Волновое сопротивление кабеля. Волновое сопротивление и отражение

Ещё не начав читать статью, попробуйте подумать над вопросом: побежит ли ток, если подключить к батарейке очень длинный провод(более чем 300 тысяч километров, сверхпроводник), если противоположные концы провода никуда не подключены? Сколько Ампер?

Прочитав эту статью, вы поймёте в чём смысл волнового сопротивления. Из лекций по теории волн я вынес только то, что волновое сопротивление - это сопротивление волнам. Большая часть студентов, кажется, поняла ровно то же самое. То есть ничего.

Эта статья - весьма вольный перевод этой книги: Lessons In Electric Circuits
Статьи по теме: На Хабре: Контакт есть, сигнала нет
Трэш в Википедии: Длинная линия

50-омный кабель?

В начале моего увлечения электроникой я часто слышал про волновое сопротивление коаксиального кабеля 50Ω. Коаксиальный кабель – это два провода. Центральный провод, изолятор, оплётка, изолятор. Оплётка полностью закрывает центральный проводник. Такой провод используется для передачи слабых сигналов, а оплётка защищает сигнал от помех.

Я был озадачен этой надписью – 50 Ω. Как могут два изолированных проводника иметь сопротивление друг с другом 50 Ω? Я измерил сопротивление между проводами и увидел, как и ожидалось, обрыв. Сопротивление кабеля с одной стороны до другой - ноль. Как бы я не подключал омметр, я так и не смог получить сопротивление 50 Ом.

То, что я не понимал в то время – так это как кабель реагирует на импульсы. Конечно, омметр работает с постоянным током, и показывает, что проводники не соединены друг с другом. Тем не менее, кабель, из-за влияния ёмкости и индуктивности, распределённой по всей длине, работает как резистор. И так же, как и в обычном резисторе, ток пропорционален напряжению. То, что мы видим как пара проводников – важный элемент цепи в присутствии высокочастотных сигналов.

В этот статье вы узнаете что такое линия связи. Многие эффекты линий связи не проявляются при работе с постоянным током или на сетевой частоте 50 Гц. Тем не менее, в высокочастотных схемах эти эффекты весьма значительны. Практическое применение линий передач – в радиосвязи, в компьютерных сетях, и в низкочастотных схемах для защиты от перепадов напряжения или ударов молний.

Провода и скорость света

Рассмотрим следующую схему. Цепь замкнута – лампа зажигается. Цепь разомкнута – лампа гаснет. На самом деле лампа зажигается не мгновенно. Ей как минимум надо раскалиться. Но я хочу заострить внимание не на этом. Хотя электроны двигаются очень медленно, они взаимодействуют друг с другом гораздо быстрее – со скоростью света.

Что произойдёт, если длина проводов будет 300 тысяч км? Так как электроэнергия передаётся с конечной скоростью, очень длинные провода внесут задержку.


Пренебрегая временем на разогрев лампы, и сопротивлением проводов, лампа зажжётся примерно через 1 секунду после включения выключателя. Несмотря на то, что строительство сверхпроводящих ЛЭП такой длины создаст огромные практические проблемы, теоретически это возможно, поэтому наш мысленный эксперимент реален. Когда переключатель выключается, лампа будет продолжать получать питание ещё 1 секунду.
Один из способов представить движение электронов в проводнике – это вагоны поезда. Сами вагоны движутся медленно, только начинают движение, и волна сцеплений передаётся гораздо быстрее.

Другая аналогия, возможно более подходящая – волны в воде. Объект начинает движение горизонтально вдоль поверхности. Создастся волна из-за взаимодействия молекул воды. Волна будет перемещаться гораздо быстрее, чем двигаются молекулы воды.

Электроны взаимодействуют со скоростью света, но движутся гораздо медленнее, подобно молекуле воды на рисунке выше. При очень длинной цепи становится заметна задержка между нажатием на выключатель и включением лампы.

Волновое сопротивление

Предположим, у нас есть два параллельных провода бесконечной длины, без лампочки в конце. Потечёт ли ток при замыкании выключателя?


Несмотря на то, что наш провод - сверхпроводник, мы не можем пренебречь ёмкостью между проводами:

Подключим питание к проводу. Ток заряда конденсатора определяется формулой: I = C(de/dt). Соответственно, мгновенный рост напряжения должен породить бесконечный ток.
Однако ток не может быть бесконечным, так как вдоль проводов есть индуктивность, ограничивающая рост тока. Падение напряжения в индуктивности подчиняется формуле: E = L(dI/dt). Это падение напряжения ограничивает максимальную величину тока.

Поскольку электроны взаимодействуют со скоростью света, волна будет распространяться с той же скоростью. Таким образом, нарастание тока в индуктивностях, и процесс зарядки конденсаторов будет выглядеть следующим образом:

В результате этих взаимодействий, ток через батарею будет ограничен. Так как провода бесконечны, распределённая емкость никогда не зарядится, а индуктивность не даст бесконечно нарастать току. Другими словами, провода будут вести себя как постоянная нагрузка.
Линия передачи ведёт себя как постоянная нагрузка так же, как и резистор. Для источника питания нет никакой разницы, куда бежит ток: в резистор, или в линию передачи. Импеданс (сопротивление) это линии называют волновым сопротивлением, и оно определяется лишь геометрией проводников. Для параллельных проводов с воздушной изоляцией волновое сопротивление рассчитывается так:


Для коаксиального провода формула расчёта волнового сопротивления выглядит несколько иначе:

Если изоляционный материал – не вакуум, скорость распространения будет меньше скорости света. Отношение реальной скорости к скорости света называется коэффициентом укорочения.
Коэффициент укорочения зависит только от свойств изолятора, и рассчитывается по следующей формуле:

Волновое сопротивление известно также как характеристическое сопротивление.
Из формулы видно, что волновое сопротивление увеличивается по мере увеличения расстояния между проводниками. Если проводники отдалить друг от друга, становится меньше их ёмкость, и увеличивается распределённая индуктивность (меньше эффект нейтрализации двух противоположных токов). Меньше ёмкость, больше индуктивность => меньше ток => больше сопротивление. И наоборот, сближение проводов приводит к большей ёмкости, меньшей индуктивности => больше ток => меньше волновое сопротивление.
Исключая эффекты утечки тока через диэлектрик, волновое сопротивление подчиняется следующей формуле:

Линии передачи конечной длины

Линии бесконечной длины – интересная абстракция, но они невозможны. Все линии имеют конечную длину. Если бы тот кусок 50 Ом кабеля RG-58/U, который я измерял с помощью омметра несколько лет назад, был бесконечной длины, я бы зафиксировал сопротивление 50 Ом между внутренним и внешним проводом. Но эта линия не была бесконечной, и она измерялась как открытая, с бесконечным сопротивлением.

Тем не менее, волновое сопротивление важно также и при работе с проводом ограниченной длины. Если к линии приложить переходное напряжение, потечёт ток, который равен отношению напряжения к волновому сопротивлению. Это всего лишь закон Ома. Но он будет действовать не бесконечно, а ограниченное время.

Если в конце линии будет обрыв, то в этой точке ток будет остановлен. И это резкое прекращение тока повлияет на всю линию. Представьте себе поезд, идущий вниз по рельсам, имеющий слабину в муфтах. Если он врежется в стенку, он остановится он не весь сразу: сначала первый, потом второй вагон, и т.д.

Сигнал, распространяющийся от источника, называют падающей волной. Распространение сигнала от нагрузки обратно к источнику называют отражённой волной.

Как только нагромождение электронов в конце линии распространяется обратно к батарее, ток в линии прекращается, и она ведёт себя как обычная открытая схема. Всё это происходит очень быстро для линий разумной длины так, что омметр не успевает померить сопротивление. Не успевает поймать тот промежуток времени, когда схема ведёт себя как резистор. Для километрового кабеля с коэффициентом укорочения 0,66 сигнал распространяется всего 5.05мкс. Отражённая волна идёт обратно к источнику ещё столько же, то есть в сумме 10,1 мкс.

Высокоскоростные приборы способны измерить это время между посылкой сигнала и приходом отражения для определения длины кабеля. Этот метод может быть применён также для определения обрыва одного или обоих проводов кабеля. Такие приборы называются рефлектометры для кабельных линий. Основной принцип тот же, что и у ультразвуковых гидролокаторов: генерация импульса и замер времени до эха.

Аналогичное явление происходит и в случае короткого замыкания: когда волна достигает конца линии, она отражается обратно, так как напряжение не может существовать между двумя соединёнными проводами. Когда отражённая волна достигает источника, источник видит, что произошло короткое замыкание. Всё это происходит за время распространения сигнала туда + время обратно.

Простой эксперимент иллюстрирует явление отражения волн. Возьмите верёвку, как показано на рисунке, и дёрните её. Начнёт распространяться волна, пока она полностью не погасится за счёт трения.

Это похоже на длинную линию с потерями. Уровень сигнала будет падать по мере продвижения по линии. Однако, если второй конец закрепить на твёрдую стенку, возникнет отражённая волна:

Как правило, назначением линии передачи является передача электрического сигнала от одной точки к другой.

Отражения могут быть исключены, если терминатор на линии в точности равен волновому сопротивлению. Например, разомкнутая или короткозамкнутая линия будет отражать весь сигнал обратно к источнику. Но если на конце линии включить резистор 50 Ом, то вся энергия будет поглощена на резисторе.

Это всё имеет смысл, если мы вернёмся к нашей гипотетической бесконечной линии. Она ведёт себя как постоянный резистор. Если мы ограничим длину провода, то он будет себя вести как резистор лишь некоторое время, а потом – как короткое замыкание, или открытая цепь. Однако, если мы поставим резистор 50 Ом на конец линии, она вновь будет себя вести как бесконечная линия.






В сущности, резистор на конце линии, равный волновому сопротивлению, делает линию бесконечной с точки зрения источника, потому что резистор может вечно рассеивать энергию так же, как и бесконечные линии могут поглощать энергию.

Отражённая волна, вернувшись обратно к источнику, может вновь отразиться, если волновое сопротивление источника не равно в точности волновому сопротивлению. Этот тип отражений особенно опасен, он делает вид, что источник передал импульс.

Короткие и длинные линии передачи

В цепях постоянного тока волновое сопротивление, как правило, игнорируется. Даже коаксиальный кабель в таких цепях применяется лишь для защиты от помех. Это связано с короткими промежутками времени распространения по сравнению с периодом сигнала. Как мы узнали в предыдущей главе, линия передачи ведёт себя как резистор до тех пор, пока отражённая волна на вернётся обратно к источнику. По истечении этого времени (10,1 мкс для километрового кабеля), источник видит полное сопротивление цепи.

В случае, если цепь передаётся низкочастотный сигнал, источник на какое-то время видит волновое сопротвление, а потом – полное сопротивление линии. Мы знаем, что величина сигнала не равна по всей длине линии из-за распространения со скоростью света(почти). Но фаза низкочастотного сигнала изменяется незначительно за время распространения сигнала. Так, мы можем считать, что напряжение и фаза сигнала во всех точках линии равна.

В этом случае мы можем считать что линия является короткой, потому что время распространения гораздо меньше периода сигнала. В противовес, длинная линия это такая, где за время распространения форма сигнала успевает измениться на большую часть фазы, либо даже передать несколько периодов сигнала. Длинными линиями считаются такие, когда фаза сигнала меняется более чем на 90 градусов за время распространения. До этого в данной книге мы рассматривали лишь короткие линии.

Чтобы определить тип линии(длинная, короткая), мы должны сравнить её длину и частоту сигнала. Например, период сигнала с частотой 60Гц равен 16,66мс. При распространении со скоростью света(300 тысяч км/с) сигнал пройдёт 5000км. Если коэффициент укорочения будет меньше 1, то и скорость будет меньше 300 тысяч км/с, и расстояние меньше во столько же раз. Но даже если использовать коэффициент укорочения коаксиального кабеля(0,66), расстояние всё равно будет велико - 3300км! Независимо от длины кабеля это называется длиной волны.

Простая формула позволяет вычислить длину волны:

Длинная линия – такая, где хотя бы умещается ¼ длины волны в длину. И теперь вы можете понять, почему все линии прежде относятся к коротким. Для систем питания переменного тока 60Гц длина кабеля должна превышать 825 км, чтобы эффекты распространения сигнала стали значительными. Кабели от аудио усилителя к колонкам должны быть более 7,5 км в длину, чтобы существенно повлиять на 10кГц звуковой сигнал!

Когда имеешь дело с радиочастотными системами, задача с длиной линии передачи является далеко не такой тривиальной. Рассмотрим 100МГц радиосигнал: его длина волны 3 метра даже на скорости света. Линия передачи должна быть более 75 см в длину, чтобы считаться длинной. С коэффициентом укорочения 0,66 эта критическая длина составит всего 50 см.

Когда электрический источник подключен к нагрузке через короткую линию передачи, доминирует импеданс нагрузки. То есть, когда линия короткая, волновое сопротивление не влияет на поведение схемы. Мы можем это увидеть при тестировании коаксиального кабеля омметром: мы видит разрыв. Хотя линия ведёт себя как резистор 50Ом (RG/58U кабель) на короткое время, после этого времени мы увидим обрыв. Так как время реакции омметра значительно больше времени распространения сигнала, мы видим обрыв. Эта очень большая скорость распространения сигнала не позволяет нам обнаружить 50Ом переходное сопротивление омметром.

Если мы будем использовать коаксиальный кабель для передачи постоянного тока, кабель будет считаться коротким, и его волновое сопротивление не будет влиять на работу схемы. Обратите внимание, что короткой линией будет называться любая линия, где изменение сигнала происходит медленнее, чем сигнал распространяется по линии. Почти любая физическая длина кабеля может являться короткой с точки зрения волнового сопротивления и отражённых волн. Используя же кабель для передачи высокочастотного сигнала, можно по разному оценивать длину линии.

Если источник подключен к нагрузке через длинные линии передачи, собственное волновое сопротивление доминирует над сопротивлением нагрузки. Иными словами, электрически длинная линия выступает в качестве основного компонента в цепи, и её свойства доминируют над свойствами нагрузки. С источник, подключенным к одному концу кабеля и передаёт ток на нагрузку, но ток в первую очередь идёт не в нагрузку, а в линию. Это становиться всё более верным, чем длиннее у нас линия. Рассмотрим наш гипотетический 50Ом бесконечный кабель. Независимо от того, какую нагрузку мы подключаем на другой конец, источник будет видеть лишь 50Ом. В этом случае сопротивление линии является определяющим, а сопротивление нагрузки не будет иметь значения.

Наиболее эффективный способ свести к минимуму влияние длины линии передачи – нагрузить линию сопротивлением. Если сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению, то любой источник будет видеть то же самое сопротивление, независимо от длины линии. Таким образом, длина линии будет влиять только на задержку сигнала. Тем не менее, полное совпадение сопротивления нагрузки и волнового сопротивления не всегда возможно.

В следующем разделе рассматриваются линии передачи, особенно когда длина линии равна дробной части волны.

Надеюсь, вы прояснили для себя основные физические принципы работы кабелей
К сожалению, следующая глава очень большая. Книга читается на одном дыхании, и в какой-то момент надо остановиться. Для первого поста, думаю, этого хватит. Спасибо за внимание.

Одним их параметров любой токопроводящей линии является волновое сопротивление. Особенную актуальность оно приобретает в высокочастотной радиопередающей технике, где малейшее рассогласование работы контура приводит к существенным искажениям на выходе. С другой стороны, каждый владелец компьютера, связанного с другими в локальную сеть, ежедневно сталкивается с понятием «волновое сопротивление». Стоит отметить, что появление сетей Ethernet на основе витой пары позволило конечному пользователю особо не задумываться о коннекторах, заземлениях, терминаторах и качестве разъемов, как это имело место при коаксиальных кабельных линиях на 10 мегабит (и меньше). Однако даже в отношении витой пары применим термин «волновое сопротивление». Вообще, на особенностях эксплуатации компьютерных сетей остановимся чуть позже.

Итак, что же такое волновое сопротивление? Как уже указывалось, это одна их характеристик токопроводящей линии на основе металлических проводников. Последняя оговорка необходима, чтобы не смешивать современные оптические линии передачи данных и классические медные провода, где носителями энергии выступают не заряженные частицы, а свет - там действуют другие законы. Эта величина указывает, какое значение сопротивления линия оказывает генератору (источнику модулированных электрических колебаний). Не следует путать которое можно измерить обычным мультиметром, и волновое сопротивление среды, так как это совершенно разные вещи. Последнее не зависит от длины проводника (уже этого достаточно, чтобы сделать выводы о «сходстве» сопротивлений). Физически оно равняется из отношения индуктивности (Генри) к емкости (Фарады). Небольшая ремарка: несмотря на то, что в расчетах используются реактивные составляющие линии, волновое сопротивление контура всегда в расчетах считается активным.

Лучше всего рассмотреть все на примере. Представим себе простейшую цепь, состоящую из источника энергии (генератора, R1), проводников, обладающих волновым сопротивлением (R2), и потребителя (нагрузки, R3). При равенстве всех трех сопротивлений вся переданная энергия достигает потребителя и там выполняет полезную работу. Если же на каком-либо участке это равенство не соблюдается, то возникает несогласованный режим работы. В точке, где нарушается соответствие, появляется отраженная волна, и часть электромагнитной энергии возвращается назад - к генератору. Соответственно, приходится повышать его мощность, чтобы компенсировать величину отраженной энергии. Другими словами, часть энергии затрачивается «впустую», а это означает потери и неоптимальный режим работы. Кроме того, в некоторых случаях рассогласование вообще нарушает функционирование всей линии.

Теперь вернемся к компьютерным сетям, где волновое сопротивление играет важную роль. Для линий на основе (50 Ом) важно соблюдение условия: сопротивления и проводника между ними должны быть равны. Только в этом случае работает система терминаторов и заземлений. Если же какой-либо участок кабельной линии физически немного растянуть (подвесить на проводнике груз), то из-за изменения диаметра проводников в этом месте изменится волновое сопротивление, возникнет отраженная волна, нарушающая работу системы. При этом замеренное активное сопротивление линии может практически не измениться (бюджетные приборы вообще не зарегистрируют увеличение сопротивления). Попытки восстановить линию путем пайки проводников на поврежденном участке еще больше усугубят ситуацию, так как появится не просто переходное сопротивление, а смесь различных сред (олово, медь), в которых волны распространяются по-разному.

Модель линии передачи

На рисунке показана эквивалентная схема бесконечно малого участка коаксиального кабеля. Все элементы схемы нормализованы к единице длины (омы на метр, фарады на метр, сименсы на метр, генри на метр в системе СИ или омы на фут, фарады на фут, сименсы на фут, генри на фут в британской и американской системах единиц). Эта эквивалентная схема повторяется бесконечное множество раз на всей длине коаксиального кабеля.

Диэлектрическая и магнитная проницаемость диэлектрического материала кабеля

Абсолютная диэлектрическая проницаемость используемого в коаксиальном кабеле диэлектрика определяет скорость распространения сигнала в кабеле. Обычно эта величина обозначается греческой буквой ε (эпсилон) и представляет собой меру сопротивления электрическому полю в данном материале. В диэлектрике электрическое поле уменьшается. В системе СИ диэлектрическая проницаемость измеряется в фарадах на метр (Ф/м). Вакуум имеет наименьшую диэлектрическую проницаемость. В связи с этим диэлектрическая проницаемость вакуума была выбрана в качестве константы - электрической постоянной ε 0 = 8,854187817...×10 −12 Ф/м. Ранее она носила название диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемости вакуума. Эта постоянная не имеет какого-либо физического смысла, это просто размерный коэффициент и именно поэтому он теперь называется электрической постоянной.

Для конкретного диэлектрического материала диэлектрическая проницаемость обычно выражается в виде отношения его диэлектрической проницаемости к диэлектрической проницаемости вакуума, то есть

Скорость света в вакууме c 0 связана с магнитной постоянной μ 0 и электрической постоянной следующей формулой:

Магнитная проницаемость - мера способности материала поддерживать в нем магнитное поле. Обычно она обозначается греческой буквой μ и измеряется в СИ. Относительная магнитная проницаемость, обычно обозначаемая как μ r (от англ. relative - относительный), представляет собой отношение магнитной проницаемости данного материала к магнитной проницаемости вакуума (магнитной постоянной). Относительная магнитная проницаемость абсолютного большинства используемых в коаксиальных кабелях диэлектриков равна μ r = 1.

Магнитная постоянная, ранее называемая магнитной проницаемостью вакуума, численное значение которой вытекает из определения силы тока ампера с учетом образования магнитного поля при протекании тока по проводнику или при движении электрического заряда. Она равна

μ 0 = 4π × 10 −7 ≈ 1,256637806 × 10 –6 Гн/м

Магнитная проницаемость μ и диэлектрическая проницаемость ε определяют фазовую скорость распространения электромагнитного излучения в диэлектрике

В вакууме эта формула изменяется на

Для немагнитных материалов (то есть для диэлектриков, используемых в коаксиальных кабелях), формула для фазовой скорости упрощается:

Как мы видим, чем выше диэлектрическая и магнитная проницаемость, тем ниже фазовая скорость распространения электромагнитного излучения в диэлектриках.

Погонная емкость коаксиального кабеля (С")

Погонная емкость коаксиального кабеля, то есть его емкость на единицу длины, является одной из важных характеристик коаксиальных кабелей. Коаксиальный кабель можно представить в форме коаксиального конденсатора, у которого обязательно будет отличная от нуля емкость между внутренним и внешним проводниками. Эта емкость пропорциональна длине кабеля и зависит от его размеров, формы и диэлектрической постоянной диэлектрика, заполняющего пространство между внутренним и экранным проводниками.

Погонная емкость C" в фарадах на метр (Ф/м) определяется по формуле:

D

d D и d

ε 0 ≈ 8,854187817620...×10 −12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума,

ε r - относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала. Относительная диэлектрическая проницаемость материалов, обычно используемые в коаксиальных кабелях: полипропилен - 2,2–2,36, политетрафторэтилен (ПТФЭ или тефлон) - 2,1, полиэтилен - 2,25.

Приведенная выше формула и используется в нашем калькуляторе.

В англоязычных странах используется погонная емкость на 1 фут. Учитывая, что 1 фут = 0,3045 м, ln(x) = 2,30259 lg(x), и ε 0 ≈ 8,854187817620... × 10 −12 Ф/м, эту формулу для C" в фарадах на фут (Ф/фут) можно переписать в виде

или в пикофарадах на фут:

Погонная индуктивность коаксиального кабеля (L")

Для коаксиального кабеля это индуктивность на единицу длины L" в генри на метр (Гн/м), определяемая по формуле

D - внутренний диаметр экранирующего проводника коаксиального кабеля,

d - диаметр внутреннего проводника коаксиального кабеля; величины D и d должны быть в одинаковых единицах,

c

ε 0 = 8,854187817620... × 10 −12 Ф/м - электрическая постоянная.

Электрическую постоянную ранее называли диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемостью вакуума. Сейчас эти названия считаются устаревшими, но пока еще широко используются.

Учитывая, что 1 фут = 0,3045 м и ln(x) = 2,30259 lg (x), имеем:

или в мГн/фут

Электрическая постоянная ε 0 по определению связана со скоростью света в вакууме c и магнитной постоянной μ 0 следующей формулой:

где μ 0 = 4π × 10 −7 ≈ 1,256637806×10 –6 Гн/м - магнитная постоянная, называемая также магнитной проницаемостью вакуума (устаревшее название).

С учетом этого определения можно переписать формулу для погонной индуктивности L" в Гн/м в виде

Эта формула и используется в нашем калькуляторе.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля (Z 0)

Одной из наиболее важных характеристик коаксиального кабеля является его волновое сопротивление, которое можно представить как импеданс со стороны источника сигнала, подключенного к бесконечно длинному отрезку кабеля. Волновое сопротивление Z 0 коаксиального кабеля представляет собой отношение напряжения к току одиночной волны, распространяющейся по кабелю (без отражений). Оно определяется геометрией кабеля и материалом диэлектрика между внутренним проводником и наружным экраном и не зависит от длины кабеля. В СИ волновое сопротивление измеряется в омах (Ом). Волновое сопротивление можно рассматривать как импеданс линии передачи бесконечной длины, так как в такой линии нет сигнала, отраженного от ее конца. Обычно коаксиальные кабели выпускаются с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом, хотя иногда можно встретить и другие значения.

Почему 50 и 75 Ом? Существует несколько версий. По одной из них 50 Ом было выбрано в связи с тем, что коаксиальный кабель с полиэтиленовым диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε r = 2,25 обеспечивает минимальные потери сигнала именно при волновом сопротивлении 50 Ом; при этом по нему может передаваться значительная для данных геометрических размеров кабеля мощность. Стандарт 75 Ом используется для недорогих кабелей кабельного телевидения, которые не передают сигналов большой мощности и обеспечивают лучшие характеристики по потерям. Почему 75 Ом? Есть несколько объяснений. Некоторые считают, что 75 Ом - это компромисс между малыми потерями в кабеле и его хорошей гибкостью. Другие считают, что эти значения были выбраны достаточно произвольно.

Волновое сопротивление Z 0 коаксиального кабеля с потерями определяется так:

R" - погонное сопротивление (на единицу длины),

L" - погонная индуктивность (на единицу длины),

G" - погонная проводимость материала диэлектрика (на единицу длины),

C" - погонная емкость (на единицу длины),

j - мнимая единица, и

ω - угловая частота.

Для кабеля без потерь, у которого нулевое сопротивление проводников и отсутствуют диэлектрические потери (R" = 0 и G" = 0), эта формула упрощается:

Здесь величина Z 0 (в омах) не зависит от частоты и является действительно величиной, то есть, чисто резистивной величиной. Такое приближение в форме линии передачи без потерь является удобной моделью для описания коаксиальных кабелей с малыми потерями, особенно в тех случаях, когда они используются для передачи высокочастотных сигналов.

Заменяя L" и C" их определениями, приведенными выше, получаем:

D - внутренний диаметр экранирующего проводника коаксиального кабеля,

d - диаметр внутреннего проводника коаксиального кабеля; величины D и d должны быть в одинаковых единицах,

c - скорость света в вакууме, равная 299 792 458 м⋅с −1 ,

ε 0 = 8,854187817620...×10 −12 Ф/м - электрическая постоянная.

ε r - относительная диэлектрическая проницаемость материала изолятора кабеля.

Подставляя значения электрической постоянной ε 0 и скорости света, получаем:

Учитывая, что ln(x) = 2,30259 lg (x), получаем практическую формулу для волнового сопротивления в омах, которая и используется в нашем калькуляторе:

Максимальная рабочая частота коаксиального кабеля

Основным типом волны в коаксиальном кабеле является TEM-волна (от англ. transverse electromagnetic mode - поперечная электромагнитная волна). В этом режиме распространения силовые линии электрического и магнитного поля перпендикулярны между собой и с направлением распространения волны. Силовые линии электрического поля расположены радиально, а силовые линии магнитного поля имеют вид концентрических окружностей вокруг центральной жилы кабеля. На более высоких частотах в коаксиальных кабелях могут возбуждаться поперечные электрические TE-волны (от англ. transverse electric - поперечные электрические), в которых только силовые линии магнитного поля расположены в направлении распространения, и поперечные магнитные TM-волны (от англ. transverse magnetic), в которых только силовые линии электрического поля расположены в направлении распространения волн. Однако эти два режима являются нежелательными.

В коаксиальном кабеле самая низкая частота, при которой образуются волны типа TE 11 , и является максимальной рабочей частотой f c . Это верхняя частота использования коаксиального кабеля. Сигнал может распространяться в виде TE 11 -волны, если длина волны в диэлектрике кабеля короче, чем средняя длина окружности диэлектрика; для воздушного диэлектрика формула будет выглядеть как

λ c - самая короткая допустимая длина волны в кабеле в метрах и

D and d - диаметры внешнего (экрана) и внутреннего проводников кабеля в метрах.

Если в кабеле в качестве диэлектрика используется не воздух, а другой немагнитный материал (магнитные диэлектрики вроде феррита не используются в конструкции коаксиальных кабелей), его рабочая частота может быть от 0 до максимальной, определяемой по формуле

D - диаметр внешнего проводника в метрах,

d - диаметр внутреннего проводника в метрах,

f c - максимальная рабочая частота в герцах,

ε r - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика.

Для более практических величин в мм и ГГц, формула будет иметь вид

Именно эта формула и используется в нашем калькуляторе. На практике коаксиальные кабели работают на частотах менее 90% этой частоты.

Коэффициент укорочения длины волны и коэффициент замедления скорости

В коаксиальном кабеле, где пространство между внутренним проводником и экраном заполнено диэлектриком, сигнал распространяется через этот диэлектрик. Фазовая скорость волны, которая распространяется в диэлектрике, уменьшается, однако ее частота не изменяется. Скорость распространения v p (индекс p от англ. propagation -распространение), частота f и длины волны λ в диэлектрике связаны соотношением

Из этого соотношения видно, что длина волны сигнала, который распространяется в диэлектрике, также уменьшается пропорционально уменьшению скорости. Для сравнения такого уменьшения скорости (и соответствующего пропорционального уменьшения длины волны) со скоростью света, во многих странах (но не в России) используется коэффициент замедления скорости VF (от англ. Velocity Factor - фактор скорости), которая всегда меньше единицы или меньше 100%, если он выражен в процентах.

В России и других странах бывшего СССР традиционно используется обратная величина - коэффициент укорочения, но об этом чуть ниже. В англоязычной литературе, если речь идет о компьютерных сетях, а не об общей физике, скорость распространения сигнала в линии передачи v p обычно выражают не в виде величины в единицах скорости, а в виде процентного отношения к скорости света. Правильнее было бы называть эту величину коэффициентом замедления скорости VF. Например, в линии передачи с типичным значением VF = 66%, что соответствует диэлектрической постоянной 2,25 (сплошной полиэтилен) сигнал будет передаваться со скоростью, составляющей 66% от скорости света. Формула:

VF - коэффициент замедления скорости в процентах,

v P - скорость распространения в линии передачи (в м/с или футах/с),

c - скорость света в вакууме (приблизительно 3,0×10 8 м/с, или 9,8×10 8 футов/с).

Отметим, что в англоязычной научной и физической литературе, не относящейся к компьютерным сетям, термин скорость распространения действительно означает скорость, то есть расстояние в единицу времени.

Предположим, что нам нужно отмерить короткий полуволновый отрезок кабеля с коэффициентом замедления скорости 66% (что соответствует коэффициенту укорочения длины волны 1,52) для сигнала с частотой 30 МГц. Длина волны в вакууме, соответствующая этой частоте будет равна λ = c/f = 10 m. Следовательно для обеспечения задержки в половину волны нужна электрическая длина 5 метров. Однако, поскольку сигнал распространяется в кабеле со скоростью в 1,52 (на 66%) меньше, нам нужно только 5 × 0,66 = 3,3 м физической длины коаксиального кабеля. То есть, нам понадобится кабель, который в k = 1/0.66 = 1.52 раза короче, чем расчетная электрическая длина. Здесь k - тот самый коэффициент укорочения, который показывает во сколько раз скорость распространения меньше скорости света в вакууме.

Если у вас еще не заболела голова от этих рассуждений, то сейчас точно заболит! Отметим, что в Белоруссии, России, на Украине и в других странах на постсоветском пространстве этот коэффициент укорочения длины , который всегда больше единицы, традиционно используется вместо коэффициента замедления скорости, привычного англоязычным специалистам. Кстати, на немецком языке этот коэффициент называется Verkürzungsfaktor, что тоже означает коэффициент укорочения.

Подведем итог. Коэффициент замедления скорости, величина, обратная коэффициенту укорочения длины волны, показывающему во сколько раз фазовая или групповая скорость волны в коаксиальном кабеле меньше скорости света в вакууме. Именно этот коэффициент указывается в характеристиках коаксиальных кабелей зарубежного производства. Коэффициент замедления показывает во сколько раз скорость света больше скорости распространения волн в коаксиальном кабеле и обычно (но не всегда) выражается в процентах. В характеристиках коаксиальных кабелей российского производства указывается коэффициент укорочения длины волны, который всегда больше единицы. Как и с случае волн оптического диапазона, при прохождении волн в диэлектрике их длина волны уменьшается (сравните с преломлением!) с сохранением частоты. Поскольку скорость равна произведению частоты на длину волны, скорость также уменьшается.

Обычно в коаксиальных кабелях используются немагнитные диэлектрики, относительная магнитная проницаемость которых μ r = 1. В таких диэлектриках коэффициент замедления скорости VF равен величине, обратной квадратному корню из относительной диэлектрической проницаемости материала, по которому передается сигнал:

В общем случае, который включает, например, такие диэлектрики как феррит, коэффициент замедления скорости определяется по формуле

Для распространения света в оптоволокне коэффициент замедления скорости равен величине, обратной коэффициенту преломления n материала (обычно кварцевого стекла), из которого изготовляют сердцевину волокна:

Любое средство массовой информации передает сигнал на большие расстояния с помощью электромагнитных волн. Одним из свойств такой волны и является волновое сопротивление. Хотя характерные единицы измерения сопротивления - Омы, это не «настоящее» сопротивление, которое можно измерить с помощью специального оборудования, такого как омметр или мультиметр.

Лучший способ понять, волновое сопротивление – это представить себе бесконечно длинный провод, который не создает отраженных или обратных волн при нагрузке. Создание переменного напряжения (V) в такой цепи приведет к появлению тока (I). Волновое сопротивление (Z) в этом случае будет численно равно соотношению:
Z = V/I
Эта справедлива для вакуума. Но если речь идет о «реальном пространстве», где нет бесконечно длинного провода, уравнение принимает вид закона Ома для участка цепи:
R = V/I

Эквивалентная схема расчета линии передач

Для СВЧ инженеров общим выражением, определяющим волновое сопротивление, является:
Z = R+j*w*L/G+j*w*C
Здесь R, G, L и С – номинальные длины волн модели линии передач. Следует отметить, что в общем виде волновое сопротивление может быть комплексным числом. Важным уточнением является то, что такой случай возможен только, если R или G не равны нулю. На практике всегда стараются достичь минимальных потерь на линии передачи сигнала. Поэтому обычно игнорируют вклад R и G в уравнение и, в конечном итоге, количественное значение волнового сопротивления принимает очень маленькое значение.

Внутреннее сопротивление

Волновое сопротивление присутствует даже если нет линии передачи. Оно связано с распространением волн в любой однородной среде. Внутреннее сопротивление является мерой отношения электрического поля к магнитному. Оно рассчитывается так же, как и в линиях передачи. Предполагая, что нет «реальной» проводимости или сопротивления в среде, уравнение сводится к простой квадратичной форме:
Z = SQRT(L/C)
В этом случае индуктивность на единицу длины сводится к проницаемости среды, а емкость на единицу длины – к диэлектрической проницаемости.

Сопротивление вакуума

В пространстве относительная проницаемость среды и диэлектрическая проницаемость всегда постоянны. Таким образом, уравнение внутреннего сопротивления упрощается до уравнения для волнового сопротивления вакуума:
n = SQRT(m/e)
Здесь m – проницаемость вакуума, а е – диэлектрическая проницаемость среды.
Значение волнового сопротивления вакуума является постоянной величиной и приблизительно равно 120 пикоОм.

При решении различного рода прикладных задач акустики, важное значение приобретают величины различных акустических сопротивлений - акустического, удельного акустического и механического.

Все эти сопротивления имеют активную и реактивную (управляемую гибкостью или массой)·составляющие.

Акустическое сопротивление

, (1)

где Ρ - звуковое давление;

- колебательная скорость в системе;

S - площадь, для которой определяют сопротивление.

Акустическое сопротивление используют при исследовании вопросов распространения звуковых волн в звукопроводах переменного сечения с поперечными размерами меньше длины волны. В этом случае сопротивление остается постоянным, так как давление вдоль канала не изменяется, а колебательная скорость изменяется обратно пропорционально площади поперечного сечения.

Удельное акустическое сопротивление, называемое иногда также волновым, определяется отношением величины звукового давления в определенной точке среды к величине колебательной скорости в этой же точке:

. (2)

Удельное акустическое сопротивление безграничной среды определяется произведением плотности на величину скорости распространения звука в среде:

. (3)

Таким образом, измерение удельного акустического сопротивления для безграничной однородной среды (практически это соответствует случаю, когда размеры образцов исследуемого материала значительно превышают длину звуковой волны) сводится κ измерению плотности среды и скорости распространения в ней звука.

Для малых размеров вещества по сравнению с длиной волны, неоднородных, имеющих сложную форму, удельное акустическое сопротивление по формуле (3) определить нельзя, кроме того, оно имеет комплексный характер, что обусловлено наличием угла сдвига фаз между звуковым давлением и колебательной скоростью.

Механическое сопротивление

численно равно отношению силы F, действующей на входе колебательной системы, к вызываемой ею колебательной скорости: . (4)

Пусть плоская волна

падает нормально на плоскую границу z=0 между двумя однородными средами. В первой среде возникает отраженная волна , а во второй - прошедшая .

Мы увидим сейчас, непосредственно произведя расчет, что отражение и прохождение всегда правильные. Отраженную и прошедшую волны можно записать в виде

, , и определяются свойствами сред и не зависят от формы волны. Для гармонических волн падающую, отраженную и прошедшую волны можно записать в виде , , .

Величины коэффициента отражения

и коэффициента прохождения нужно подобрать так, чтобы были удовлетворены граничные условия. Граничных условий два: равенство давлений и равенство скоростей частиц по обе стороны границы. Со стороны первой среды берется суммарное поле падающей и отраженной волны, со стороны второй - поле прошедшей волны.

Условие равенства давлений по обе стороны границы, или, что то же, непрерывность давления при переходе через границу, реально выполняется всегда. Нарушение этого условия вызвало бы бесконечное ускорение границы, так как сколь угодно тонкий слой сколь угодно малой массы, включающий внутри себя границу, находился бы тогда под действием конечной разности давлений по обеим сторонам слоя. В результате разность давлений выровнялась бы мгновенно.

Условие равенства скоростей выражает неразрывность среды на границе: среды не должны отдаляться друг от друга или проникать взаимно друг в друга. Это требование может на практике оказаться нарушенным, например, при кавитации, когда внутри жидкости образуются разрывы (разрывы возникают легче на границе двух сред, чем внутри одной среды). Будем считать, что нарушения граничных условий не происходит. В противном случае нижеследующий расчет неприменим, а отражение и прохождение окажутся неправильными.

Скорости частиц в падающей, отраженной и прошедшей волнах даются формулами

, , .

Граничные условия можно написать так:

, , .

Подставляя сюда соответственные выражения для давлений и скоростей частиц, найдем, сокращая на p(t):

, (5)

Число граничных условий равно числу возникающих (помимо падающей) волн - отраженной и прошедшей, так что, подбирая соответственным образом оставшиеся пока неопределенными множители

и , всегда можно удовлетворить обоим граничным условиям, причем единственным образом. И это правило общее. В других акустических задачах число граничных условий может оказаться другим. Тогда возникнет и другое число волн, но оно снова равно числу граничных условий.

В исключительных случаях удается удовлетворить граничным условиям меньшим числом волн (например, коэффициент отражения может обратиться в нуль), но никогда не бывает, чтобы при данном числе граничных условий падающая волна вызывала бы возникновение большего числа различных волн: так как равным числом волн уже можно удовлетворять граничным условиям, то получилось бы, что при одной и той же падающей волне и одних тех же препятствиях могут возникнуть различные волновые поля, а это противоречит принципу причинности.

Система (5) имеет единственное решение:

, . (6)

Это - так называемые формулы Френеля (для нормального падения). Мы видим, что коэффициенты отражения и прохождения зависят только от волновых сопротивлений сред, и если эти сопротивления равны для обеих сред, то для нормального падения плоской волны среды акустически неразличимы: отражение от границы отсутствует и волна проходит во вторую среду целиком, как если бы все пространство было заполнено только первой средой. Для такого полного прохождения вовсе не требуется, чтобы плотности обеих сред и скорости звука в них равнялись друг другу в отдельности, т. е. чтобы совпадали механические свойства сред: достаточно равенства произведений плотности на скорость звука.

В вопросах статики более жесткой средой естественно называть среду с меньшей сжимаемостью. Поведение таких сред ближе к поведению абсолютно жесткого тела, чем поведение сред с большей сжимаемостью. В акустике сжимаемость еще не определяет того, ведет ли себя данная среда по отношению к падающей на нее волне как податливая или как жесткая граница. В акустике следует сравнивать волновые сопротивления сред, т. е. отношения плотности к сжимаемости: та из двух сред жестче, для которой это ношение больше. Это обстоятельство снова подчеркивает своеобразие волновых задач сравнительно с задачами механики тел.

Меняя местами рс и р"с", найдем коэффициенты отражения и прохождения и для волны, падающей из второй среды на границу с первой: абсолютная величина коэффициента отражения будет та же, что и при падении из первой среды, но знак его изменится на обратный. Коэффициент прохождения изменится в отношении волновых сопротивлений сред. По абсолютной величине коэффициент отражения всегда меньше единицы (что следует и прямо из закона сохранения энергии); он положителен, если волна падает из среды с меньшим волновым сопротивлением, и отрицателен в обратном случае. Коэффициент прохождения всегда положителен и не превосходит 2.

Таким образом, отраженная и прошедшая волны равны:

, .