Linia niezrównoważona
W telekomunikacji i ogólnie elektrotechnice linia niezrównoważona to para przewodów przeznaczonych do przenoszenia sygnałów elektrycznych, które mają nierówne impedancje na całej długości oraz do uziemienia i innych obwodów. Przykładami linii niezbalansowanych są kabel koncentryczny lub historyczny system uziemienia wynaleziony dla telegrafu, ale obecnie rzadko używany. Linie niezbalansowane należy skontrastować z liniami zrównoważonymi , takimi jak podwójne przewody lub skrętka które wykorzystują dwa identyczne przewodniki do utrzymania równowagi impedancji w całej linii. Zbalansowane i niezbalansowane linie mogą być łączone za pomocą urządzenia zwanego balunem .
Główną zaletą niezbalansowanego formatu linii jest opłacalność. W tym samym kablu można umieścić wiele niesymetrycznych linii z jednym przewodem na linię oraz jednym wspólnym przewodem powrotnym, zwykle ekranem kabla . Podobnie wiele mikropaskowych może wykorzystywać tę samą płaszczyznę uziemienia dla ścieżki powrotnej. To dobrze wypada w porównaniu z okablowaniem zbalansowanym, które wymaga dwóch przewodów dla każdej linii, prawie dwa razy więcej. Kolejną zaletą niezbalansowanych linii jest to, że nie wymagają one droższych, zbalansowanych obwodów sterownika i odbiornika do prawidłowego działania.
Linie niezbalansowane są czasami mylone z sygnalizacją single-ended , ale są to całkowicie odrębne koncepcje. Pierwszy to schemat okablowania, a drugi to schemat sygnalizacji. Jednak sygnalizacja single-ended jest zwykle przesyłana liniami niezbalansowanymi. Linii niezbalansowanych nie należy mylić z jednoprzewodowymi liniami transmisyjnymi , które w ogóle nie wykorzystują ścieżki powrotnej.
Ogólny opis
Każda linia, która ma inną impedancję kanału zwrotnego, może być uważana za linię niesymetryczną. Jednak linie niezbalansowane zwykle składają się z przewodu, który jest uważany za linię sygnałową, oraz innego przewodu, który jest uziemiony lub sam jest uziemiony. Przewód uziemiający często ma postać płaszczyzny uziemiającej lub ekranu kabla . Przewód uziemiający może być i często jest wspólny dla wielu niezależnych obwodów. Z tego powodu przewód uziemiający można nazwać wspólnym .
Linie telegraficzne
Najwcześniejsze zastosowanie niezrównoważonych linii przesyłowych dotyczyło komunikacji telegrafu elektrycznego . Składały się one z pojedynczych drutów nawleczonych między słupami. Ścieżka powrotna dla prądu była pierwotnie zapewniana przez oddzielny przewodnik. Niektóre wczesne systemy telegraficzne, takie jak eksperymentalny telegraf igłowy Schillinga (1832) i telegraf pięcioigłowy Cooke & Wheatstone (1837) używany przez brytyjskie koleje, wymagały wielu przewodów kodowych. Zasadniczo były to szyny równoległe kodowanie. W tych systemach koszt przewodu powrotnego nie był tak znaczący (jeden przewód na siedem w przypadku najwcześniejszego telegrafu igłowego Schillinga i jeden przewód na sześć w telegrafie Cooke'a i Wheatstone'a), ale liczba przewodów kodujących była stopniowo zmniejszana wraz z ulepszonymi systemami. Wkrótce potrzebny był tylko jeden przewód kodujący, a dane były przesyłane szeregowo . Ważnymi przykładami tych systemów jednoprzewodowych były telegraf Morse'a (1837) oraz telegraf jednoigłowy Cooke & Wheatstone (1843). W takich systemach koszt przewodu powrotnego wynosił całe 50 procent kosztów kabla. Odkryto, że przewód powrotny można zastąpić ścieżką powrotną przez Ziemię za pomocą uziemiających . Wykorzystanie uziemienia było znaczną oszczędnością kosztów i szybko stało się normą.
Podziemne kable telegraficzne do dużych budynków lub między stacjami często wymagały prowadzenia wielu niezależnych linii telegraficznych. Kable te miały postać wielu izolowanych przewodów otoczonych metalowym ekranem i ogólną osłoną ochronną. W takich kablach ekran może służyć jako przewód powrotny. Podmorskie kable telegraficzne były zwykle pojedynczym przewodnikiem chronionym zbroją z drutu stalowego , w rzeczywistości kablem koncentrycznym. Pierwszy kabel transatlantycki tego rodzaju został ukończony w 1866 roku.
Wczesne linie telefoniczne (telefon wynaleziony w 1876 r.) Wykorzystywały ten sam schemat linii transmisyjnej, co telegraf z niezrównoważonymi pojedynczymi przewodami. Jednak komunikacja telefoniczna zaczęła ucierpieć po powszechnym wprowadzeniu linii elektroenergetycznych. Transmisja telefoniczna zaczęła wykorzystywać symetryczne linie do walki z tym problemem, a współczesną normą prezentacji telefonicznej jest zbalansowana skrętka dwużyłowa .
Linie współosiowe
Linia koncentryczna (koncentryczna) ma centralny przewód sygnałowy otoczony cylindrycznym przewodem ekranującym. Przewód ekranujący jest normalnie uziemiony. Format koncentryczny został opracowany podczas II wojny światowej do użytku w radarach . Pierwotnie był zbudowany ze sztywnych rur miedzianych, ale obecnie ma typową formę elastycznego kabla z plecionym ekranem. Zaletą kabla koncentrycznego jest teoretycznie doskonały ekran elektrostatyczny i wysoce przewidywalne parametry transmisji. To ostatnie jest wynikiem ustalonej geometrii formatu, co prowadzi do precyzji niespotykanej w przypadku luźnych drutów. Na systemy z otwartymi przewodami mają również wpływ znajdujące się w pobliżu obiekty zmieniające wzór pola wokół przewodnika. Kabel koncentryczny nie cierpi z tego powodu, ponieważ pole jest całkowicie zawarte w kablu z powodu otaczającego go ekranu.
Linie koncentryczne są normą w połączeniach między nadajnikami radiowymi i ich antenami, w łączeniu urządzeń elektronicznych, w których występuje wysoka częstotliwość lub wyższa, i były wcześniej szeroko stosowane do tworzenia sieci lokalnych , zanim skrętka stała się popularna do tego celu.
Kabel trójosiowy (triax) to odmiana kabla koncentrycznego z drugim przewodnikiem ekranującym otaczającym pierwszy z warstwą izolacji pomiędzy nimi. Oprócz zapewnienia dodatkowego ekranowania, przewody zewnętrzne mogą być wykorzystywane do innych celów, takich jak zasilanie sprzętu lub sygnały sterujące . Triax jest szeroko stosowany do łączenia kamer w studiach telewizyjnych .
Technologie planarne
Linie transmisyjne w formacie planarnym to płaskie przewodniki wytwarzane na podłożu różnymi technikami. Prawie zawsze są to formaty niezbalansowane. Przy niskich prędkościach transmisji wczesnego telegrafu konieczne było rozważenie teorii linii przesyłowych przy projektowaniu obwodu tylko wtedy, gdy transmisja obejmowała wiele mil. Podobnie częstotliwości audio używane przez telefony są stosunkowo niskie, a teoria linii transmisyjnych ma znaczenie tylko dla odległości co najmniej między budynkami. Jednak przy wyższych częstotliwościach radiowych i mikrofalowych rozważania dotyczące linii przesyłowych częstotliwości mogą stać się ważne wewnątrz urządzenia, tylko kwestia centymetrów. Przy bardzo wysokich szybkościach transmisji danych obsługiwanych przez nowoczesne procesory komputerowe , kwestia linii transmisyjnych może być ważna nawet wewnątrz pojedynczego układu scalonego . Technologie planarne zostały opracowane z myślą o tego rodzaju zastosowaniach o niewielkich rozmiarach i nie są zbyt odpowiednie do transmisji na duże odległości.
- Linia paskowa
Linia paskowa to płaski przewodnik z płaszczyzną uziemienia zarówno nad, jak i pod przewodnikiem. Wariant linii paskowej, w którym przestrzeń między dwiema płaszczyznami uziemienia jest całkowicie wypełniona materiałem dielektrycznym , jest czasami nazywany potrójną płytą . Linie paskowe można wytworzyć poprzez wytrawienie wzoru linii transmisyjnej na płytce drukowanej . Spód tej płytki jest całkowicie pokryty miedzią i tworzy dolną płaszczyznę uziemienia. Druga deska jest zaciśnięta na pierwszej. Ta druga płytka nie ma wzoru na spodzie i zwykłej miedzi na górze, tworząc górną płaszczyznę uziemienia. Arkusz folii miedzianej można owinąć wokół dwóch płyt, aby mocno połączyć ze sobą dwie płaszczyzny uziemienia. Z drugiej strony linia paskowa do zastosowań o dużej mocy, takich jak radar, będzie najprawdopodobniej wykonana jako solidne metalowe paski z okresowymi wspornikami dielektrycznymi, zasadniczo dielektrykami powietrznymi.
- mikropaskowy
Mikropaskowa jest podobna do linii paskowej, ale jest otwarta nad przewodnikiem. Nad linią transmisyjną nie ma dielektryka ani płaszczyzny uziemienia, jest tylko dielektryk i płaszczyzna uziemienia pod linią. Mikropaskowy jest popularnym formatem, zwłaszcza w produktach domowych, ponieważ elementy mikropaskowe można wytwarzać przy użyciu ustalonych technik produkcji płytek drukowanych. Projektanci mogą zatem mieszać dyskretne komponenty obwody z elementami mikropaskowymi. Ponadto, ponieważ płytka i tak musi być wykonana, komponenty mikropaskowe nie wiążą się z dodatkowymi kosztami produkcji. W zastosowaniach, w których wydajność jest ważniejsza niż koszt, zamiast obwodu drukowanego można zastosować podłoże ceramiczne. Mikropaskowa ma jeszcze jedną niewielką przewagę nad linią paskową; szerokości linii są szersze w mikropaskach dla tej samej impedancji , a zatem tolerancje produkcyjne i minimalna szerokość są mniej krytyczne w przypadku linii o wysokiej impedancji. Wadą mikropaskowej jest to, że tryb transmisji nie jest całkowicie poprzeczny . Ściśle mówiąc, standardowa analiza linii transmisyjnych nie ma zastosowania, ponieważ obecne są inne tryby, ale może to być użyteczne przybliżenie.
- Obwody scalone
Połączenia w układach scalonych są zwykle planarne, więc planarne linie transmisyjne są naturalnym wyborem tam, gdzie są potrzebne. Potrzeba linii transmisyjnych jest najczęściej spotykana w mikrofalowych układach scalonych (MIC). Istnieje bardzo wiele materiałów i technik wykorzystywanych do wytwarzania mikrofonów, a linie transmisyjne można tworzyć w dowolnej z tych technologii.
Płaskie linie transmisyjne są używane do znacznie więcej niż tylko łączenia ze sobą komponentów lub jednostek. Same mogą być używane jako komponenty i jednostki. W ten sposób można wykorzystać dowolny format linii transmisyjnej, ale w przypadku formatów planarnych często jest to ich główny cel. Typowe bloki obwodów realizowane przez linie transmisyjne obejmują filtry , sprzęgacze kierunków i rozdzielacze mocy oraz dopasowanie impedancji . Przy częstotliwościach mikrofalowych dyskretne komponenty muszą być niepraktycznie małe, a rozwiązanie linii transmisyjnej jest jedynym opłacalnym rozwiązaniem. Z drugiej strony, przy niskich częstotliwościach, takich jak aplikacje audio, urządzenia linii transmisyjnej muszą być niepraktycznie duże.
Przesył mocy
Dystrybucja energii elektrycznej ma zwykle postać zrównoważonej transmisji trójfazowej. Jednak w niektórych odległych lokalizacjach, gdzie wymagana jest stosunkowo niewielka ilość energii, można zastosować jednoprzewodowy system uziemienia .
Bibliografia
- Huurdeman, Anton A., Światowa historia telekomunikacji , John Wiley & Sons, 2003 ISBN 0471205052 .
- Curran, JE; Jeanes, R.; Sewell, H, „Technologia cienkowarstwowych hybrydowych obwodów mikrofalowych” , IEEE Transactions on Parts, Hybrids and Packaging , tom. 12, wyd. 4 grudnia 1976.