均勻傳輸線工作在正弦穩(wěn)態(tài)時,沿線的電壓、電流是同一頻率的正弦時間函數(shù),因此,可以用相量法分析沿線的電壓和電流。
1、均勻傳輸線方程的正弦穩(wěn)態(tài)解
由均勻傳輸線方程得到均勻傳輸線工作在正弦穩(wěn)態(tài)時的方程相量形式為
→→
令單位長度復(fù)阻抗,單位長度復(fù)導(dǎo)納。
注意:
此處
上式兩邊求導(dǎo),得到
令傳輸常數(shù):
上式方程的通解:,
2、積分常數(shù)之間的關(guān)系
→
令,則稱為特性阻抗,得到
注意:
a1、a2、b1、b2 由邊界條件確定。
2、給定邊界條件下傳輸線方程的解
選取傳輸線始端為坐標(biāo)原點(diǎn),x坐標(biāo)自傳輸線的始端指向終端。
①已知始端(x=0)的電壓和電流的解,如下圖所示
得到,
解得:
x處的電壓電流
可寫為
根據(jù)雙曲函數(shù):
上式可表示為
② 已知終端(x=l)的電壓和電流的解,如下圖所示
解得:
x處的電壓電流為:
得到
3、均勻傳輸線上的行波
根據(jù)前述推導(dǎo),得到均勻傳輸線上的電壓和電流相量表達(dá)式如下
其中系數(shù)滿足關(guān)系
則均勻傳輸線上的阻抗:
其電壓和電流的瞬時值表達(dá)式:
考察u+和i+
特點(diǎn):
① 傳輸線上電壓和電流既是時間t的函數(shù),又是空間位置x的函數(shù),任一點(diǎn)的電壓和電流隨時間作正弦變化;
② 某一瞬間 t,電壓和電流沿線分布為衰減的正弦函數(shù);
定義α:經(jīng)過單位距離幅度衰減的量值,稱衰減常數(shù)。
③隨距離x的增加,電壓和電流的相位不斷滯后;
定義β:經(jīng)過單位距離相位滯后的量值,稱相位常數(shù)。
④ 電壓和電流沿線呈波動狀態(tài),稱電壓波和電流波;
u+、i+ 為隨時間增加向x增加方向(即從線的始端向終端的方向)運(yùn)動的衰減波。將這種波稱為電壓或電流入射波、直波或正向行波 。
考察最大點(diǎn)的相位:,
,,得到,從而得到同相位移動的速度(相位速度):
波傳播方向上,相位差為2π的相鄰兩點(diǎn)間的距離稱為波長λ。
故,得到,即
⑤ 沿線傳播的功率:
同理考察u-和i-:
u- 和i- 為隨時間增加向x減小方向(即從線的終端向始端的方向)運(yùn)動的衰減波。將這種波稱為電壓或電流反射波,或稱反向行波,如下圖所示。
4、反射系數(shù)
定義反射系數(shù)為沿線任意點(diǎn)處反射波電壓相量與入射波電壓相量之比。
終端反射系數(shù):
,,
注意:
①反射系數(shù)是一個復(fù)數(shù),反映了反射波與入射波在幅值和相位上的差異;
②反射系數(shù)的大小與傳輸線特性阻抗和終端負(fù)載阻抗有關(guān);
,全反射
,匹配
在通信線路和設(shè)備連接時,均要求匹配,避免反射。