом и наружный диаметр, поскольку линия из твердого диэлектрика будет иметь меньшие потери. Это потому, что для получения того же импеданса линия пены будет иметь больший внутренний проводник, и этот больший проводник будет иметь более низкое радиочастотное сопротивление и, следовательно, более низкие потери.
Типичное сопротивление кабеля
Какое типичное сопротивление кабеля?
Наиболее типичные используемые коаксиальные кабели с сопротивлением 50 и 75 Ом. кабели. Коаксиальные кабели с сопротивлением 50 Ом могут быть наиболее часто используемыми коаксиальными кабелями. кабели, и они обычно используются с радиопередатчиками, радио приемники, лабораторное оборудование и в сети Ethernet.
Другой широко используемый тип кабеля – это циаксиальный кабель 75 Ом, который используется в видео приложениях, в сетях кабельного телевидения, в разводке телевизионных антенн и в телекоммуникационных приложениях.
600 Ом – это типичный импеданс для симметричных линий с открытым проводом для телеграфия и телефония. Скрученная пара проводов калибра 22 с разумная изоляция на проводах составляет около 120 Ом для те же механические причины, что и другие типы линий передачи имеют свои характеристические импедансы.
Двойной провод, используемый в некоторых антенных системахa, имеет сопротивление 300 Ом, чтобы соответствовать свернутый диполь в импедансе свободного пространства (Однако, когда этот сложенный диполь является частью Яги (лучевой) антенны, импеданс обычно немного ниже, обычно в диапазоне 100-200 Ом.).
Почему коаксиальный кабель 50 Ом?
Стандартное сопротивление коаксиальной линии для высокочастотных помех. передача энергии в в США почти исключительно 50 Ом. Почему было выбрано это значение данные в статье, представленной _Bird Electronic Corp._ Стандартное сопротивление коаксиальной линии для высокочастотных помех. передача энергии в в США почти исключительно 50 Ом. Почему было выбрано это значение данные в статье, представленной Bird Electronic Corp.
Разные значения импеданса оптимальны для разных параметров. Максимальная несущая способность достигается при соотношении диаметров 1,65. соответствующий импедансу 30 Ом. Оптимальное соотношение диаметров для напряжения пробой составляет 2,7, что соответствует сопротивлению 60 Ом (кстати, стандартный импеданс во многих европейских странах).
Допустимая мощность при пробое игнорирует плотность тока что является высоким при низком импедансе, например, 30 Ом. Затухание из-за одни только потери в проводнике при этом импедансе почти на 50% выше, чем при минимальное сопротивление затухания 77 Ом (отношение диаметров 3,6). Это соотношение, однако, ограничено только половиной максимальной мощности 30-омная линия.
Раньше было трудно найти микроволновую печь, и линии не может облагаться налогом до предела. Поэтому низкое затухание было преобладающий фактор, приводящий к выбору 77 (или 75) Ом в качестве стандарт.Это привело к появлению аппаратных средств определенных фиксированных размеров. Когда диэлектрические материалы с низкими потерями сделали гибкую линию практичной, размеры линий остались неизменными, чтобы обеспечить стыковку с существующими оборудование.
Диэлектрическая проницаемость полиэтилена 2,3. Импеданс Воздуховод с сопротивлением 77 Ом уменьшается до 51 Ом при заполнении полиэтиленом. 51 Ом все еще используется сегодня, хотя стандарт точности составляет 50 Ом.
Затухание минимальное на 77 Ом; напряжение пробоя максимальное при 60 Ом а максимальная допустимая мощность составляет 30 Ом.
Еще одна вещь, которая могла привести к 50-омному коаксиальному кабелю, – это то, что если вы возьмете центральный провод разумного размера и поместите изолятор вокруг него, а затем оберните его экраном и выберите все размеры, чтобы они были удобны и механически хорошо смотрелись, тогда сопротивление будет около 50 Ом. Чтобы поднять сопротивление, диаметр центрального проводника должен быть крошечным с относительно общего размера кабеля. И чтобы снизить сопротивление, толщина изоляции между внутренними проводниками и щит должен быть очень тонким.Поскольку почти любой коаксиальный кабель, который * выглядит * хорошо по механическим причинам в любом случае оказывается, что сопротивление близко к 50 Ом, естественная тенденция к стандартизации ровно на 50 Ом.
Емкость кабеля и волновое сопротивление
Возьмите кусок коаксиального кабеля, ни к чему не подключенный. Центральный проводник и щит образуют конденсатор. Если вы зарядите этот конденсатор до 100 В, затем закоротите экран на центральный провод, какой ток поток?
Оно не бесконечно (или определяется паразитным сопротивлением и реактивное сопротивление), как у «нормального конденсатора», но оно определяется характеристическое сопротивление линии.Если линия 50 Ом заряжена до 100 В, тогда ток БУДЕТ 2 Ампер. (100/50) Будет квадрат импульс и временная ширина (длительность, длительность импульса независимо от того, что вы выберите называть его) будет определяться длиной леска (около 1,5 нСм / фут в зависимости от коэффициента скорости лески).
Этот метод можно использовать, например, для генерации импульсов тока для полупроводниковые лазеры. Чтобы получить более длинные импульсы, чем можно было бы получить с практичными коаксиальными линиями можно использовать практически эквивалентный сосредоточенный импеданс.
Использование коаксиальных кабелей в приложениях
Что произойдет, если я использую кабель с сопротивлением 50 Ом для приложения Vidoe, которому нужен кабель с сопротивлением 75 Ом?
Если кабель 50 Ом видит нагрузку 75 Ом (приемник), значительная часть сигнал будет отражен обратно в передатчик. Поскольку передатчик также имеет сопротивление 75 Ом, это отраженный сигнал будет существенно отражен обратно в приемник. Потому что задержки, он будет отображаться на картинке как неприятный привидение. Множественные призраки вот так выглядят звенящие.Также отражения вызывают частичный сигнал отмены на различных частотах.
Как преобразовать значения импеданса кабеля?
Само сопротивление кабеля не может быть преобразовано, если вы не замените весь кабель с новым кабелем с правильным сопротивлением. Если вам абсолютно необходимо использовать существующий кабель для вашего приложения тогда есть один способ использовать выходной кабель: преобразователи импеданса. Есть трансформаторы, которые могут придать кабелю различное сопротивление. кабель, если они установлены на обоих концах кабеля.
В некоторых приложениях резистивные адаптеры можно преобразовать сопротивление кабеля. Эти переходники проще трансформаторов, но обычно имеют заметную потерю сигнала в них (обычно около 6 дБ для преобразования 75 Ом в 50 Ом).
Импеданс дорожек на печатной плате
Высокоскоростные сигналы можно направлять на печатную плату, если соблюдать осторожность. чтобы импеданс дорожек соответствовал импедансу драйвера источника и оконечное сопротивление назначения.Микрополосковая линия будет иметь характеристический импеданс, если толщина, ширина и высота линии над землей контролируются.
Формула характеристического сопротивления:
Z = (87 / sqrt (Er + 1,41)) * ln ((5,98 * h) / (0,8 * w + t))Где:
- Er = диэлектрическая проницаемость (4,8 для типичной плиты из стекловолокна)
- h = высота диэлектрика (толщина стеклопластика между трассировка над землей)
- t = толщина медного материала в микрополоске
- w = ширина медного материала в микрополоске
При прокладке дорожек на печатной плате дифференциальные пары должны иметь след такой же длины. Эти линии трассировки также должны быть как можно короче.
Согласование импедансов между разными импедансами
Если подключены два кабеля с разным сопротивлением вместе или кабель подключен к источнику, который имеет другой импеданс, то требуется какое-то согласование импданса, чтобы Избегайте отражения сигнала в местах, где проложены кабели. связаны вместе.2 Из этого уравнения вы можете видеть, что Nb / Na совпадает с коэффициент передачи напряжения трансформатора между приматы и второстепенные. Это означает, что когда вы знаете это соотношение вы можете использовать уравнение, не зная точное передаточное число оборотов.
Сетевые резисторы согласования импеданса
Соответствующую сеть, показанную ниже, можно использовать для сопоставления двух
неравные импедансы при условии, что Z1 больше, чем Z2. ____
---- | ____ | --- + ---------
R1 |
| |
Z1 | | R2 Z2
| _ |
|
------------- + ----------
Резистор для этой схемы можно рассчитать, используя следующие уравнения:
R1 = Z1 - Z2 * R2 / (Z2 + R2) R2 = Z2 * sqrt (Z1) / (Z1-Z2)В таблице ниже показаны некоторые предварительно рассчитанные значения для некоторых наиболее распространенные ситуации взаимодействия:
Z1 Z2 R1 R2 Затухание (Ом) (Ом) (Ом) (Ом) (дБ) 75 50 42,3 82,5 5,7 150 50 121 61,9 9,9 300 50 274 51,1 13,4 150 75 110 110 7,6 300 75 243 82.5 11,4
Как видно из таблицы стоимость простого резистора основанное на согласовании импеданса довольно большое затухание уровня сигнала в процессе конвертации.
Комментарии
Я получил следующий комментарий по уравнению импеданса кабеля:
Я прочитал ваш документ, который, должен сказать, очень хорошо написан. (1/2)) * log (D / d) *, но это верно только для идеального проводника.1/2) * журнал (D / d)) * 0,83
Томи Энгдал <[email protected]>
симв. Импеданс
На очень высоких частотах утечка G не будет равна нулю из-за диэлектрический нагрев. Мы собираемся остановиться на этих частотах и сосредоточиться в области, где G все еще близка к нулю.
Числитель в выражении для Z 0 можно упростить, поскольку \ [\ begin {array} {l} {\ rm {if}} \; R ‘\ ll 2 \ pi fL’ \\ {\ rm {then}} \; \ left ({R ‘+ j2 \ pi fL’} \ right) \ cong j2 \ pi fL ‘ \ конец {массив} \] это позволяет нам придумать очень простую форму для Z 0 \ [\ begin {array} {l} {Z_0} = \ sqrt {\ frac {{R ‘+ j2 \ pi fL’}} {{G ‘+ j2 \ pi fC’}}} \\ {Z_0} \ cong \ sqrt {\ frac {{R ‘+ j2 \ pi fL’}} {{0 + j2 \ pi fC ‘}}} \; {\ rm {(при условии, что G’ = 0)}} \\ {Z_0} \ cong \ sqrt {\ frac {{0 + j2 \ pi fL ‘}} {{j2 \ pi fC’}}} \; {\ rm {(при условии}} f \ gg \ frac {{R ‘ }} {{2 \ pi L ‘}} {\ rm {)}} \\ {Z_0} \ cong \ sqrt {\ frac {{j2 \ pi fL ‘}} {{j2 \ pi fC’}}} \\ {Z_0} \ cong \ sqrt {\ frac {{L ‘}} {{C’}}} \ конец {массив} \]
Когда люди говорят о «характеристическом импедансе», они обычно означают импеданс на высоких частотах.Обратите внимание, это не имеет ничего общего с сопротивление проводов или утечка между ними. На высоких частотах полное сопротивление определяется исключительно индуктивностью и емкостью.
Скорость и волновое сопротивление линии передачи имеют одинаковые формы \ [\ begin {array} {l} v = \ frac {1} {{\ sqrt {L’C ‘}}} \\ {Z_0} = \ sqrt {\ frac {{L ‘}} {{C’}}} \ конец {массив} \] Если вы посмотрите на открытые проводные линии (два параллельных провода, изолированные воздухом), скорость это скорость света, независимо от расстояния между проводами.Широко разнесенные провода имеют высокую индуктивность, низкую емкость и, следовательно, высокий импеданс. Близко расположенные провода будут иметь низкую индуктивность, высокую емкость и низкое сопротивление.
Добавление изолятора, такого как полиэтилен, между проводами увеличивает емкость, в то время как не влияет на индуктивность.Увеличение C при сохранении постоянного L замедлит скорость, и понизить характеристическое сопротивление.
Для кабелей связи типичные значения импеданса находятся в диапазоне от нескольких десятков Ом, вплоть до несколько сотен Ом. Коаксиальный кабель можно легко найти в версиях на 50 и 72 Ом. Скрученный пара составляет около 100 Ом.Двухжильный кабель имеет сопротивление около 300 Ом, а некоторые широко разнесены. проводные линии приходите на 600 Ом.
Что такое волновое сопротивление? – AD5GG
Мир радиочастот полон эзотерической терминологии, и не в последнюю очередь это характеристический импеданс, или Z 0 . Большинство коаксиальных кабелей имеют волновое сопротивление 50 или 75 Ом. Если вы хотите узнать, почему 50 Ом стали своего рода стандартом для радиоприложений, вы можете прочитать этот пост.Проще говоря, характеристический импеданс рассчитывается по формуле справа, извлекая квадратный корень из распределенной индуктивности (например, нГн на метр), деленной на распределенную емкость (например, пФ на метр).
При правильном определении характеристический импеданс равен:
Отношение амплитуд напряжения и тока одиночной волны, распространяющейся вниз по линии.
Одиночная волна означает волну, движущуюся в одном направлении, без отраженных волн или других аномалий.
Что в имени? Коаксиальный означает, что оба проводника в кабеле имеют одну и ту же ось, то есть: если вы разрежете кусок коаксиального кабеля и посмотрите на обрезанный конец, радиус как внутреннего, так и внешнего проводов можно измерить от центральной линии внутренний проводник.
Понятно, что кусок проволоки имеет собственную индуктивность. Также легко понять, что будет емкость между внутренней жилой и внешней оплеткой коаксиального кабеля или между линиями, составляющими лестничную линию.Следовательно, линию передачи (лестничную, коаксиальную, микрополосковую, копланарный волновод и т. Д.) Можно представить как серию катушек индуктивности и конденсаторов, как показано справа, начиная с L1, C1, затем L2, C2 и продолжая. вниз по строке до Ln, Cn в конце строки. Это не настоящие катушки индуктивности или конденсаторы, а скорее распределенные электрические свойства линии передачи (последовательная индуктивность, шунтирующая емкость), и они препятствуют изменению напряжения и тока в линии.См. Эту страницу о распределенной модели для получения дополнительной информации об этом.
Представьте себе сигнал мощностью 1 Вт в линии передачи 50 Ом. Это соответствует пику в 1 вольт. (отношение мощности к напряжению в системе с сопротивлением 50 Ом: V , пик = 10 P [ дБм] -10/20 ).
Мы включаем сигнал, и он начинает распространяться, отталкивая электроны по кабелю (ради аргумента) со скоростью света. Он покрыл 1 метр кабеля за 3,3 наносекунды. За фронтом распространяющейся волны находится разность потенциалов в 1 вольт, создаваемая этой волной, и она существует между центральным проводником и экраном кабеля.Фактически это конденсатор с накопленным положительным зарядом на центральном проводнике и накопленным отрицательным зарядом на экране. Распределенная индуктивность также сохраняет эту энергию в магнитном поле.
Перед фронтом волны кабель еще не заряжен и остается под нулевым потенциалом. Однако каждые 3,3 наносекунды сигнал распространяется на еще один метр в кабель, он заряжает каждый «конденсатор» и «индуктивность» до этого потенциала в 1 вольт, потребляя больше заряда от источника сигнала.
Характеристический импеданс линии передачи напрямую связан с физической геометрической конструкцией элементов линии передачи и диэлектрической средой, которая существует между ними. Таким образом, характеристический импеданс не изменяется с длиной линии передачи.
Например, характеристический импеданс линии передачи с двумя выводами или лестничной линией является функцией диаметра используемых кабелей и расстояния между ними. Для коаксиального кабеля характеристический импеданс является функцией внешнего диаметра внутренней жилы ( d2 ниже), внутреннего диаметра внешнего экрана ( d1 ниже) и диэлектрической проницаемости изоляционной пены, ПТФЭ. , или что-то другое, что используется между двумя проводниками ( k ниже).Теперь легко понять, почему коаксиальный кабель имеет минимальный радиус изгиба, связанный с его размером, поскольку раздавленный или перекрученный коаксиальный кабель – это плохо. Везде, где происходит повреждение, происходит скачкообразное изменение импеданса из-за разницы в размерах двух проводников.
Характеристическое сопротивление нельзя измерить с помощью мультиметра, установленного на Ом. Я видел, как люди пытались сделать это, ища результат в 50 Ом. Так не получается. Характеристический импеданс также может называться мгновенным импедансом или импульсным сопротивлением , поскольку он является мерой реакции кабеля на короткий конечный шаг или импульс, когда этот импульс распространяется по линии.Или, другими словами, это мгновенный импеданс, который видит импульс (или фронт волны), когда он распространяется по линии. Техническая сторона того, как определяется характеристический импеданс (dV / dt, dI / dt, волновые уравнения и т. Д.), Может очень быстро усложниться и широко публикуется, поэтому нет необходимости здесь так глубоко углубляться.
Эксперимент
Возьмите отрезок коаксиального кабеля и батарею. Измерьте максимальный мгновенный ток, когда вы подключаете аккумулятор к коаксиальному кабелю (например, экран к минусу, центральный провод к плюсу), когда аккумулятор заряжает кабель.Это произойдет очень быстро. Возможно, вам понадобится осциллограф с дифференциальным пробником или какое-нибудь другое приспособление для измерения всплесков тока. Обратите внимание на текущее значение. Оттуда это простой Z o = V bat / I , измеренный для определения характеристического импеданса.
Мгновенное измерение
Если вы измерили бесконечно длинный кусок коаксиального кабеля 50 Ом (например) своим сверхбыстрым мультиметром по шкале Ом, и даже если сигнал от вашего мультиметра шел со скоростью света вниз по кабелю, и в кабеле не было потерь, вы бы действительно измерили 50 Ом, так как у этого кабеля нет конца.
В более практическом примере (совсем немного) возьмем коаксиальный кабель длиной 100 миль. В этом коаксиальном кабеле используется центральный изолятор с диэлектрической проницаемостью 2,3, что соответствует константе скорости 66% от скорости света. Сигнал вашего мультиметра проходит по кабелю, и вы измеряете 50 Ом за время, которое требуется для распространения сигнала по кабелю со скоростью 66% от скорости света, что составляет 814 мкс. После этого вы будете измерять разрыв цепи, если кабель был разомкнут на другом конце, или короткое замыкание, если это было короткое замыкание на другом конце.
Для 10-метрового отрезка того же кабеля вы бы измерили 50 Ом всего за 0,05 мкс (50 наносекунд).
Нерациональное 377 Ом
Для характеристического импеданса не требуется наличие линии передачи. Свободное пространство имеет характеристическое сопротивление 377 Ом.
Близкие приближения диэлектрической и магнитной проницаемости для свободного пространства:
Диэлектрическая проницаемость: эпсилон o ~ [1 / (36 пи)] x 10 -9 Фарад на метр.
Проницаемость: mu o ~ (4 pi) x 10 -7 Генри на метр.
Решая для характеристического импеданса свободного пространства, мы вставляем вышеуказанные характеристики в уравнение импеданса:
Z o = sqrt (mu o / epsilon o ) (H / F) 1/2
Z o = sqrt {(4 pi) x 10 -7 / [1 / (36 pi)] x 10 -9 } Ом
Z o = sqrt {36 x 4 x pi 2 x 10 2 } Ом
Z o = {6 x 2 x pi x 10} Ом
Z o = {120 x pi} Ом
Z o = 376.991118431 Ом
Что ж, вероятно, это просто излишне усложнило ситуацию.
Зная, что мы знаем о рассогласовании импеданса и потерях энергии, как согласовать характеристическое сопротивление 50 Ом передатчика и коаксиального кабеля с характеристическим сопротивлением 377 Ом в свободном пространстве? Мы используем трансформатор импеданса, широко известный как антенна.
Вкратце
Характеристическое сопротивление:
- Отношение амплитуд напряжения и тока одиночной волны, распространяющейся по линии.
- Импедансный отклик на мгновенный импульс или волновой фронт.
- Определяется геометрическими размерами линии передачи.
- Не является свойством постоянного тока, поэтому не может быть измерено функцией сопротивления мультиметра.
Wave Talkers Подготовка к общему экзамену: вопросы G9
G9A Quick Review AudioТема G9A Краткий обзор аудио
G9A01:
Какие из следующих факторов определяют характеристический импеданс фидерной линии антенны с параллельными проводниками?
- Расстояние между центрами жил и радиус жил
- Расстояние между центрами жил и длина линии
- Радиус жил и частота сигнала
- Частота сигнала и длина линии
G9A02:
Каковы типичные характеристические сопротивления коаксиальных кабелей, используемых для антенных фидерных линий на любительских станциях?
- 25 и 30 Ом
- 50 и 75 Ом
- 80 и 100 Ом
- 500 и 750 Ом
G9A03:
Каков типичный волновой импеданс параллельной линии передачи “оконная линия”?
- 50 Ом
- 75 Ом
- 100 Ом
- 450 Ом
G9A04:
Что может вызвать отраженную мощность в точке подключения фидерной линии к антенне?
- Работа антенны на ее резонансной частоте
- Использование большей мощности передатчика, чем может выдержать антенна
- Разница между импедансом фидерной линии и импедансом точки питания антенны
- Питание антенны при несимметричном фиде
G9A05:
Как изменяется затухание коаксиального кабеля при увеличении частоты передаваемого по нему сигнала?
- Затухание не зависит от частоты
- Затухание увеличивается
- Затухание уменьшается
- Затухание достигает максимума примерно при 18 МГц
G9A06:
В каких единицах обычно выражаются потери в ЛЭП?
- Ом на 1000 футов
- Децибел на 1000 футов
- Ом на 100 футов
- Децибел на 100 футов
G9A07:
Что необходимо сделать, чтобы предотвратить появление стоячих волн на фидерной линии антенны?
- Точка питания антенны должна иметь потенциал земли постоянного тока
- Линию питания необходимо обрезать до длины, равной нечетному количеству электрических четвертей длины волны
- Линию питания необходимо обрезать до длины, равной четному числу физических полуволн
- Импеданс точки питания антенны должен соответствовать характеристическому сопротивлению линии питания
G9A08:
Если КСВ на фидерной линии антенны составляет 5: 1, а согласующая сеть на конце передатчика фидерной линии настроена на 1: 1 КСВ, каков будет результирующий КСВ на фидерной линии?
- 1 к 1
- 5 к 1
- От 1 до 1 и от 5 до 1 в зависимости от волнового сопротивления линии
- От 1 до 1 и от 5 до 1 в зависимости от мощности отражения передатчика
G9A09:
Какой коэффициент стоячей волны получится при подключении питающей линии 50 Ом к нереактивной нагрузке с сопротивлением 200 Ом?
- 4: 1
- 1: 4
- 2: 1
- 1: 2
G9A10:
Какой коэффициент стоячей волны получится при подключении питающей линии 50 Ом к нереактивной нагрузке с сопротивлением 10 Ом?
- 2: 1
- 50: 1
- 1: 5
- 5: 1
G9A11:
Какой коэффициент стоячей волны получится при подключении питающей линии 50 Ом к нереактивной нагрузке с сопротивлением 50 Ом?
- 2: 1
- 1: 1
- 50:50
- 0: 0
G9A12:
Какова взаимосвязь между высоким коэффициентом стоячей волны (КСВ) и потерями в линии передачи?
- Нет взаимодействия между потерями в линии передачи и КСВ
- Если в линии передачи есть потери, высокий КСВ увеличит потери
- Высокий КСВ затрудняет измерение потерь в линии передачи
- Высокий КСВ снижает относительный эффект потерь в линии передачи
G9A13:
Каково влияние потерь в линии передачи на КСВ, измеренный на входе в линию?
- Чем выше потери в линии передачи, тем больше значение КСВ будет считаться искусственно низким
- Чем выше потери в линии передачи, тем больше будет считаться искусственно высокий КСВ
- Чем выше потери в линии передачи, тем точнее будет измерение КСВ.
- Потери в линии передачи не влияют на измерение КСВ
Hitachi FAQ | Что такое характеристическое сопротивление?
A: Сначала поймите, что сопротивление – это понятие, используемое для постоянного тока (постоянного тока), тогда как импеданс – это эквивалент переменного тока (переменного тока).Электрический импеданс – это измерение в (Ом) полного сопротивления проводника проходящему через него электрическому току. Это отличается для переменного и постоянного тока. В цепи постоянного тока сопротивление (величина) – это импеданс. Однако в цепи переменного тока импеданс учитывает как сопротивление (величину), так и фазу переменного тока. Фаза – это просто измерение, представляющее положение в определенный момент времени (момент) на фактическом цикле сигнала. Таким образом, график импеданса переменного тока будет показывать максимумы и минимумы при изменении формы сигнала.Другой способ думать об этом заключается в том, что импеданс – это более общий термин для сопротивления, который также включает реактивное сопротивление.
Другими словами, сопротивление – это противодействие постоянному электрическому току. Чистое сопротивление не меняется с частотой, и обычно единственное время, когда учитывается только сопротивление, – это чистая цепь постоянного тока (без изменения).
Реактивное сопротивление, однако, является мерой типа сопротивления электричеству переменного тока из-за емкости или индуктивности. И это противостояние сильно меняется с частотой.На низких частотах импеданс в значительной степени зависит от размера проводника, но на высоких частотах размер проводника, изоляционный материал и толщина изоляции влияют на полное сопротивление кабеля и, в конечном итоге, на качество сигнала. Это, помимо индуктивности и емкости, являются критическими факторами, которые необходимо учитывать на основе входной сигнализации.
Цитата из статьи ниже: «Для того, чтобы характеристический импеданс кабеля влиял на способ прохождения сигнала, длина кабеля должна составлять, по крайней мере, большую часть длины волны для конкретной частоты, которую он передает.Большинство проводов имеют скорость движения переменного тока от 60 до 70 процентов скорости света, или около 195 миллионов метров в секунду. Звуковая частота 20000 Гц имеет длину волны 9750 метров, поэтому длина кабеля должна составлять четыре или пять * километров *, прежде чем он вообще начнет влиять на звуковую частоту. Вот почему характеристический импеданс соединительных аудиокабелей – не то, о чем большинству из нас есть о чем беспокоиться. Нормальный видеосигнал редко превышает 10 МГц. Это около 20 метров для длины волны.Эти частоты приближаются к достаточно высоким, чтобы характеристический импеданс стал решающим фактором. Компьютерные видеосигналы высокого разрешения и быстрые цифровые сигналы легко превышают 100 МГц, поэтому требуется правильное согласование импеданса даже при коротких кабельных трассах ». Подробнее читайте на:
http://www.epanorama.net/documents/wiring/cable_impedance.html
При проектировании схемы, если система рассчитана на 100 Ом, тогда компоненты, входящие и выходящие из схемы, должны быть согласованы также на 100 Ом.Это очень важный элемент хорошего дизайна. Если есть какое-либо несоответствие, в месте несоответствия создаются приводящие к ошибкам отражения, и это приводит к потерям. Как правило, для высокого напряжения идеальное сопротивление составляет 60 Ом. Для высокой мощности идеальное сопротивление составляет 30 Ом. 50 Ом – это общий отраслевой стандарт, установленный для большинства оборудования и устройств, а 75 Ом предпочтительнее для высококачественного видео.
Напоминаем, что в кабеле с высоким сопротивлением емкость (или способность удерживать заряд) будет низкой.Точно так же в кабеле с низким сопротивлением емкость будет высокой. Почему это? Проще говоря, более высокая частота => более быстрое время нарастания => необходимость более быстрого заполнения конденсатора / кабеля => требуется больше зарядов => больше тока => мощность.
Калькулятор линий передачи с параллельными круглыми проводникамиSerge Y. Stroobandt, ON4AA
Авторские права 2015–2020, под лицензией Creative Commons BY-NC-SA
- Дом
- Параллельный круглый проводник TL
Этот калькулятор представляет собой инструмент для проектирования симметричных линий передачи с определенным желаемым характеристическим сопротивлением \ (Z_ \ text {c} \), состоящих из параллельных круглых проводников заданного диаметра \ (d \).Линия Лечера с круглым разомкнутым проводом, лестничная или оконная линия и двухпроводная линия – все это сбалансированные линии передачи, которые часто встречаются в качестве фидерных линий сильно несовпадающих многодиапазонных проволочных антенн, особенно антенны G5RV. То, что проводники массивные или полые, не влияет на характеристический импеданс.
Параллельная линия передачи круглого сечения; Габаритные размеры.
Вот отличное предложение по конструкции Леона Салдена, VK3VGA. Он разработал разбрасыватель лестничных тросов , изготовленный из прочных и легкодоступных материалов; черная кабельная стяжка и удлинительная трубка для орошения из черного полиэтилена (PE) . Для меньших разделительных расстояний можно также использовать прокладки для черных светодиодов .
Лестничный распределитель из черной удлинительной трубки для полива и кабельной стяжки. Источник: Леон Салден, VK3VGA
Для характеристического сопротивления параллельной проводной линии передачи можно получить следующую формулу: 1
\ [Z_ \ text {c} = \ frac {Z_0} {\ pi \ sqrt {\ epsilon_ \ text {r}}} \; \ text {acosh} \ left (\ frac {D} {d} \ right ) \] (1)
Характеристический импеданс свободного пространства точно:
\ [Z_0 = \ sqrt {\ frac {\ mu_0} {\ epsilon_0}} = \ mu_0 \ cdot c_0 \ приблизительно 376.2} \): абсолютная диэлектрическая проницаемость свободного пространства
\ (Z_0 \): характеристический импеданс свободного пространства
Перестановка и решение уравнения. 1 для \ (D \):
\ [D = d \ cdot \ cosh {\ left (\ pi \ frac {Z_ \ text {c}} {Z_0} \ sqrt {\ epsilon_ \ text {r}} \ right)} \]
\ [s = D – d \]
где:
\ (D \): расстояние между центрами
\ (d \): диаметр круглых проводников
\ (Z_ \ text {c} \): желаемое характеристическое сопротивление линии передачи
\ (Z_0 \): характеристический импеданс свободного пространства
\ (\ epsilon_ \ text {r} \): относительная диэлектрическая проницаемость окружающей среды (1.00054 для воздуха)
\ (s \): пространство между круглыми проводниками
Вот код Brython этого калькулятора. Код Brython не предназначен для автономной работы, хотя он выглядит почти идентично Python 3. Код Brython выполняется на стороне клиента в браузере, где он транскодируется для защиты Javascript.
