有限长度传输线

无限长的传输线是一个有趣的抽象，但在物理上是不可能的。所有传输线都有一定的长度，因此与无限线的行为并不完全相同。

如果几年前我用欧姆表测量的那根 50 Ω“RG-58/U”电缆无限长，我实际上能够测量内导体和外导体之间的 50 Ω 电阻。但它的长度不是无限的，因此测量为“开放”（无限电阻）。

尽管如此，即使在处理有限长度的情况下，传输线的特性阻抗额定值也很重要。特性阻抗的一个旧术语，我喜欢它的描述性值，是浪涌阻抗 .

如果将瞬态电压（“浪涌”）施加到传输线的末端，则该线路将吸收与浪涌电压幅度除以线路的浪涌阻抗 (I=E/Z) 成正比的电流。电流和电压之间的这种简单的欧姆定律关系将在有限的时间内成立，但不会无限期地成立。

如果传输线的末端是开路的（即未连接），沿线路长度传播的电流“波”将不得不在末端停止，因为电流无法在没有连续路径的地方流动。

线路末端的电流突然停止导致沿传输线长度发生“堆积”，因为电荷载流子相继找不到去处。

想象一列火车在轨道车联轴器之间松弛的情况下沿着轨道行驶：如果前车突然撞上一个不可移动的路障，它会停下来，导致后面的火车在第一个联轴器松弛时立即停下来收起，这会导致下一个联轴器的松弛被收紧后下一个轨道车停止，依此类推，直到最后一个轨道车停止。

火车不是一起停下来，而是从头到尾依次停：（下图）

从传输线源端传播到负载端的信号称为入射波 .信号从负载端到源端的传播（例如本例中电流遇到开路传输线末端的情况）称为反射波 .

当这种电荷载体“堆积”传播回电池时，电池中的电流停止，线路就像一个简单的开路。

对于合理长度的传输线，所有这一切都发生得非常快，因此对线路的欧姆表测量永远不会显示该线路实际充当电阻器的短暂时间段。

对于速度因子为 0.66 的一英里长电缆（信号传播速度是光速的 66% 或每秒 122,760 英里），信号从一端传播仅需 1/122,760 秒（8.146 微秒）到另一个。对于电流信号到达线路末端并“反射”回源头，往返时间是该数字的两倍或 16.292 µs。

入射波和反射波的意义

高速测量仪器能够检测从源到线路端再回到源的传输时间，并可用于确定电缆的长度。

该技术还可用于确定存在和 一根或两根电缆导体中断点的位置，因为电流会从断线处“反射”出来，就像它会从开路电缆的末端反射一样。

为此目的而设计的仪器称为时域反射计 (TDR)。基本原理与声纳测距相同：产生声脉冲并测量回波返回所需的时间。

如果传输线的末端短路，也会发生类似的现象：当电压波前到达线路末端时，它会被反射回源，因为两个电气公共点之间不可能存在电压。

当此反射波到达源头时，源头将整个传输线视为短路。同样，这种情况发生的速度与信号可以以传输线导体之间的介电材料允许的任何速度在传输线上下往返传播一样快。

一个简单的实验说明了传输线中的波反射现象。取一根绳子的一端，用手腕快速上下运动“鞭打”它。可以看到波浪沿着绳索的长度传播，直到它完全由于摩擦而消散：（下图）

有损传输线。

这类似于具有内部损耗的长传输线：信号在沿着线路长度传播时稳定变弱，永远不会反射回源。但是，如果绳索的远端在入射波完全消散之前的某个点固定在固体物体上，第二个波将被反射回您的手：（下图）

反射波。

通常，传输线的目的是将电能从一个点传送到另一个点。

即使信号仅用于提供信息，而不是为某些重要的负载设备供电，理想的情况是所有原始信号能量从源传输到负载，然后被负载完全吸收或耗散以获得最大的信噪比。

因此，沿着传输线长度的“损耗”是不受欢迎的，反射波也是如此，因为反射能量是不传递到终端设备的能量。

如何消除传输线中的反射

如果负载的阻抗恰好等于线路的特性（“浪涌”）阻抗，则可以消除传输线路的反射。

例如，开路或短路的 50 Ω 同轴电缆会将所有入射能量反射回源。但是，如果在电缆末端连接一个 50 Ω 电阻器，则不会有反射能量，所有信号能量都被电阻器耗散。

如果我们回到我们假设的无限长度传输线示例，这完全有道理。从一端测得的 50 Ω 特性阻抗和无限长的传输线的行为与 50 Ω 电阻完全相同。 （下图）

如果我们将这条线剪成某个有限长度，它将在短时间内表现得像一个 50 Ω 电阻器对恒定的直流电压源，但随后表现得像开路或短路，这取决于我们离开的条件切断线端：开路或短路。 （下图）

但是，如果我们终止 带有 50 Ω 电阻的线路，该线路将再次充当 50 Ω 电阻器，无限期：就像它又是无限长一样：（下图）

无限传输线看起来像电阻。

一英里传输。

传输线短路。

线以特性阻抗终止。

从本质上讲，匹配传输线自然阻抗的终端电阻器使线路从源头的角度“显得”无限长，因为电阻器具有永久耗散能量的能力，就像无限长的传输线一样能够永远吸收能量。

如果终端电阻不完全等于传输线的特征阻抗，反射波也会出现，而不仅仅是在线路未连接（开路）或跨接（短路）时。

虽然能量反射不会因终端阻抗轻微失配而完全反射，但它会是部分的。无论终端电阻是否更大，都会发生这种情况 或更少 大于线路的特性阻抗。

反射波的再反射也可能发生在源端 如果源的内部阻抗（戴维南等效阻抗）不完全等于传输线的特性阻抗，则传输线的阻抗。

如果源阻抗与线路匹配，返回源的反射波将被完全消散，但如果源阻抗与线路不匹配，则会像另一个入射波一样反射回线路末端，至少部分反射。

这种类型的反射可能特别麻烦，因为它看起来像是源发射了另一个脉冲。

评论：

• 特性阻抗也称为浪涌阻抗 ，由于任何长度传输线的临时电阻行为。
• 有限长度的传输线在直流电压源中将在短时间内表现为恒定电阻，然后作为任何阻抗，该线终止。因此，当用欧姆表测量时，开放式电缆的读数只是“开路”，而当其末端短路时，读数会“短路”。
• 施加到开路或短路传输线一端的瞬态（“浪涌”）信号将作为二次波从线路的远端“反射”。在传输线上从源到负载传输的信号称为入射波;从传输线末端“反弹”到从负载到源的信号称为反射波 .
• 反射波也将出现在由与特性阻抗不精确匹配的电阻终止的传输线中。
• 一条有限长度的传输线，如果端接一个与传输线特性阻抗值相等的电阻，则可能看起来是无限长的。这消除了所有信号反射。
• 如果源的内部阻抗与传输线的特征阻抗不匹配，反射波可能会从传输线的源端重新反射。当然，这种重新反射的波会出现，就像从源头发出的另一个脉冲信号一样。