信号反射和串联终止背后的物理学

电器工程 传输线 信号完整性 物理 特性阻抗
2022-01-29 02:37:49

我一直在寻找传输线中信号反射的原因。到处都断定原因是阻抗不匹配。我可以理解如果信号传播路径中的阻抗发生变化,那么就会发生反射,但我无法理解的是它背后的物理原理。

由于反射电压的方向相反,包括一个特性阻抗的串联电阻器如何抑制反射?这是否意味着阻抗变化的点电位或其他任何东西都变高了?任何人都可以指导理解这背后的物理学吗?

4个回答

对于电力传输线,这一切都与光速有限有关,因此电磁在电线中的传播速度也是如此。您可以将电线视为一长串无穷小电容器(由无穷小电感器连接)。如果您开始对一端的电容器充电,则必须不断将电荷泵入电线,以便沿电线对越来越多的极小分布式电容器充电(以 EM 传播的速度)。

然后,当您到达电线末端时,就会出现问题。

如果短路,最后一个电容器无法充电,然后它又将电容器再次放电。然后,电容器的这种放电以抵消正向正波的负电压反向波的形式返回源(以 EM 传播的速度)。

如果打开,请记住仍有电荷被泵入管线。它必须去某个地方,因此电流的“动量”(由于导线的分布电感)为最后一个电容器充电,使其余线路电容的电压加倍。但是最后一个电容器连接到它之前的所有电容器。因此,这种使电压加倍的充电波然后作为正反射波在电线上向后传播。

介于短路和末端开路之间的某个地方是一个很好的中等阻抗值,它可以吸收到达末端的电流波,而不会对末端的最后一位电容充电不足或过度充电。因此,不会留下沿传输线传播回来的电压变化。该终端阻抗恰好是传输线的特性阻抗,它由导线的分布电容和电感(及其周围环境:磁导率、接地平面或返回几何形状、同轴电缆屏蔽等)决定

几乎相同的事情发生在管子或管道(器官)中的气压波,或者在侧向鞭打绳子的一端时。根据绳索在另一端是系紧还是松动,会出现不同的绳索波形。等等。

(补充:对于中间某处阻抗不连续或不匹配的传输线,您可以将其视为两条传输线的叠加,一条在总长度上没有不连续性,加上一条较短的线或在不连续处短路。反射将与两个叠加的比率有关。)

传输线的阻抗(以欧姆为单位)是沿线路传播的​​电压波和电流波之比。例如,对于 100 欧姆的线路,1 伏特的波总是伴随着 10 毫安的波。直观地说,电流波将电荷输送到必须“充电”到电压波电压的线路部分。

如果现在将 100 欧姆线连接到 50 欧姆线,则该线中的电压和电流波形的比率将不同。线路之间的连接点在物理上不能支持具有不同比率的两个电压和电流波。因此产生了第三个波,它“填补了失配波之间的空隙”,并沿源线反射回来。请注意,反向电流波将在结处减去,而电压波将增加。因此,总是可以找到与任意两条线相匹配的反向波的幅度和相位。

如果线路通过等于阻抗的电阻器加载或供电,则到达该结的电压/电流波发现它可以以正确的电压电流比继续传播,因此没有反射波生成。

在这里的一个分支——使用(能量,正如蒂姆韦斯科特所写的)微分方程,边界条件需要突然出现反向传播的波 如果边界不完全是Zo;能量被保存在每个正向和(现在)反向波的电压/电流值的新组合中。

关于“串联端接”——串联端接,最好与安装在传输线源端的电阻一起使用,在其操作中利用反射。最初,由于驱动线路 Z 的集总电阻分压,线路电压仅为源电压的一半;任何监控线路的电路都只会看到 Vin/2,这通常是逻辑电路的禁止值;然而,在远端,接收端,数学告诉我们未终止的接收端有反射,数学告诉我们电压加倍作为保存能量的一部分。因此,只有 在远端,即接收端,才会创建有用的全幅度波形。

在沿线的所有其他点,电压将在一段时间内减半,然后反射能量使电压加倍。这种翻倍最终会在所有点上发生。一般来说,试图从这个 50% 然后 100% 的波形中提取数据是一个坏主意。

只有在远端/接收端才存在安全使用的波形。

另一方面,使用源端串联端接将降低整体功耗。

如果您参加电气工程课程,那么在您的第三年(至少在美国),您将有机会参加“电学和磁学”或“工程电动力学”或类似标题的课程。我敢肯定,物理课程将有同等的课程,尽管我不知道它们是否会进入传输线到 EE 课程的深度。

它会教你光如何在自由空间中传播,然后它会教你电磁波如何在传输线中传播。

事实证明,求解方程的最简单方法是将传输线中的能量表示为以光速传播的能量(它被用于电介质的材料减慢,但那是另一回事了)。因此,能量可以在线传播的唯一方式(在这种观点中)是以光速前进,无论是前进还是后退。此外,正向波的电流必须等于正向波的电压除以线路的特性阻抗。总是。方程式不允许其他任何事情,并且它们与实际物理非常匹配。

因此,当正向波撞击线路中的不连续性,迫使电压/电流关系不同于线路的特性阻抗时,必须产生反射否则,物理学不起作用。

如果线路以其特性阻抗终止,则终止处的电压/电流比等于正向波的电压/电流比,并且物理不允许发生反射。