“长”和“短”传输线

在直流和低频交流电路中，通常忽略并联导线的特性阻抗。这包括在仪器电路中使用同轴电缆，通常用于保护微弱的电压信号免受杂散电场和磁场引起的感应“噪声”的破坏。

这是因为与电路中重要信号的波形或脉冲周期相比，线路中发生反射的时间跨度相对较短。

正如我们在上一节中看到的那样，如果传输线连接到直流电压源，则只要入射脉冲到达传输线的末端，它就会表现为一个电阻值等于传输线的特性阻抗。线并作为反射脉冲返回，返回源。

在那段时间之后（对于最后一个例子中一英里长的同轴电缆来说是短暂的 16.292 µs），信号源只“看到”了终端阻抗，不管它是什么。

如果有问题的电路处理低频交流电源，那么传输线在交流电源输出电压峰值和电源“看到”端接阻抗加载的峰值之间引入的这种短时间延迟（往返时间为到达线路末端并反射回源头的入射波几乎没有影响。

即使我们知道由于信号以（接近）光速传播，沿线长度的信号幅度在任何给定时间都不相等，但线起点和线终点信号之间的实际相位差可以忽略不计，因为线长传播发生在交流波形周期的很小一部分内。

出于所有实际目的，我们可以说，在任何给定的时间点，沿着低频双导体线路上所有相应点的电压相等且同相。

在这些情况下，我们可以说有问题的传输线电气短路 ，因为它们的传播效应比传导信号的周期要快得多。

相比之下，电长 线是一种传播时间是信号周期的很大一部分甚至倍数的线。 “长”线通常被认为是源信号波形在入射信号到达线末端之前完成至少四分之一周期（“旋转”90°）的线。

直到本章电路课程 书系列，所有连接线都被假定为电气短路。

如何计算波长？

为了正确理解这一点，我们需要表达电压或电流信号沿传输线传播的距离与其源频率的关系。频率为 60 Hz 的交流波形在 16.66 ms 内完成一个周期。

在光速 (186,000 英里/秒) 下，这相当于电压或电流信号在这段时间内传播的距离为 3100 英里。如果传输线的速度系数小于1，则传播速度小于186,000英里/秒，距离小于相同系数。

但即使我们使用上一个例子中同轴电缆的速度因子（0.66），距离仍然是很长的 2046 英里！我们为给定频率计算的任何距离称为波长 信号。

一个简单的波长计算公式如下：

小写的希腊字母“lambda”(λ) 代表波长，无论速度图中使用的长度单位是什么（如果是英里每秒，那么波长以英里为单位；如果是米每秒，那么波长以米为单位）。

在露天或真空中计算信号波长时，传播速度通常是光速，但如果传输线的速度因子小于1，则传播速度会更小。

如果认为“长”线的长度至少是波长的 1/4，您就会明白为什么到目前为止讨论的电路中的所有连接线都被假定为“短”。

对于 60 Hz 交流电力系统，在传播时间的影响变得显着之前，电力线的长度必须超过 775 英里。将音频放大器连接到扬声器的电缆长度必须超过 4.65 英里，线路反射才会显着影响 10 kHz 音频信号！

但是，在处理射频系统时，传输线长度绝非小事。考虑一个 100 MHz 的无线电信号：即使在光的全传播速度（186,000 英里/秒）下，其波长也仅为 9.8202 英尺。

承载此信号的传输线的长度不必超过大约 2-1/2 英尺才能被视为“长”！电缆速度因子为 0.66 时，该临界长度缩小到 1.62 英尺。

如果传输线“短”会发生什么？

当电源通过“短”传输线连接到负载时，负载的阻抗在电路中占主导地位。也就是说，当线路短路时，其自身的特性阻抗对电路的行为影响不大。

我们在使用欧姆表测试同轴电缆时看到这一点：如果电缆末端未端接，则电缆从中心导体到外导体的读数为“开路”。

尽管在连接仪表后，线路在很短的时间内充当电阻器（对于 RG-58/U 电缆约为 50 Ω），但此后立即表现为简单的“开路”：线路阻抗开放式结束。

由于欧姆表和使用它的人的综合响应时间大大超过 电缆上下的往返传播时间，对于本应用来说是“电短路”，我们只记录端接（负载）阻抗。

正是传播信号的极快速度使我们无法用欧姆表检测电缆的 50 Ω 瞬态阻抗。

如果我们使用同轴电缆向负载传导直流电压或电流，并且电路中没有任何组件能够足够快地测量或响应以“注意到”反射波，则该电缆被认为是“电短路”及其阻抗与电路功能无关。

请注意电缆的电气“短路”与应用之间的关系：在电压和电流值变化缓慢的直流电路中，从特性阻抗和反射波的角度来看，几乎任何物理长度的电缆都将被视为“短路”。

然而，使用相同长度的电缆并用它来传导高频交流信号可能会导致对该电缆“短”的评估截然不同！

当传输线“长”时会发生什么？

当电源通过“长”传输线连接到负载时，在确定电路行为时，传输线自身的特性阻抗在负载阻抗上占主导地位。换句话说，电“长”线作为电路中的主要元件，其自身特性盖过了负载。

电源连接到电缆的一端，负载连接到另一端，从电源汲取的电流主要是线路的函数，而不是负载的函数。传输线越长，这种情况越明显。

考虑我们假设的无限长 50 Ω 电缆，这无疑是“长”传输线的最终示例：无论我们将何种负载连接到这条线的一端，源（连接到另一端）都只会看到 50 Ω 阻抗，因为线路的无限长度阻止信号永远到达 连接负载的一端。

在这种情况下，线路阻抗专门定义电路行为，使负载完全无关。

如何尽量减少传输线长度对电路的影响？

最小化传输线长度对电路行为影响的最有效方法是使传输线的特征阻抗与负载阻抗相匹配。

如果负载阻抗等于线路阻抗，则any 连接到线路另一端的信号源将“看到”完全相同的阻抗，并且无论线路长度如何，都将从其汲取的电流量完全相同。

在这种完美阻抗匹配的条件下，线路长度仅影响从信号源离开信号到信号到达负载的时间延迟量。然而，线路阻抗和负载阻抗的完美匹配并不总是可行或不可能的。

下一节将讨论“长”传输线的影响，尤其是当线长恰好与信号波长的特定分数或倍数匹配时。

评论：

• 同轴电缆有时用于直流和低频交流电路以及高频电路，因为它对信号提供的感应“噪声”具有出色的抗扰性。
• 当传输的电压或电流信号的周期大大超过传输线的传播时间时，则认为该线电短路 .相反，当传播时间是信号周期的很大一部分或倍数时，该线路被认为是电长 .
• 信号的波长 是它将在一个时期的时间跨度内传播的物理距离。波长的计算公式为λ=v/f，其中“λ”为波长，“v”为传播速度，“f”为信号频率。
• 传输线“短”的经验法则是，传输线必须至少有 1/4 波长才能被视为“长”。
• 在具有“短”线的电路中，端接（负载）阻抗决定电路行为。除了传输线中的任何电阻损耗外，源实际上只看到负载的阻抗。
• 在具有“长”线的电路中，线自身的特性阻抗决定了电路的行为。最终的例子是无限长的传输线：因为信号永远不会 到达负载阻抗时，信号源只会“看到”电缆的特性阻抗。
• 当传输线由与其阻抗精确匹配的负载端接时，没有反射波，因此不会出现线长问题。