Линия без потерь
Рассмотрим линию, в которой отсутствуют распределенные активные сопротивление и проводимость, т.е. R 0 = 0, и G 0 = 0. Такую линию называют идеальной или линией без потерь.
Строго говоря, линий без потерь не существует, однако их рассмотрение представляет большой интерес. В ряде случаев при высокой частоте величины R 0 и G 0 оказываются очень малыми по сравнению с реактивными погонным сопротивлением ωL 0 и проводимостью ωС 0 и ими можно пренебречь, что значительно упрощает использование ранее полученных результатов и в то же время обеспечивает достаточную точность решения практических задач, связанных с распределением напряжения и тока.
Для линии без потерь выражения для постоянной распространения и волнового сопротивления упрощаются и принимают вид:
,
т.е. постоянная распространения становится мнимой, а волновое сопротивление – вещественным. В соответствии с принятыми для этого случая обозначениями
Величины β и ρ являются вторичными параметрами линии без потерь. Для определения напряжения и тока в линии перепишем уравнения линии
|
|
. Если , то
Тогда
. | (30.1) |
Входное сопротивление линии без потерь
В режиме холостого хода линии (I 2 = 0)
(30.2) |
В режиме короткого замыкания (U 2 = 0)
(30.3) |
Исследуем характер изменения входного сопротивления при изменении расстояния х от конца линии до текущей точки.
В интервале значений βх от 0 до π/2 tgβx положителен и изменяется от 0 до ∞, поэтому Zвх.хх имеет емкостной характер (- j) и по модулю изменяется от ∞ до 0, а Zвх.к.з. имеет индуктивный характер и изменяется от 0 до ∞ (рис. 30.1).
В интервале βх от π/2 до π tgβx изменяется от - ∞ до 0, поэтому Zвх.хх изменяется от 0 до ∞, имея индуктивный характер, а Zвх.к.з. от - ∞ до 0 и носит емкостной характер.
Таким образом, изменяя длину отрезка линии без потерь, можно создавать (имитировать) различные по величине индуктивные и емкостные сопротивления. Практически это свойство используют при высокой частоте в различных радиотехнических устройствах.
Например, отрезок короткозамкнутой на конце линии без потерь длиной в четверть длины волны имеет входное сопротивление равное бесконечности. Это позволяет применять этот отрезок при подвеске проводов в качестве изолятора (так называемый четвертьволновый изолятор).
Стоячие электромагнитные волны
Стоячие электромагнитные волны возникают в линиях без потерь при холостом ходе и коротком замыкании и чисто реактивных нагрузках. Стоячая электромагнитная волна представляет собой электромагнитную волну, полученную в результате наложения движущихся навстречу друг другу падающей и отраженной волн одинаковой интенсивности.
|
|
Стоячие волны напряжения и тока всегда сдвинуты по отношению друг к другу в пространстве и во времени.
Напряжение и ток в любой точке линии без потерь (считая х от конца линии)
. При холостом ходе (I 2 = 0)
. | (30.4) |
При коротком замыкании (U 2 = 0)
(30.5) |
Перейдем от комплексов к мгновенным значениям, тогда при холостом ходе
, а при коротком замыкании
.
При возникновении стоячих волн электромагнитная энергия от начала к концу линии не передается. Однако на каждом отрезке длины линии, равном четверти длины волны, запасена некоторая электромагнитная энергия. Эта энергия периодически переходит из одного вида (энергии электрического поля) в другой (энергию магнитного поля). Причем, в моменты, когда ток равен нулю, напряжение максимально и, наоборот, в результате чего средняя за период мощность равна нулю.
Если энергия расходуется в приемнике (или линии), должны существовать бегущие волны напряжения и тока, обеспечивающие процесс передачи энергии вдоль линии.