第5节 “长”和“短”输电线路 (修订中)
[TOC]
在直流和低频交流电路中，通常忽略并联导线的[特性阻抗。](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating (opens new window)- 磁场 (opens new window)引起的感应“噪声”的破坏。
这是由于与电路中重要信号的波形或脉冲周期相比，线路中发生反射的时间跨度相对较短。
正如我们在上一节中看到的，如果传输线连接到直流电压源，只要入射脉冲到达终点，它就会表现为电阻值等于线路的特性阻抗。线并作为反射脉冲返回，返回源。
在那之后（对于上一个示例的一英里长同轴电缆来说，短暂的 16.292 µs），源“看到”的只是终端阻抗，不管它可能是什么。
如果所讨论的电路处理低频交流电源，则传输线在交流电源输出电压峰值和电源“看到”由终端阻抗加载的峰值之间引入的如此短的时间延迟（往返时间为到达线路末端并反射回源的入射波）影响不大。
尽管我们知道由于信号以（几乎）光速传播，沿线路长度的信号幅度在任何给定时间都不相等，但线路起点和线路终点信号之间的实际相位差可以忽略不计，因为线长传播发生在交流波形周期的一小部分内。
出于所有实际目的，我们可以说在任何给定时间点，低频双导体线路上所有相应点的电压相等且彼此同相。
在这些情况下，我们可以说所讨论的传输线是_电短_的，因为它们的传播效果比传导信号的周期快得多。
相比之下，_电长线_是其中传播时间是信号周期的很大一部分甚至几倍的线。“长”线通常被认为是源信号波形在入射信号到达线末端之前至少完成四分之一周期（“旋转”90°）的线。
在“电路课程”系列丛书中的这一章之前，所有连接线都被假定为电气短路。
# 1. 如何计算波长？
从这个角度来看，我们需要表达电压或电流信号沿传输线行进的距离与其源频率的关系。频率为 60 Hz 的 AC 波形在 16.66 ms 内完成一个周期。
在光速（186,000 英里/秒）下，这相当于电压或电流信号将在这段时间内传播 3100 英里的距离。如果传输线的速度因子小于 1，则传播速度将小于每秒 186,000 英里，并且距离会减少相同的因子。
但是即使我们使用上一个例子中同轴电缆的速度因子（0.66），距离仍然是很长的 2046 英里！我们为给定频率计算的任何距离都称为信号的_波长_。
计算波长的简单公式如下：
小写希腊字母“lambda” (λ) 表示波长，采用速度图中使用的任何长度单位（如果是英里每秒，则波长以英里为单位；如果是米每秒，则波长以米为单位）。
传播速度通常是在露天或真空中计算信号波长时的光速，但如果传输线的速度因子小于 1，则传播速度会更小。
如果一条“长”线被认为是长度至少为 1/4 波长的线，那么您就会明白为什么到目前为止讨论的电路中的所有连接线都被假定为“短”。
对于 60 Hz 交流电源系统，在传播时间的影响变得显著之前，电源线的长度必须超过 775 英里。将音频放大器 (opens new window)连接到扬声器的电缆长度必须超过 4.65 英里，线路反射才会显著影响 10 kHz 音频信号！
然而，在处理射频 (opens new window)系统时，传输线长度远非微不足道。考虑一个 100 MHz 的无线电信号：即使在光的全传播速度（186,000 英里/秒）下，它的波长也只有 9.8202 英尺。
承载此信号的传输线长度不必超过约 2-1/2 英尺即可被视为“长”！使用 0.66 的电缆速度因子，这个临界长度缩小到 1.62 英尺。
# 2. 如果传输线“短”会怎样？
当电源通过“短”传输线连接到负载时，负载的阻抗在电路中占主导地位。也就是说，当线路短路时，其自身的特性阻抗对电路的行为影响不大。
我们在用欧姆表测试同轴电缆时看到了这一点：如果电缆末端未端接，则电缆从中心导体到外导体读取“开路”。
虽然在连接仪表后，线路在很短的时间内充当电阻器（对于 RG-58/U 电缆约为 50 Ω），但此后它立即表现为简单的“开路”：线路的阻抗开放端。
由于欧姆表和使用它的人的组合响应时间_大大超过_了电缆上下往返传播时间，因此对于该应用来说它是“电气短路”的，我们只记录端接（负载）阻抗。
正是传播信号的极端速度使我们无法用欧姆表检测电缆的 50 Ω 瞬态阻抗。
如果我们使用同轴电缆将直流电压或电流传导到负载，并且电路中的任何组件都不能足够快地测量或响应以“注意到”反射波，则该电缆被认为是“电短路”并且它的阻抗与电路功能无关。
请注意电缆的电气“短路”与应用的关系：在电压和电流值变化缓慢的直流电路中，从特性阻抗和反射波的角度来看，几乎任何物理长度的电缆都将被视为“短路”。
但是，使用相同长度的电缆并使用它来传导高频交流信号可能会导致对该电缆的“短路！”的评估截然不同！
# 3. 当传输线电“长”时会发生什么？
当源通过“长”传输线连接到负载时，在确定电路行为时，传输线自身的特性阻抗优于负载阻抗。换句话说，电气上的“长”线路充当电路中的主要组件，其自身特性掩盖了负载的特性。
电源连接到电缆的一端，负载连接到另一端，从电源汲取的电流主要是线路的函数，而不是负载的函数。传输线越长，这一点就越真实。
考虑我们假设的无限长度的 50 Ω 电缆，这无疑是“长”传输线的终极示例：无论我们将何种负载连接到该线的一端，源（连接到另一端）只会看到 50 Ω 的阻抗，因为线路的无限长度会阻止信号_到达_连接负载的末端。
在这种情况下，线路阻抗专门定义电路行为，使负载完全不相关。
# 4. 如何最小化传输线长度对电路的影响？
将传输线长度对电路行为的影响降至最低的最有效方法是将线路的特性阻抗与负载阻抗相匹配。
如果负载阻抗等于线路阻抗，则连接到线路另一端的_任何_信号源都将“看到”完全相同的阻抗，并且无论线路长度如何，都将从其汲取完全相同的电流量。
在这种完美阻抗匹配的条件下，线路长度仅影响从信号离开源到信号到达负载的时间延迟量。然而，线路和负载阻抗的完美匹配并不总是可行或可能的。
下一节将讨论“长”传输线的影响，尤其是当传输线的长度恰好与信号波长的特定分数或倍数相匹配时。
# 5. 总结
- 同轴电缆有时用于直流和低频交流电路以及高频电路，因为它对信号提供的感应“噪声”具有出色的免疫力。
- 当传输的电压或电流信号的周期大大超过传输线的传播时间时，该线被认为是_电气短路_的。相反，当传播时间是信号周期的很大一部分或倍数时，则认为线路是_电长的_。
- 信号的_波长_是它在一个周期的时间跨度内传播的物理距离。波长由公式 λ=v/f 计算，其中“λ”为波长，“v”为传播速度，“f”为信号频率。
- 传输线“短”的经验法则是，该线必须至少是 1/4 波长才能被视为“长”。
- 在具有“短”线的电路中，端接（负载）阻抗支配电路行为。除了传输线中的任何电阻损耗外，源实际上只看到负载的阻抗。
- 在具有“长”线路的电路中，线路自身的特性阻抗支配着电路行为。这方面的终极例子是无限长的传输线：由于信号_永远不会_达到负载阻抗，因此信号源只能“看到”电缆的特性阻抗。
- 当传输线由与其阻抗精确匹配的负载端接时，没有反射波，因此线路长度没有问题。
总目录：