การสะท้อนของสายส่ง ฉันต้องการคำอธิบายที่ไม่ใช่ทางคณิตศาสตร์

ฉันเป็นนักวิทยุสมัครเล่นที่ได้รับใบอนุญาตและพบคำอธิบายที่แปลกประหลาดมากมายตั้งแต่ช่วงตำนานเมืองไปจนถึง Maxwell-Heaviside Equations สิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อสิ้นสุดการส่งสัญญาณหรือสายป้อน ฉันรู้ว่าพวกเขาทั้งหมดมาในสิ่งเดียวกันในตอนท้าย (หรือควรจะทำแบบนั้นให้สมบูรณ์แบบ) แต่ไม่มีใครในพวกเขาที่จะรู้สึกถึงสิ่งที่เกิดขึ้น

ฉันชอบไดอะแกรมดังนั้นคำตอบในแง่ของเฟสเซอร์ (กราฟิก) สำหรับกระแสและแรงดันที่โหลดจะเหมาะกับฉันที่สุด ยกตัวอย่างเช่นขั้นตอนที่ชีพจรลงที่เส้นทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสองเท่าที่การยกเลิกวงจรเปิด ในทำนองเดียวกันสำหรับกระแสไฟฟ้าที่ลัดวงจร และขั้นตอนการสะท้อนที่เกิดจากการเหนี่ยวนำและความจุของเส้นเป็นอย่างไร

ทุกคนสามารถช่วยเหลือโดยไม่ได้รับคณิตศาสตร์ทั้งหมดและไม่ได้บอกว่า "โกหกกับเด็ก" หรือไม่?

ตกลงสำหรับสิ่งที่คุ้มค่านี่คือวิธีที่ฉันเห็นภาพ

ในขณะที่คุณพูดว่าสายส่งมีทั้งความจุกระจายและการกระจายการเหนี่ยวนำซึ่งรวมถึงรูปแบบความต้านทานลักษณะของ Z 0 สมมติว่าเรามีแหล่งจ่ายแรงดันขั้นตอนการส่งออกที่มีความต้านทาน Z _Sตรงกับ Z 0 ก่อนหน้า t = 0 แรงดันไฟฟ้าและกระแสทั้งหมดเป็นศูนย์

ในขณะที่เกิดขั้นตอนแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดจะแบ่งตัวเองเท่า ๆ กันระหว่าง Z _S และ Z ₀ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่ปลายสายนั้นคือ V _S / 2 สิ่งแรกที่ต้องเกิดขึ้นก็คือค่าความจุบิตแรกจะต้องถูกเรียกเก็บกับค่านั้นซึ่งต้องใช้กระแสไหลผ่านบิตแรกของการเหนี่ยวนำ แต่นั่นทำให้ความจุบิตถัดไปทันทีถูกเรียกเก็บผ่านการเหนี่ยวนำบิตถัดไปและอื่น ๆ คลื่นแรงดันเคลื่อนผ่านเส้นตรงโดยมีกระแสไหลอยู่ด้านหลัง แต่ไม่ใช่ล่วงหน้า

หากปลายสุดของบรรทัดถูกยกเลิกด้วยการโหลดที่มีค่าเท่ากับ Z ₀เมื่อคลื่นแรงดันมาถึงที่นั่นการโหลดจะเริ่มการวาดกระแสทันทีที่ตรงกับกระแสที่ไหลเข้ามาในสายแล้ว ไม่มีเหตุผลอะไรที่จะเปลี่ยนแปลงดังนั้นจึงไม่มีการสะท้อนกลับในบรรทัด

อย่างไรก็ตามสมมติว่าปลายสุดของบรรทัดเปิดอยู่ เมื่อคลื่นแรงดันมาถึงที่นั่นจะไม่มีสถานที่สำหรับกระแสที่ไหลไปข้างหลังเพื่อไปดังนั้นประจุ "กองพะเนิน" ในบิตสุดท้ายของค่าความจุจนกระทั่งแรงดันถึงจุดที่สามารถหยุดกระแสในช่วงสุดท้าย บิตของการเหนี่ยวนำ แรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการทำสิ่งนี้เกิดขึ้นเป็นสองเท่าของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าซึ่งจะสร้างแรงดันผกผันในการเหนี่ยวนำบิตสุดท้ายที่ตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่เริ่มต้นกระแสในสถานที่แรก อย่างไรก็ตามตอนนี้เรามี V _Sที่ส่วนท้ายของบรรทัดในขณะที่ส่วนใหญ่ของบรรทัดจะถูกเรียกเก็บเงินกับ V _S / 2 เท่านั้น สิ่งนี้ทำให้เกิดคลื่นแรงดันไฟฟ้าซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามและเมื่อมันเพิ่มขึ้นกระแสก็ยังคงไหลไปข้างหน้าของคลื่นจะลดลงไปอยู่ที่ศูนย์หลังคลื่นที่ออกจากสายที่อยู่เบื้องหลังมันที่เรียกเก็บจาก V S (อีกวิธีคิดเกี่ยวกับสิ่งนี้คือการสะท้อนจะสร้างกระแสย้อนกลับที่ยกเลิกกระแสไฟฟ้าไปข้างหน้าอย่างแน่นอน) เมื่อสิ่งนี้สะท้อนคลื่นแรงดันไฟฟ้าถึงแหล่งกำเนิดแรงดันข้าม Z _Sก็ลดลงเป็นศูนย์ในทันที อีกด้วย อีกครั้งทุกอย่างอยู่ในสภาพมั่นคงแล้ว

ทีนี้ถ้าปลายสายสั้น (แทนการเปิด) เมื่อคลื่นตกกระทบเราก็มีข้อ จำกัด ต่าง ๆ : แรงดันไฟฟ้าไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้จริงและกระแสก็ไหลเข้าที่สั้น แต่ตอนนี้เรามีสถานการณ์ที่ไม่แน่นอนอื่น: จุดสิ้นสุดของบรรทัดนั้นอยู่ที่ 0V แต่ส่วนที่เหลือของสายจะถูกเรียกเก็บเงินเป็น V _s / 2 ดังนั้นกระแสเพิ่มเติมที่ไหลเข้ามาในระยะสั้นและกระแสนี้เท่ากับ V _S / 2 หารด้วย Z ₀ (ซึ่งจะเท่ากับกระแสดั้งเดิมที่ไหลเข้าสู่เส้น) คลื่นแรงดันไฟฟ้า (ก้าวจาก V _S/ 2 ลงไปที่ 0V) เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามและกระแสหลังคลื่นนี้เป็นสองเท่าของกระแสดั้งเดิมข้างหน้า (อีกครั้งคุณอาจคิดว่านี่เป็นคลื่นแรงดันลบที่ยกเลิกคลื่นบวกดั้งเดิม) เมื่อคลื่นนี้มาถึงแหล่งกำเนิดเทอร์มินัลต้นทางจะถูกผลักดันไปที่ 0V แรงดันไฟฟ้าเต็มแหล่งจะลดลงทั่ว Z _Sและกระแสผ่าน Z _Sเท่ากับกระแสที่ไหลเข้ามาในสาย ทั้งหมดมีเสถียรภาพอีกครั้ง

สิ่งนี้ช่วยอะไรได้บ้าง? ข้อดีอย่างหนึ่งของการมองเห็นสิ่งนี้ในแง่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เกิดขึ้นจริง (ซึ่งต่างจากการเปรียบเทียบที่เกี่ยวข้องกับเชือก, น้ำหนักหรือระบบไฮดรอลิกส์ ฯลฯ ) คือช่วยให้คุณสามารถให้เหตุผลเกี่ยวกับสถานการณ์อื่น ๆ ได้ง่ายขึ้นเช่น โหลดตัวต้านทานที่ไม่เข้ากันกับสายส่ง

นี่คือชุดการทดลองหรือการทดลองคิดหากคุณต้องการ

1) ใช้เชือกยาวจับที่ปลายทั้งสองโดยเพื่อนสองคนและตึง ยืนตรงกลางแล้วถามบุคคลที่ปลายด้านหนึ่งเพื่อสะบัดเชือกอย่างรวดเร็วในแนวตั้งส่งชีพจรลงมาที่เชือกอีกข้างหนึ่ง เมื่อคลื่นผ่านคุณ (กลาง) คุณจะสังเกตเห็นว่าคลื่นเพิ่งแพร่กระจายผ่านคุณไป ไม่มีการสะท้อน (ในขณะนั้น) คุณจะสังเกตเห็นว่าลักษณะของเชือกเหมือนกันทั้งก่อนและหลังตำแหน่งของคุณ นี่เป็นกรณีของอิมพีแดนซ์ที่ตรงกันซึ่งไม่มีการเปลี่ยนแปลงดังนั้นจึงไม่มีการสะท้อนกลับ

2) ใช้เชือกเดียวกันผูกไปยังตำแหน่งคงที่ผนังแข็ง ขอให้เพื่อนของคุณส่งพัลส์ลงเชือกและสังเกตคลื่นที่มันเข้ามากระทบกับตำแหน่งคงที่แล้วสะท้อนกลับออกไป คุณจะสังเกตเห็นว่าเมื่อมันสะท้อนกลับมัน นี่เทียบเท่าสั้น เชือกหมุนขึ้น แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้เนื่องจากมันถูกยึดพลังงานจะถูกเก็บไว้ในพลังงานที่ยืดหยุ่นซึ่งดึงเชือกกลับมา (เปลี่ยนกลับเป็นชีพจร)

3) ใช้เชือกเดียวกันและผูกเชือกที่เบามาก ๆ ให้เพื่อนทั้งสองของคุณยืนที่ปลายแต่ละด้านอีกครั้งแล้วจับเชือก / เชือกให้ตึงและให้ชีพจรเปิดตัวเชือก ในช่วงการเปลี่ยนภาพระหว่างเชือก / เชือกชีพจรจะสะท้อนกลับ แต่จะไม่กลับด้าน นี่คือตัวอย่างของวงจรเปิด เชือกหมุนขึ้น แต่พลังงานไม่สามารถเข้าไปในสายได้ (หรือค่อนข้างน้อยกว่าพลังงาน) เพราะมวลของสายนั้นน้อยกว่ามาก ดังนั้นปลายเชือกจะเพิ่มขึ้นพลังงานจะถูกเก็บไว้ในพลังงานศักย์แล้วก็กระจายไปโดยการล้มกลับลงมาเพื่อส่งคลื่นกลับลงมาที่เส้น

ในท่อนำคลื่นพลังงานจะเปลี่ยนจากสนามแม่เหล็ก (กระแส) เป็นไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้า) เมื่อคลื่นแพร่กระจาย ที่การเลิกจ้างเปิดกระแสไม่สามารถไหลเพื่อให้พลังงานไปในรูปแบบแรงดันไฟฟ้า ในระยะสั้นแรงดันไฟฟ้าไม่สามารถแสดงออกได้ (มันเป็นระยะสั้น - หรือ equipotential) ดังนั้นพลังงานจะเข้าสู่กระแสลูปในท้องถิ่น

ฉันชอบคิดว่าสายส่งเป็นชุดของน้ำหนักที่เท่ากันซึ่งเชื่อมต่อกับสปริงที่ตรงกัน เมื่อการบีบอัดพัลส์ถูกฉีดที่ปลายด้านหนึ่งน้ำหนักแต่ละอันจะถูกผลักไปที่น้ำหนักถัดไปในลักษณะที่การกดหรือดึงจากน้ำหนัก "ต้นน้ำ" จะได้รับความสมดุลอย่างแม่นยำด้วยการดึงหรือดันจากน้ำหนัก "ขาลง" น้ำหนักแต่ละอันไม่ขยับเขยื้อนหลังจากคลื่นเคลื่อนผ่าน

หากปลายสายส่งไม่สามารถเคลื่อนที่ได้เอฟเฟ็กต์คือสปริงที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ "ดันกลับ" สองครั้งแรงที่สุดเท่าที่จะทำได้หากสามารถเคลื่อนที่ได้ ครึ่งหนึ่งของการดันนั้นตอบโต้การผลักจากคลื่นก่อนหน้าและอีกครึ่งหนึ่งทำหน้าที่ผลักดันน้ำหนักก่อนหน้าในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนไหวก่อนหน้า ผลกระทบสุทธิคือคลื่นการบีบอัดได้รับการส่งกลับ

หากจุดสิ้นสุดของสายส่งเป็นเพียง "เปิด" ผลที่ตามมาก็คือน้ำหนักสุดท้ายจะไม่จบลงเพียงแค่จุดเริ่มต้นหลังจากถ่ายโอนพลังงานไปยังน้ำหนักถัดไป แต่เมื่อถึงจุดเริ่มต้น ยังคงมีพลังงานทั้งหมดที่ได้รับจากน้ำหนักก่อนหน้า ณ จุดนั้นความเฉื่อยและโมเมนตัมจะทำให้มันผ่านจุดนั้นไปได้อย่างมีประสิทธิภาพและ "ดึง" ที่น้ำหนักก่อนหน้าด้วยพลังงานทั้งหมดที่น้ำหนักก่อนหน้านี้ป้อนเข้าไป สิ่งนี้จะสร้างคลื่นความตึงกลับอย่างมีประสิทธิภาพในฤดูใบไม้ผลิ

ที่น่าสนใจนี้เบลล์แล็บวิดีโอที่สวยงามแสดงให้เห็นถึงการเคลื่อนไหวของคลื่น SWR และส่วนที่ตรงกับความต้านทานบนอุปกรณ์โต๊ะกลสมบูรณ์โดยไม่ต้องคณิตศาสตร์ มันนำเสนอในลักษณะที่แม้แต่คนธรรมดาก็สามารถเข้าใจแนวคิดเหล่านี้ได้

• การสะท้อนของคลื่นจากปลายที่ว่างและยึด
• การทับซ้อน
• คลื่นนิ่งและเสียงสะท้อน
• การสูญเสียพลังงานโดยความต้านทานไม่ตรงกัน
• การลดการสูญเสียพลังงานโดยใช้คลื่นสี่ส่วนและหม้อแปลงแบบเรียว