第4节 有限长度传输线(修订中)
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无限长的传输线是一个有趣的抽象概念，但在物理上是不可能的。所有传输线都有一定的有限长度，因此其行为与无限线不同。
如果几年前我用欧姆表 (opens new window)测量的那条 50 Ω“RG-58/U”电缆无限长，我实际上可以测量内外导体之间的 50 Ω 电阻。但它的长度不是无限的，因此它被测量为“开放”（无限电阻）。
尽管如此，即使在处理有限长度时，传输线的特性阻抗额定值也很重要。特性阻抗的一个较旧的术语，我喜欢它的描述值，是_浪涌阻抗_。
如果将瞬态电压（“浪涌”）施加到传输线的末端，则线路将汲取与浪涌电压幅度除以线路的浪涌阻抗（I=E/Z）成正比的电流。电流和电压之间的这种简单的欧姆定律 (opens new window)关系将在有限的时间内有效，但不是无限期的。
如果传输线的末端开路（即未连接），沿线路长度传播的电流“波”将不得不在末端停止，因为电流无法在没有连续路径的地方流动。
线路末端的电流突然停止导致沿传输线长度发生“堆积”，因为电荷载流子相继无处可去。
想象一列火车沿着轨道行驶，车厢联轴器松弛：如果前车突然撞到不可移动的路障，它会停下来，一旦第一个联轴器松弛，后面的车就会停下来。拉紧，这会导致下一个轨道车在下一个联轴器的松弛被拉紧时立即停止，依此类推，直到最后一个轨道车停止。
火车不是一起停，而是从头到尾依次停：（下图）
从传输线的源端传播到负载端的信号称为_入射波 (opens new window)。信号从负载端到源端的传播（例如在本例中发生的情况，电流遇到开路传输线的末端）称为_反射波。
当这种电荷载体“堆积”传播回电池时，电池中的电流停止，线路就像一个简单的开路。
对于合理长度的传输线，所有这些都发生得非常快，因此对线路的欧姆表测量永远不会揭示线路实际充当电阻器的短暂时间段。
对于速度因子为 0.66 的一英里长电缆（信号传播速度是光速的 66% 或每秒 122,760 英里），信号从一端传播仅需 1/122,760 秒（8.146 微秒）给对方。对于电流信号到达线路末端并“反射”回信号源，往返时间是这个数字的两倍或 16.292 µs。
# 1. 入射波和反射波的意义
高速测量仪器能够检测从源到线路末端再回到源的传输时间，并可用于确定电缆的长度。
该技术还可用于确定电缆的一根或两根导线中是否存在断路_及其_位置，因为电流将“反射”掉断线，就像它会从开路电缆的末端反射一样。
为此目的设计的仪器称为_时域反射_仪(TDR)。基本原理与声纳测距相同：产生声音脉冲并测量回声返回所需的时间。
如果传输线的末端短路也会发生类似的现象：当电压波前到达线路末端时，它会反射回源头，因为两个电气公共点之间不存在电压。
当此反射波到达源时，源将整个传输线视为短路。同样，这种情况发生的速度与信号可以以线路导体之间的介电材料允许的任何速度在传输线上下往返传播一样快。
一个简单的实验说明了传输线中的波反射现象。拿一段绳子的一端，用手腕快速上下运动“鞭打”它。可以看到波浪沿着绳索的长度向下传播，直到由于摩擦而完全消散：（下图）
有损传输线。
这类似于具有内部损耗的长传输线：信号在沿线路长度传播时逐渐变弱，从不反射回源。但是，如果绳子的远端在入射波完全消散之前固定在固体物体上，第二波将反射回您的手：（下图）
反射波。
通常，传输线的目的是将电能从一个点传送到另一个点。
即使信号仅供参考，而不是为某些重要的负载设备供电，理想的情况是所有原始信号能量都从源传输到负载，然后被负载完全吸收或耗散最大信噪比。
因此，沿传输线长度的“损失”是不希望的，反射波也是如此，因为反射能量是未传递到终端设备的能量。
# 2. 如何消除传输线中的反射
如果负载的阻抗恰好等于线路的特性（“浪涌”）阻抗 (opens new window)，则可以消除传输线路的反射。
例如，开路或短路的 50 Ω 同轴电缆会将所有入射能量反射回源。但是，如果在电缆末端连接一个 50 Ω 电阻器，则不会有反射能量，所有信号能量都由电阻器耗散。
如果我们回到我们假设的无限长传输线示例，这非常有意义。50 Ω 特性阻抗和无限长的传输线的行为与从一端测量的 50 Ω 电阻完全相同。（下图）
如果我们把这条线剪成有限的长度，它会像一个 50 Ω 电阻器在短时间内对恒定的直流电压源起作用，但随后会像开路或短路一样，这取决于我们离开的条件。断线端：开路或短路。（下图）
但是，如果我们用 50 Ω 电阻_终止_线路，则线路将再次无限期地充当 50 Ω 电阻：就像它再次具有无限长度一样：（下图）
无限传输线看起来像电阻。
一英里传输。
传输线短路。
线路终止于特性阻抗。
本质上，与传输线的自然阻抗相匹配的终端电阻从源的角度“看起来”为无限长，因为电阻具有永久耗散能量的能力，就像无限长的传输线一样能够永远吸收能量。
如果终端电阻不精确地等于传输线的特性阻抗，反射波也会出现，而不仅仅是线路未连接（开路）或跨接（短路）。
虽然能量反射不会是完全的，具有轻微失配的终端阻抗，但它会是部分的。无论终端电阻是否_大于_或_小于_线路的特性阻抗，都会发生这种情况。
如果源的内部阻抗（[戴维南等效阻抗](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct (opens new window)- (opens new window)
如果源阻抗与线路匹配，则返回源的反射波将完全消散，但如果源阻抗与线路不匹配，则至少部分反射回线路末端，就像另一个入射波一样。
这种类型的反射可能特别麻烦，因为它看起来像是源已经传输了另一个脉冲。
# 3. 总结
- 由于任何长度的传输线的临时电阻行为， 特性阻抗也称为_浪涌阻抗。_
- 一条有限长度的传输线对于直流电压源来说会在短时间内呈现为恒定电阻，然后以任何阻抗形式终止该线。因此，用欧姆表测量时，开放式电缆的读数为“开路”，而当其末端短路时，则读数为“短路”。
- 施加到开路或短路传输线一端的瞬态（“浪涌”）信号将作为二次波“反射”出线路的远端。在传输线上从源到负载传播的信号称为_入射波_；从负载到源的传输线末端“反弹”的信号称为_反射波_。
- 反射波也会出现在由与特性阻抗不精确匹配的电阻器端接的传输线中。
- 如果用与线路特性阻抗相等的电阻器端接，则可以使有限长度的传输线看起来无限长。这消除了所有信号反射。
- 如果源的内部阻抗与线路的特性阻抗不匹配，则反射波可能会从传输线的源端重新反射。当然，这种重新反射的波会出现，就像从源发射的另一个脉冲信号一样。
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