Reflexão da linha de transmissão. Eu gostaria de uma explicação não matemática

Eu sou um amador de rádio licenciado e acho desconcertantes as muitas explicações diferentes, que variam do mito urbano folclórico às equações de Maxwell-Heaviside, sobre o que acontece no término de uma linha ou alimentador de transmissão. Eu percebo que todos eles chegam à mesma coisa no final (ou deveriam fazer, trocadilho perfeito), mas nenhum deles me dá um pressentimento pelo que está acontecendo.

Eu gosto de diagramas, portanto, uma resposta em termos de fasores (gráficos) para as correntes e tensões na carga me serviria melhor. Como, por exemplo, um passo abaixo da linha causa o dobro da tensão em uma terminação de circuito aberto? Da mesma forma para corrente em curto-circuito. E como o passo refletido é gerado pela indutância e capacitância da linha?

Alguém pode ajudar, sem ser todo matemático e sem contar mentiras para as crianças?

OK, pelo que vale, aqui está como eu o visualizo.

Como você diz, uma linha de transmissão possui capacitância distribuída e indutância distribuída, que se combinam para formar sua impedância característica Z ₀ . Vamos supor que temos uma fonte de tensão escalonada cuja impedância de saída Z _S corresponde a Z ₀ . Antes de t = 0, todas as tensões e correntes são zero.

No momento em que a etapa ocorre, a tensão da fonte se divide igualmente entre Z _S e Z ₀ , de modo que a tensão no final da linha é V _S / 2. A primeira coisa que precisa acontecer é que o primeiro bit de capacitância precise ser carregado com esse valor, o que requer que uma corrente flua através do primeiro bit de indutância. Mas isso imediatamente faz com que o próximo bit de capacitância seja carregado através do próximo bit de indutância, e assim por diante. Uma onda de tensão se propaga pela linha, com a corrente fluindo atrás dela, mas não à frente dela.

Se o extremo da linha terminar com uma carga do mesmo valor que Z ₀ , quando a onda de tensão chegar, a carga começará imediatamente a desenhar uma corrente que corresponde exatamente à corrente que já está fluindo na linha. Não há motivo para nada mudar, então não há reflexo na linha.

No entanto, suponha que o extremo da linha esteja aberto. Quando a onda de tensão chega lá, não há lugar para a corrente que está fluindo logo atrás dela, então a carga "se acumula" no último bit de capacitância até que a tensão chegue ao ponto em que ela pode interromper a corrente no último um pouco de indutância. A tensão necessária para fazer isso passa a ser exatamente o dobro da tensão que chega, o que cria uma tensão inversa no último bit de indutância que corresponde à tensão que iniciou a corrente nele em primeiro lugar. No entanto, agora temos V _S no final da linha, enquanto a maior parte da linha é cobrada apenas em V _S / 2. Isso causa uma onda de tensão que se propaga na direção reversa e, à medida que se propaga, a corrente que ainda está fluindo adianteda onda é reduzida a zero por trás da onda, deixando a linha por trás dele carregada a V _S . (Outra maneira de pensar sobre isso é que a reflexão cria uma corrente reversa que cancela exatamente a corrente direta original.) Quando essa onda de tensão refletida atinge a fonte, a tensão através de Z _S cai repentinamente para zero e, portanto, a corrente cai para zero , também. Novamente, tudo está agora em um estado estável.

Agora, se o extremo da linha estiver em curto (em vez de aberto) quando a onda incidente chegar lá, teremos uma restrição diferente: a tensão não pode realmente subir e a corrente flui para o curto. Mas agora temos outra situação instável: esse final da linha está em 0V, mas o restante da linha ainda é cobrado em V _s / 2. Portanto, corrente adicional flui para o curto, e essa corrente é igual a V _S / 2 dividida por Z ₀ (que é igual à corrente original que flui para a linha). Uma onda de tensão (saindo de V _S/ 2 até 0V) propaga na direção reversa, e a corrente atrás dessa onda é o dobro da corrente original à frente. (Mais uma vez, você pode pensar nisso como uma onda de tensão negativa que cancela a onda positiva original.) Quando essa onda atinge a fonte, o terminal da fonte é direcionado para 0V, a tensão total da fonte cai em Z _S e a corrente em Z _S é igual à corrente agora fluindo na linha. Tudo está estável novamente.

Isso ajuda? Uma vantagem de visualizar isso em termos da eletrônica real (em oposição às analogias que envolvem cordas, pesos ou hidráulica etc.), é que ela permite raciocinar mais facilmente sobre outras situações, como capacitâncias concentradas, indutâncias ou cargas resistivas incompatíveis ligadas à linha de transmissão.

Aqui está uma série de experimentos ou experimentos mentais, se você quiser.

1) Pegue uma corda comprida presa nas duas extremidades por dois amigos e a mantenha esticada. Fique no meio e peça à pessoa de um lado para dar um movimento rápido na corda verticalmente, enviando um pulso para a outra pessoa. À medida que a onda passa por você (no meio), você notará que a onda apenas se propaga além de você. Não há reflexões (naquele momento). Você notará que as características das cordas são idênticas antes e depois da sua localização. Este é o caso de uma impedância correspondente, não há transição, portanto não há reflexão.

2) pegue a mesma corda, amarre-a em um local fixo em uma parede rígida. Peça ao seu amigo para enviar um pulso pela corda e observar a onda que se aproxima, ela atinge o local fixo e depois reflete. Você notará que, quando refletido, inverte. Isso é equivalente a um curto. A corda balança para cima, mas não pode se mover porque está ancorada, a energia é armazenada em energia elástica que a prende de volta (invertendo o pulso)

3) Pegue a mesma corda e amarre uma corda muito, muito leve. Novamente, faça com que seus dois amigos fiquem em cada extremidade, segure a corda / fio esticado e faça um pulso ser jogado pela corda. Na transição entre corda / corda, o pulso refletirá, mas não será invertido. Este é um exemplo de um circuito aberto. A corda sobe, mas a energia não pode entrar na corda (ou muito menos energia) porque a massa da corda é muito menor. Assim, a extremidade do cabo sobe, a energia é armazenada em energia potencial e simplesmente se dissipa ao cair novamente, enviando a onda de volta à linha.

Em um guia de ondas, a energia está se transformando de magnética (correntes) em elétrica (tensão) à medida que a onda se propaga. Em uma terminação aberta, a corrente não pode fluir, portanto a energia entra em forma de tensão. Em um curto período, a tensão não pode ser expressa (é um curto - ou equipotencial), portanto, a energia entra em loops de corrente local.

Eu gosto de pensar em uma linha de transmissão como sendo uma coleção de pesos iguais conectados a molas correspondentes. Quando um pulso de compressão é injetado em uma das extremidades, cada peso acaba empurrando o próximo peso de tal maneira que o empurrão ou puxão do peso "a montante" é equilibrado com precisão por um puxão ou empurrão do peso "a jusante", deixando cada peso imóvel após a passagem da onda.

Se o final da linha de transmissão não puder se mover, o efeito é que a mola que não pode se mover "empurra para trás" duas vezes mais do que faria se pudesse ter se movido. Metade desse empurrão neutraliza o empurrão da onda anterior e a outra metade serve para empurrar o peso anterior na direção oposta ao seu movimento anterior. O efeito final é que uma onda de compressão é transmitida de volta.

Se o final da linha de transmissão fosse simplesmente "aberto", o efeito seria que o último peso não acabasse se movendo apenas para o ponto inicial depois de transferir sua energia para o próximo peso, mas quando atingisse o ponto inicial ainda tem toda a energia que recebeu do peso anterior. Nesse ponto, a inércia e o momento levariam a que ela continuasse além desse ponto e efetivamente "puxariam" o peso anterior com toda a energia que o peso anterior havia alimentado. Isso efetivamente geraria uma onda de tensão na primavera.

Este fascinante vídeo do Bell Labs demonstra lindamente as seções de movimento de onda, SWR e correspondência de impedância em um dispositivo de mesa completamente mecânico sem a necessidade de matemática . É apresentado de uma maneira que até um leigo pode entender esses conceitos.

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