무한 길이의 전송선은 흥미로운 추상화이지만 물리적으로 불가능합니다. 모든 전송선은 어느 정도 유한한 길이를 가지고 있으며, 따라서 무한선과 정확히 동일하게 동작하지 않습니다.
몇 년 전 오옴 계로 측정한 50Ω "RG-58/U" 케이블이 무한히 길었다면 실제로 내부 및 외부 도체 사이의 50Ω 저항을 측정할 수 있었을 것입니다. 하지만 길이가 무한하지 않았기 때문에 "개방"(무한 저항)으로 측정되었습니다.
그럼에도 불구하고 전송선의 특성 임피던스 정격은 제한된 길이를 다룰 때에도 중요합니다. 특성 임피던스에 대한 오래된 용어는 서지 임피던스 로, 제가 설명적 가치 때문에 좋아하는 용어입니다 .
과도 전압("서지")이 전송선 끝에 적용되면, 선은 서지 전압 크기를 선의 서지 임피던스로 나눈 값에 비례하는 전류를 그립니다(I=E/Z). 전류와 전압 사이의 이 간단한 옴의 법칙 관계는 제한된 기간 동안은 유효하지만, 무한정 유효하지는 않습니다.
송전선의 끝이 개방 회로 상태, 즉 연결되지 않은 상태라면 송전선의 길이를 따라 전파되는 전류 "파동"은 끝에서 멈춰야 합니다. 왜냐하면 지속적인 경로가 없는 곳에서는 전류가 흐를 수 없기 때문입니다.
송전선 끝에서 전류가 갑자기 중단되면 전하 운반자가 차례로 갈 곳을 찾지 못해 송전선의 길이를 따라 '중첩'이 발생합니다.
레일카 커플링 사이에 여유가 있는 채로 선로를 달리는 기차를 상상해 보세요. 선두 차량이 갑자기 움직일 수 없는 바리케이드에 부딪히면 선두 차량은 멈추게 되고, 뒤따르는 차량은 첫 번째 커플링 여유가 채워지자마자 멈추게 되고, 그로 인해 다음 레일카도 다음 커플링 여유가 채워지자마자 멈추게 되며, 마지막 레일카가 멈출 때까지 이런 식으로 계속됩니다.
기차는 한꺼번에 멈추지 않고 첫 번째 칸에서 마지막 칸까지 순서대로 멈춥니다. (아래 그림)
전송선의 소스단에서 부하단으로 전파되는 신호를 입사 파 라고 합니다 . 부하단에서 소스단으로 신호가 전파되는 것(이 예에서 개방 회로 전송선의 끝에 전류가 부딪히는 것과 같은)을 반사파라고 합니다 .
이러한 전하 캐리어의 '파일업'이 배터리로 다시 전파되면 배터리의 전류는 중단되고 선은 간단한 개방 회로처럼 작동합니다.
이 모든 일은 적당한 길이의 전송선에서 매우 빠르게 일어나기 때문에, 전송선의 오옴계 측정은 실제로 전송선이 저항기처럼 작동하는 짧은 시간을 결코 나타내지 않습니다.
속도 계수가 0.66인 1마일 길이의 케이블(신호 전파 속도는 광속의 66% 또는 초당 122,760마일)의 경우 신호가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 이동하는 데 1/122,760초(8.146마이크로초)만 걸립니다. 현재 신호가 회선 끝에 도달하여 소스로 다시 "반사"되는 데 걸리는 왕복 시간은 이 수치의 두 배 또는 16.292µs입니다.
입사파와 반사파의 중요성
고속 측정 장비는 소스에서 송전선까지, 그리고 다시 소스로 돌아오는 데 걸리는 이동 시간을 감지할 수 있으며 케이블의 길이를 결정하는 목적으로 사용될 수도 있습니다.
이 기술은 케이블의 한 쪽 또는 두 쪽 도체에 단선이 있는지 여부 와 위치를 파악하는 데에도 사용할 수 있습니다 . 왜냐하면 전류가 개방 회로 케이블의 끝에서 반사되는 것처럼 단선된 전선에서도 반사되기 때문입니다.
이러한 목적을 위해 설계된 기기를 시간 영역 반사계 (TDR) 라고 합니다 . 기본 원리는 소나 거리 측정과 동일합니다. 즉, 음파 펄스를 생성하고 에코가 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다.
전송선의 끝이 단락된 경우에도 비슷한 현상이 발생합니다. 전압 파동면이 선의 끝에 도달하면 전압이 두 전기적으로 공통된 지점 사이에 존재할 수 없기 때문에 소스로 다시 반사됩니다.
이 반사파가 소스에 도달하면 소스는 전체 전송선을 단락 회로로 봅니다. 다시 말해서, 이는 신호가 전송선을 따라 위아래로 왕복 전파될 수 있는 한 빨리 발생하며, 전송선 도체 사이의 유전체 재료가 허용하는 속도에 따라 이루어집니다.
간단한 실험으로 전송선에서 파동 반사 현상을 설명합니다. 로프의 한쪽 끝을 잡고 손목을 빠르게 위아래로 움직여 "휘핑"합니다. 파동이 로프의 길이를 따라 이동하다가 마찰로 인해 완전히 사라질 때까지 볼 수 있습니다. (아래 그림)
손실이 있는 전송선로.
이는 내부 손실이 있는 긴 전송선과 유사합니다. 신호는 선로의 길이를 따라 전파되면서 꾸준히 약해지고, 결코 소스로 반사되지 않습니다. 그러나 로프의 먼 쪽 끝이 입사파가 완전히 소산되기 전 지점에서 단단한 물체에 고정되어 있으면 두 번째 파동이 손으로 반사됩니다. (아래 그림)
반사파.
일반적으로 송전선의 목적은 한 지점에서 다른 지점으로 전기 에너지를 전달하는 것입니다.
신호가 정보 제공만을 목적으로 하고 중요한 부하 장치에 전원을 공급하지 않는 경우에도, 이상적인 상황은 원래 신호 에너지가 모두 소스에서 부하로 이동한 다음 부하에 의해 완전히 흡수되거나 소실되어 신호 대 잡음비가 최대가 되는 것입니다.
따라서 전송선의 길이를 따라 "손실"이 발생하는 것은 바람직하지 않으며 반사파도 마찬가지입니다. 반사 에너지는 최종 장치에 전달되지 않는 에너지이기 때문입니다.
전송선에서 반사를 제거하는 방법
부하의 임피던스가 전송선의 특성(서지) 임피던스 와 정확히 같으면 반사를 전송선에서 제거할 수 있습니다 .
예를 들어, 개방 회로 또는 단락 회로인 50Ω 동축 케이블은 모든 입사 에너지를 소스로 반사합니다. 그러나 케이블 끝에 50Ω 저항기를 연결하면 반사 에너지가 없고 모든 신호 에너지는 저항기에 의해 소산됩니다.
가상의 무한 길이 전송선 예로 돌아가면 이는 완벽하게 말이 됩니다. 50Ω 특성 임피던스와 무한 길이의 전송선은 한쪽 끝에서 측정했을 때 50Ω 저항과 정확히 동일하게 동작합니다. (아래 그림)
이 선을 유한한 길이로 자르면 잠시 동안 DC 전압의 일정한 소스에 대한 50Ω 저항처럼 동작하지만, 그 후 선의 잘린 끝을 어떤 조건(열린 상태 또는 단락 상태)으로 두느냐에 따라 개방 회로 또는 단락 회로처럼 동작합니다. (아래 그림)
그러나 50Ω 저항으로 라인을 종료 하면 라인은 다시 한 번 50Ω 저항으로 동작합니다. 마치 라인이 다시 무한한 길이인 것과 같습니다. (아래 그림)
무한 전송선은 저항기처럼 보입니다.
1마일 전송.
단락된 전송선.
회선은 특성 임피던스로 종료되었습니다.
본질적으로 전송선의 자연적 임피던스와 일치하는 종단 저항은 소스의 관점에서 선이 무한히 길어 보이게 만듭니다. 왜냐하면 저항기는 무한히 긴 전송선이 에너지를 영원히 흡수할 수 있는 것과 같은 방식으로 에너지를 영원히 소산시킬 수 있는 능력이 있기 때문입니다.
전송선의 특성 임피던스와 종단 저항이 정확하게 같지 않으면 반사파가 나타나며, 이는 선이 연결되지 않았거나(개방) 점퍼로 연결되어 있을 때(단락)에만 나타나는 것이 아닙니다.
에너지 반사는 종단 임피던스가 약간 불일치하면 전체적이지는 않지만 부분적일 것입니다. 이는 종단 저항이 회선의 특성 임피던스보다 크 거나 작든 관계없이 발생합니다.
소스의 내부 임피던스( 테브난 등가 임피던스 )가 전송선의 특성 임피던스와 정확히 같지 않을 경우 , 반사파의 재반사는 전송선의 소스 측에서도 발생할 수 있습니다.
소스로 돌아오는 반사파는 소스 임피던스가 회선의 임피던스와 일치하면 전부 소멸되지만, 소스 임피던스가 회선과 일치하지 않으면 다른 입사파처럼 적어도 부분적으로 회선 끝으로 반사됩니다.
이러한 유형의 반사는 소스가 다른 펄스를 전송한 것처럼 보이게 만들기 때문에 특히 문제가 될 수 있습니다.
검토:
- 특성 임피던스는 임의 길이의 전송선로의 일시적으로 저항적인 동작으로 인해 서지 임피던스 라고도 합니다 .
- 유한 길이의 전송선은 DC 전압원에 짧은 시간 동안 일정한 저항으로 나타나고, 그 다음에는 선이 종료되는 임피던스로 나타납니다. 따라서 개방형 케이블은 오옴계로 측정하면 단순히 "개방"으로 표시되고, 끝이 단락되면 "단락"으로 표시됩니다.
- 개방형 또는 단락된 전송선의 한쪽 끝에 적용된 과도("서지") 신호는 2차파로 전송선의 먼 쪽 끝에서 "반사"됩니다. 소스에서 부하로 전송선을 따라 이동하는 신호를 입사파 라고 합니다 . 부하에서 소스로 이동하는 전송선 끝에서 "반사"된 신호를 반사파 라고 합니다 .
- 반사파는 특성 임피던스와 정확하게 일치하지 않는 저항으로 종단된 전송선에도 나타납니다.
- 유한 길이의 전송선은 선의 특성 임피던스와 같은 값의 저항으로 종단하면 길이가 무한대로 보일 수 있습니다. 이렇게 하면 모든 신호 반사가 제거됩니다.
- 소스의 내부 임피던스가 회선의 특성 임피던스와 일치하지 않으면 반사파가 전송 회선의 소스 끝에서 다시 반사될 수 있습니다. 이 재반사파는 물론 소스에서 전송된 다른 펄스 신호처럼 보일 것입니다.