信号在传输线路上的传播机制

在第二期的特性阻抗讲解中，我们提到了传输线路。虽然将传输线比作水路，但它究竟是通过什么原理传输信号和电力的呢?

本次将通俗易懂地向您解释“信号在传输线路上的传播机制”。

用特性阻抗的单位表示电压与电流的比

与阻抗和电阻相同，特性阻抗的单位也采用“Ω”来表示，意为电压与电流的比值。但其与普通阻抗的区别在于：其比值是当线路末端接入等效阻抗电阻时电压与电流的比值。换言之，特性阻抗反映的是未发生反射时的电压与电流的比值。而普通阻抗的电压电流比值会因末端条件不同而变化，且包含反射波的影响

传输线路由电容和线圈构成

另一个重要点在于，传输线路可视为由等效电容和电感构成，如以图1中的同轴电缆为例，其结构为中心导体周围包裹着绝缘层，其外部再包裹导体层。

图1 电缆所具有的电容与电感

因此，当向该电缆施加电压以传输电信号时，中心导体与外部导体之间会导致电荷聚集形成电容进而产生电场。与此同时，流经中心导体和外部导体的电流会产生磁场，因此中心导体和外部导体可视为具有等效线圈。注1) 也就是说，同轴电缆和微带线等传输线路可视为由电容和线圈构成。由于传输线路由电容和线圈构成，即使通入交流电流也不会消耗电能，就能像水道一样传输信号和电力。注2)

传输线路上信号的传播方式

为了简化说明，我们在这里考虑一种不存在导体电阻和介质损耗的理想传输线路。图2对传输线路用电容和电感进行了示意性标示。传输线连接了一个产生振幅为[V]、频率为f[Hz]的正弦波电压的电压源。下面依次说明信号在传输线路上的传播过程。

步骤1.初始状态下电容和线圈的能量为零

图2表示初始状态，电容的电荷(电场势能)与线圈的磁场势能均为零。交流电从电压源流向电容和线圈，但线圈两端因存在电位差

[V]而最初不通电。另一方面，电容还处于未充电状态且电位差为零，因此会流过较大电流，电荷被供给至电容。

图2 传输线上的电流与电压(初始状态)

交流电使电容内部积聚电荷，电容两端电压上升，电流减小。另一方面，电流逐渐流过线圈，磁场能量被储存，线圈两端电压也随之降低。流过线圈的电流将为下一个电容器充电。(参见图3)

图3 传输线路上的电容、线圈中储存的能量

Step3.在向电容、线圈连续储能的同时传输信号

当电容的容量达到极限时，电荷(电场能量)便被完全储存，此时电容器电压达到

[V]，电流停止流动。另一方面，线圈根据电感值将磁场能量储存在空间中，两端电位差归零，电流无阻碍地流动。此时如图4所示。流经线圈的电流用于给下一个电容充电，电容与线圈在传输线路中交替储存电场与磁场能量，形成循环。

图4 电容、线圈中储存能量

本期总结

有关传输线路的内容总结如下：

1.传输线路由中心导体与外部导体之间形成的电容，以及导体本身的线圈组成。

2.传输线路的电气特性通过特性阻抗表示，单位为“Ω”。

3.特性阻抗是将传输线路以等值电阻接入线路末端时观测到的电压与电阻之比。

4.传输线路通过电容与电感器件，在储存电场及磁场能量的同时传输信号。

5.传输线路的电容与电感对流过电流与两端电压的关系呈现反比关系。

本期我们详细介绍了在传输线路上电压和电流如何进行传输。

我们将在第四期介绍特性阻抗的测量方法。

注1.中心导体与外部导体各自具有自感和互感，但当将电缆视为传输线路时，由于跟电流方向相反，因此将这些电感合并为环路电感，如下所示： 其中L₁为中心导体的自感，L₂为外部导体的自感，则表示中心导体与外部导体之间的互感。

注2.实际传输线路的导体含有微量电阻，绝缘层也会有微量交流电通过，因此也具有导电性。