Microwave-engineering-transmission-lines
マイクロ波工学-送電線
- 伝送線*は、ある地点から別の地点にエネルギーを伝送するコネクタです。 送電線理論の研究は、電力と機器の効果的な使用に役立ちます。
基本的に4種類の伝送線があります-
- 2線式パラレル伝送ライン
- 同軸線
- ストリップ型基板伝送線路
- 導波管
送信中または受信中に、電力を無駄にすることなく、エネルギー伝達を効率的に行う必要があります。 これを達成するために、考慮しなければならない特定の重要なパラメーターがあります。
送電線の主なパラメーター
伝送ラインの重要なパラメータは、抵抗、インダクタンス、キャパシタンス、コンダクタンスです。
抵抗とインダクタンスを合わせて伝送ライン*インピーダンス*と呼びます。
キャパシタンスとコンダクタンスを合わせて*アドミタンス*と呼びます。
抵抗
伝送ラインを構成する材料が提供する抵抗は、特に短いラインの場合、かなりの量になります。 ライン電流が増加すると、オーム損失$ \ left（I ^ \ {2} R \：loss \ right）$も増加します。
長さ "$ l $" および断面積 " a $" の導体の抵抗 $ R $ は、次のように表されます。
R = \ rho \ frac \ {l} \ {a}
どこで
$ \ rho $ =導体材料の抵抗率は一定です。
温度と電流の周波数は、ラインの抵抗に影響を与える主な要因です。 導体の抵抗は、温度の変化に比例して変化します。 一方、電流の周波数が増加すると、導体の表面に向かう電流密度も増加します。 そうでなければ、導体の中心に向かう電流密度が増加します。
これは、電流が導体の表面に向かって流れるほど、中心への流れが少なくなることを意味します。これは、*スキン効果*として知られています。
インダクタンス
AC送電線では、電流は正弦波状に流れます。 この電流は電場に垂直な磁場を誘導し、これも正弦波的に変化します。 これはファラデーの法則としてよく知られています。 次の図にフィールドを示します。
この変化する磁場は、導体にいくらかのEMFを誘導します。 現在、この誘導電圧またはEMFは、最初に流れる電流と反対の方向に流れます。 反対方向に流れるこのEMFは、*インダクタンス*と呼ばれるパラメータによって同等に示されます。これは、電流のシフトに対抗するプロパティです。
「 L 」で示されます。 測定単位は「* Henry（H）*」です。
コンダクタンス
伝送線とグランドの間、および相導体の間にも漏れ電流があります。 この少量の漏れ電流は、一般に絶縁体の表面を流れます。 この漏れ電流の逆は*コンダクタンス*と呼ばれます。 「 G 」で示されます。
ライン電流の流れはインダクタンスに関連付けられ、2点間の電圧差は容量に関連付けられます。 インダクタンスは磁場に関連し、静電容量は電界に関連しています。
キャパシタンス
- 相導体*間の電圧差により、導体間に電界が発生します。 2つの導体は平行平板のようであり、それらの間の空気は誘電体になります。 このパターンにより、導体間の容量効果が生じます。
特性インピーダンス
一様な無損失伝送ラインを考慮すると、一方向に進行する波について、そのラインに沿った反射のない電圧と電流の振幅の比は、*特性インピーダンス*と呼ばれます。
$ Z_0 $で示されます
Z_0 = \ sqrt \ {\ frac \ {電圧\：\：波\：\：値} \ {現在の\：\：波\：\：値}}
Z_0 = \ sqrt \ {\ frac \ {R + jwL} \ {G + jwC}}
ロスレス回線の場合、$ R_0 = \ sqrt \ {\ frac \ {L} \ {C}} $
ここで、$ L $と$ C $は、単位長あたりのインダクタンスとキャパシタンスです。
インピーダンス整合
負荷への最大電力伝達を実現するには、インピーダンス整合を行う必要があります。 このインピーダンス整合を実現するには、次の条件が満たされる必要があります。
負荷の抵抗は、ソースの抵抗と等しくなければなりません。
R_L = R_S
負荷のリアクタンスは、ソースのリアクタンスと同じである必要がありますが、符号は反対です。
X_L = -X_S
つまり、ソースが誘導性の場合、負荷は容量性である必要があり、逆も同様です。
反射係数
伝送ラインのインピーダンス不整合による反射エネルギーの量を表すパラメータは、*反射係数*と呼ばれます。 $ \ rho $ *（rho）*で示されます。
「負荷端子での入射電圧に対する反射電圧の比率」として定義できます。
\ rho = \ frac \ {reflected \：voltage} \ {incident \：voltage} = \ frac \ {V_r} \ {V_i} \：at \：ロード\：端末
デバイスと伝送ライン間のインピーダンスが互いに一致しない場合、エネルギーが反射されます。 エネルギーが反射されるほど、$ \ rho $反射係数の値は大きくなります。
電圧定在波比（VSWR）
定在波は、入射波が反射されると形成されます。 形成される定在波には、電圧が含まれます。 定在波の大きさは、定在波比で測定できます。
定在波の最大電圧と最小電圧の比は、定在波比（VSWR）として定義できます。 「$ S $」で示されます。
S = \ frac \ {\ left | V _ \ {max} \ right |} \ {\ left | V _ \ {min} \ right |} \ quad 1 \：\ leq S \ leq \ infty
VSWRは、入射波と反射波の位相の加算と減算により伝送ラインに存在する電圧定在波パターンを表します。
したがって、次のように書くこともできます。
S = \ frac \ {1 + \ rho} \ {1-\ rho}
インピーダンスの不整合が大きいほど、定在波の振幅は大きくなります。 したがって、インピーダンスが完全に一致している場合、
V _ \ {max}：V _ \ {min} = 1：1
したがって、VSWRの値は1であり、これは伝送が完全であることを意味します。
送電線の効率
伝送ラインの効率は、入力電力に対する出力電力の比率として定義されます。
$ \％\：効率\：\：送信\：行\：\ eta = \ frac \ {電力\：配信\：\：受信} \ {電力\：送信\：\：から\：送信\：終了} \ times 100 $
電圧調整
電圧調整は、伝送ラインの送信端と受信端の間の電圧の大きさの変化として定義されます。
$ \％\：電圧\：規制= \ frac \ {送信\：終了\：電圧-\：受信\：終了\：電圧} \ {送信\：終了\：電圧} \ times 100 $
インピーダンスの不一致による損失
伝送線路は、整合した負荷で終端されていない場合、損失が発生します。 これらの損失は、減衰損失、反射損失、伝送損失、リターン損失、挿入損失など、多くのタイプです。
減衰損失
伝送ラインでの信号の吸収により発生する損失は、減衰損失と呼ばれ、次のように表されます。
減衰\：損失（dB）= 10 \：log _ \ {10} \ left [\ frac \ {E_i-E_r} \ {E_t} \ right]
どこで
- $ E_i $ =入力エネルギー
- $ E_r $ =負荷から入力への反射エネルギー
- $ E_t $ =負荷への伝送エネルギー
反射損失
伝送ラインのインピーダンス不整合による信号の反射により発生する損失は、反射損失と呼ばれ、次のように表されます。
反射\：損失（dB）= 10 \：log _ \ {10} \ left [\ frac \ {E_i} \ {E_i-E_r} \ right]
どこで
- $ E_i $ =入力エネルギー
- $ E_r $ =負荷からの反射エネルギー
伝送損失
伝送ラインを介した伝送中に発生する損失は伝送損失と呼ばれ、次のように表されます。
伝送\：損失（dB）= 10 \：log _ \ {10} \：\ frac \ {E_i} \ {E_t}
どこで
- $ E_i $ =入力エネルギー
- $ E_t $ =透過エネルギー
リターンロス
伝送線路によって反射される電力の測定値はリターンロスと呼ばれ、次のように表されます。
Return \：loss（dB）= 10 \：log _ \ {10} \：\ frac \ {E_i} \ {E_r}
どこで
- $ E_i $ =入力エネルギー
- $ E_r $ =反射エネルギー
挿入損失
伝送線路を使用しないエネルギー伝送と比較して、伝送線路を使用したエネルギー伝送により発生する損失は挿入損失と呼ばれ、次のように表されます。
挿入\：損失（dB）= 10 \：log _ \ {10} \：\ frac \ {E_1} \ {E_2}
どこで
- $ E_1 $ =送電線なしで電源に直接接続されたときに負荷が受け取るエネルギー。
- $ E_2 $ =送電線が負荷と電源の間に接続されているときに負荷が受け取るエネルギー。
スタブマッチング
負荷インピーダンスがソースインピーダンスと一致しない場合、「スタブマッチング」と呼ばれる方法を使用してマッチングを行うことがあります。
シャント内の*スタブ*と呼ばれる開回路または短絡回路のセクションを、1つまたは複数のポイントでメインラインと接続するプロセスは、*スタブマッチング*と呼ばれます。
より高いマイクロ波周波数では、基本的に2つのスタブマッチング技術が使用されます。
シングルスタブマッチング
シングルスタブマッチングでは、特定の固定長のスタブが負荷からある距離に配置されます。 固定周波数に対してのみ使用されます。これは、周波数が変更された場合、スタブの場所を変更する必要があるためです。これは行われません。 この方法は、同軸線には適していません。
ダブルスタブマッチング
ダブルスタッドマッチングでは、可変長の2つのスタブが特定の位置に固定されます。 負荷が変化すると、スタブの長さのみが調整されて一致します。 これは、実験室で単一の周波数整合デバイスとして広く使用されています。
次の図は、スタブマッチングの外観を示しています。
上記の図に示すように、シングルスタブマッチングとダブルスタブマッチングは、インピーダンスマッチングを実現するために伝送ラインで行われます。
