Kỹ thuật vi sóng - Đường truyền
A transmission linelà một đầu nối truyền năng lượng từ điểm này sang điểm khác. Việc nghiên cứu lý thuyết đường dây truyền tải rất hữu ích trong việc sử dụng hiệu quả nguồn điện và thiết bị.
Về cơ bản có bốn loại đường truyền -
- Đường dây dẫn song song hai dây
- Đường đồng trục
- Dây truyền chất nền kiểu dải
- Waveguides
Trong khi truyền hoặc trong khi nhận, việc truyền năng lượng phải được thực hiện một cách hiệu quả, không lãng phí điện năng. Để đạt được điều này, có một số thông số quan trọng nhất định phải được xem xét.
Các thông số chính của đường truyền
Các thông số quan trọng của đường truyền là điện trở, độ tự cảm, điện dung và độ dẫn điện.
Cảm kháng và cảm kháng cùng gọi là đường truyền impedance.
Điện dung và độ dẫn cùng nhau được gọi là admittance.
Sức cản
Điện trở được cung cấp bởi vật liệu mà đường truyền được tạo ra, sẽ là một lượng đáng kể, đặc biệt là đối với đường dây ngắn hơn. Khi dòng điện tăng lên, tổn thất ohmic $ \ left (I ^ {2} R \: loss \ right) $ cũng tăng lên.
Sự ngăn trở $R$ của một dây dẫn có chiều dài "$l$" và mặt cắt "$a$" được đại diện là
$$ R = \ rho \ frac {l} {a} $$
Ở đâu
Ѓ $ \ rho $ = điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn, không đổi.
Nhiệt độ và tần số của dòng điện là những yếu tố chính ảnh hưởng đến điện trở của đường dây. Điện trở của một vật dẫn thay đổi tuyến tính với sự thay đổi của nhiệt độ. Trong khi đó, nếu tần số của dòng điện tăng lên thì mật độ dòng điện hướng tới bề mặt của vật dẫn cũng tăng lên. Nếu không, mật độ dòng điện đối với tâm của vật dẫn tăng lên.
Điều này có nghĩa là, dòng điện chạy nhiều hơn về phía bề mặt của vật dẫn, nó sẽ ít chảy về phía trung tâm, được gọi là Skin Effect.
Điện cảm
Trong đường dây tải điện xoay chiều, dòng điện chạy theo hình sin. Dòng điện này tạo ra một từ trường vuông góc với điện trường cũng biến thiên hình sin. Đây là định luật Faraday. Các trường được mô tả trong hình sau.
Từ trường thay đổi này gây ra một số EMF vào dây dẫn. Bây giờ điện áp cảm ứng hoặc EMF này chảy theo hướng ngược lại với dòng điện chạy ban đầu. EMF chảy theo hướng ngược lại này được hiển thị tương đương bởi một tham số được gọi làInductance, là tài sản để chống lại sự dịch chuyển trong dòng điện.
Nó được ký hiệu là "L". Đơn vị đo là"Henry(H)".
Ứng xử
Sẽ có dòng điện rò rỉ giữa đường dây tải điện và đất, và giữa các dây dẫn pha. Dòng rò rỉ nhỏ này thường chạy qua bề mặt của chất cách điện. Nghịch đảo của dòng điện rò rỉ này được gọi làConductance. Nó được ký hiệu là "G".
Cường độ dòng điện có cảm kháng và hiệu điện thế giữa hai điểm có điện dung. Cảm ứng liên kết với từ trường, trong khi điện dung liên kết với điện trường.
Điện dung
Sự khác biệt điện áp giữa Phase conductorslàm phát sinh điện trường giữa các vật dẫn. Hai vật dẫn giống như các tấm song song và không khí ở giữa chúng trở thành chất điện môi. Mô hình này làm phát sinh hiệu ứng điện dung giữa các vật dẫn.
Trở kháng đặc tính
Nếu coi một đường dây truyền tải không tổn hao đều, đối với một sóng truyền theo một phương, tỉ số giữa biên độ điện áp và dòng điện dọc theo đường dây đó, không có phản xạ, được gọi là Characteristic impedance.
Nó được ký hiệu là $ Z_0 $
$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {áp \: \: wave \: \: value} {current \: \: wave \: \: value}} $$
$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {R + jwL} {G + jwC}} $$
Đối với một dòng không mất dữ liệu, $ R_0 = \ sqrt {\ frac {L} {C}} $
Trong đó $ L $ & $ C $ là độ tự cảm và điện dung trên một đơn vị độ dài.
Trở kháng phù hợp
Để đạt được công suất tối đa truyền cho tải, phải thực hiện kết hợp trở kháng. Để đạt được sự phù hợp trở kháng này, các điều kiện sau đây phải được đáp ứng.
Điện trở của tải phải bằng điện trở của nguồn.
$$ R_L = R_S $$
Điện kháng của tải phải bằng điện kháng của nguồn nhưng ngược dấu.
$$ X_L = -X_S $$
Có nghĩa là, nếu nguồn là cảm ứng thì tải phải là điện dung và ngược lại.
Hệ số phản xạ
Tham số biểu thị lượng năng lượng phản xạ do không phù hợp trở kháng trong đường truyền được gọi là Reflection coefficient. Nó được biểu thị bằng $ \ rho $(rho).
Nó có thể được định nghĩa là "tỷ số giữa điện áp phản xạ với điện áp tới tại các đầu nối phụ tải".
$$ \ rho = \ frac {reaction \: áp} {sự cố \: điện áp} = \ frac {V_r} {V_i} \: lúc \: tải \: terminals $$
Nếu trở kháng giữa thiết bị và đường truyền không khớp với nhau, thì năng lượng sẽ bị phản xạ. Năng lượng được phản xạ càng cao thì giá trị của hệ số phản xạ $ \ rho $ càng lớn.
Tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR)
Sóng dừng được hình thành khi sóng tới bị phản xạ. Sóng dừng được hình thành, chứa một số điện áp. Độ lớn của sóng dừng có thể được đo bằng tỷ số sóng dừng.
Tỷ lệ giữa điện áp tối đa và điện áp nhỏ nhất trong sóng dừng có thể được định nghĩa là Tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR). Nó được ký hiệu là "$ S $".
$$ S = \ frac {\ left | V_ {max} \ right |} {\ left | V_ {min} \ right |} \ quad 1 \: \ leq S \ leq \ infty $$
VSWR mô tả dạng sóng dừng của điện áp có trong đường truyền do phép cộng và trừ pha của sóng tới và sóng phản xạ.
Do đó, nó cũng có thể được viết là
$$ S = \ frac {1 + \ rho} {1 - \ rho} $$
Sự không phù hợp trở kháng càng lớn thì biên độ của sóng dừng càng cao. Do đó, nếu trở kháng được kết hợp hoàn hảo,
$$ V_ {max}: V_ {min} = 1: 1 $$
Do đó, giá trị của VSWR là sự thống nhất, có nghĩa là việc truyền tải là hoàn hảo.
Hiệu quả của đường truyền
Hiệu suất của đường dây tải điện được định nghĩa là tỷ số giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào.
$ \% \: hiệu suất \: của \: truyền \: đường truyền \: \ eta = \ frac {Nguồn \: giao \: tại \: tiếp nhận} {Nguồn \: đã gửi \: từ \: \: truyền \: end} \ lần 100 $
Điều chỉnh điện áp
Điều hòa điện áp được định nghĩa là sự thay đổi độ lớn của hiệu điện thế giữa hai đầu gửi và nhận của đường dây tải điện.
$ \% \: điện áp \: quy định = \ frac {gửi \: kết thúc \: điện áp - \: nhận \: kết thúc \: điện áp} {gửi \: kết thúc \: điện áp} \ lần 100 $
Tổn thất do trở kháng không khớp
Đường truyền, nếu không được kết thúc với tải phù hợp, sẽ xảy ra tổn thất. Những tổn thất này có nhiều loại như suy hao, suy giảm phản xạ, suy hao truyền dẫn, suy hao hồi lưu, suy hao chèn, v.v.
Tổn thất suy giảm
Suy hao xảy ra do sự hấp thụ tín hiệu trong đường truyền được gọi là Suy hao suy giảm, được biểu thị là
$$ Suy hao \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i - E_r} {E_t} \ right] $$
Ở đâu
$ E_i $ = năng lượng đầu vào
$ E_r $ = năng lượng phản xạ từ tải đến đầu vào
$ E_t $ = năng lượng truyền cho tải
Mất phản xạ
Suy hao xảy ra do phản xạ tín hiệu do không phù hợp trở kháng của đường truyền được gọi là Suy hao phản xạ, được biểu diễn dưới dạng
$$ Reflection \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i} {E_i - E_r} \ right] $$
Ở đâu
$ E_i $ = năng lượng đầu vào
$ E_r $ = năng lượng phản xạ từ tải
Mất đường truyền
Suy hao xảy ra trong khi truyền qua đường truyền được gọi là Suy hao truyền, được biểu thị là
$$ Truyền \: mất (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_t} $$
Ở đâu
$ E_i $ = năng lượng đầu vào
$ E_t $ = năng lượng truyền đi
Trả lại mất mát
Phép đo công suất được phản ánh bởi đường dây truyền tải được gọi là Tổn thất trở lại, được biểu thị bằng
$$ Return \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_r} $$
Ở đâu
$ E_i $ = năng lượng đầu vào
$ E_r $ = năng lượng phản xạ
Mất đoạn chèn
Tổn thất xảy ra do truyền năng lượng bằng đường truyền so với truyền năng lượng mà không có đường truyền được gọi là tổn thất do chèn, được biểu thị bằng
$$ Insertion \: loss (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_1} {E_2} $$
Ở đâu
$ E_1 $ = năng lượng mà tải nhận được khi kết nối trực tiếp với nguồn, không có đường truyền.
$ E_2 $ = năng lượng mà tải nhận được khi đường truyền được nối giữa tải và nguồn.
So khớp Stub
Nếu trở kháng tải không khớp với trở kháng nguồn, một phương pháp được gọi là "Kết hợp Stub" đôi khi được sử dụng để đạt được sự phù hợp.
Quá trình kết nối các phần của đường dây hở hoặc ngắn mạch được gọi là stubs trong shunt với dòng chính tại một số điểm hoặc các điểm, có thể được gọi là Stub Matching.
Ở tần số vi sóng cao hơn, về cơ bản, hai kỹ thuật so khớp sơ khai được sử dụng.
So khớp một Stub
Trong khớp đơn gốc, một cuống có chiều dài cố định nhất định được đặt ở một khoảng cách nào đó so với tải. Nó chỉ được sử dụng cho một tần số cố định, bởi vì bất kỳ sự thay đổi nào về tần số, vị trí của cuống phải được thay đổi, điều này không được thực hiện. Phương pháp này không phù hợp với đường dây đồng trục.
Đối sánh Double Stub
Trong kết hợp đinh đôi, hai cuống có chiều dài thay đổi được cố định ở những vị trí nhất định. Khi tải trọng thay đổi, chỉ độ dài của các gốc được điều chỉnh để đạt được sự phù hợp. Điều này được sử dụng rộng rãi trong thực tế phòng thí nghiệm như một thiết bị phù hợp tần số duy nhất.
Các số liệu sau đây cho thấy các khớp sơ khai trông như thế nào.
Kết hợp sơ khai đơn và kết hợp nhị phân, như thể hiện trong các hình trên, được thực hiện trong các đường truyền để đạt được kết hợp trở kháng.