Saluran Transmisi Panjang Hingga

Sebuah saluran transmisi panjang tak terbatas adalah abstraksi yang menarik, tetapi secara fisik tidak mungkin. Semua saluran transmisi memiliki panjang yang terbatas, dan dengan demikian tidak berperilaku persis sama dengan saluran yang tidak terbatas.

Jika potongan kabel 50 “RG-58/U” yang saya ukur dengan ohmmeter bertahun-tahun yang lalu panjangnya tak terhingga, saya sebenarnya akan mampu mengukur resistansi senilai 50 antara konduktor dalam dan luar. Tapi panjangnya tidak terbatas, sehingga diukur sebagai "terbuka" (resistensi tak terbatas).

Meskipun demikian, peringkat impedansi karakteristik saluran transmisi penting bahkan ketika berhadapan dengan panjang yang terbatas. Istilah lama untuk impedansi karakteristik, yang saya suka karena nilai deskriptifnya, adalah impedansi lonjakan .

Jika tegangan transien ("lonjakan") diterapkan ke ujung saluran transmisi, saluran akan menarik arus yang sebanding dengan besarnya tegangan lonjakan dibagi dengan impedansi lonjakan saluran (I=E/Z). Hubungan Hukum Ohm yang sederhana ini antara arus dan tegangan akan berlaku untuk jangka waktu terbatas, tetapi tidak selamanya.

Jika ujung saluran transmisi dihubung terbuka—yaitu, dibiarkan tidak terhubung—“gelombang” arus yang merambat sepanjang saluran harus berhenti di ujungnya, karena arus tidak dapat mengalir jika tidak ada jalur lanjutan.

Penghentian arus yang tiba-tiba di ujung saluran ini menyebabkan "penumpukan" terjadi di sepanjang saluran transmisi, karena pembawa muatan listrik berturut-turut tidak menemukan tempat untuk dituju.

Bayangkan sebuah kereta berjalan menyusuri rel dengan kendur di antara kopling gerbong:jika gerbong depan tiba-tiba menabrak barikade yang tidak bergerak, itu akan berhenti, menyebabkan yang di belakangnya berhenti segera setelah kendur kopling pertama. diambil, yang menyebabkan gerbong berikutnya berhenti segera setelah kendur kopling berikutnya diambil, dan seterusnya sampai gerbong terakhir berhenti.

Kereta tidak berhenti bersamaan, melainkan berurutan dari gerbong pertama hingga terakhir:(Gambar di bawah)

Sinyal yang merambat dari ujung sumber saluran transmisi ke ujung beban disebut gelombang insiden . Perambatan sinyal dari ujung beban ke ujung sumber (seperti yang terjadi dalam contoh ini dengan arus yang bertemu dengan ujung saluran transmisi hubung-terbuka) disebut gelombang pantul .

Ketika “tumpukan” pembawa muatan listrik ini merambat kembali ke baterai, arus pada baterai berhenti, dan saluran tersebut bertindak sebagai rangkaian terbuka sederhana.

Semua ini terjadi sangat cepat untuk saluran transmisi dengan panjang yang wajar, sehingga pengukuran ohmmeter saluran tidak pernah mengungkapkan periode waktu singkat di mana saluran sebenarnya berperilaku sebagai resistor.

Untuk kabel sepanjang satu mil dengan faktor kecepatan 0,66 (kecepatan propagasi sinyal adalah 66% dari kecepatan cahaya atau 122,760 mil per detik), hanya dibutuhkan 1/122,760 detik (8,146 mikrodetik) untuk sinyal bergerak dari satu ujung. ke yang lain. Agar sinyal saat ini mencapai ujung saluran dan "memantulkan" kembali ke sumbernya, waktu perjalanan pulang pergi adalah dua kali angka ini atau 16,292 s.

Signifikansi Insiden dan Gelombang Pantul

Instrumen pengukuran berkecepatan tinggi dapat mendeteksi waktu transit ini dari sumber ke ujung saluran dan kembali ke sumber lagi dan dapat digunakan untuk tujuan menentukan panjang kabel.

Teknik ini juga dapat digunakan untuk menentukan keberadaan dan lokasi putusnya salah satu atau kedua konduktor kabel karena arus akan "memantulkan" putusnya kabel seperti halnya pada ujung kabel hubung-terbuka.

Instrumen yang dirancang untuk tujuan tersebut disebut reflektometer domain waktu (TDR). Prinsip dasarnya identik dengan pencarian jangkauan sonar:menghasilkan pulsa suara dan mengukur waktu yang dibutuhkan gema untuk kembali.

Fenomena serupa terjadi jika ujung saluran transmisi dihubung pendek:ketika muka gelombang tegangan mencapai ujung saluran, gelombang tersebut dipantulkan kembali ke sumbernya, karena tegangan tidak dapat berada di antara dua titik listrik yang sama.

Ketika gelombang pantul ini mencapai sumbernya, sumber tersebut melihat seluruh saluran transmisi sebagai hubungan arus pendek. Sekali lagi, ini terjadi secepat sinyal dapat merambat bolak-balik ke bawah dan ke atas saluran transmisi pada kecepatan berapa pun yang diizinkan oleh bahan dielektrik di antara konduktor saluran.

Eksperimen sederhana menggambarkan fenomena pemantulan gelombang pada saluran transmisi. Ambil seutas tali di salah satu ujungnya dan “cambuk” dengan gerakan cepat ke atas dan ke bawah pada pergelangan tangan. Gelombang dapat terlihat merambat sepanjang tali sampai hilang seluruhnya karena gesekan:(Gambar di bawah)

Saluran transmisi yang hilang.

Ini analog dengan saluran transmisi panjang dengan kerugian internal:sinyal terus tumbuh lebih lemah karena merambat ke panjang saluran, tidak pernah mencerminkan kembali ke sumbernya. Namun, jika ujung tali diikatkan ke benda padat pada titik sebelum disipasi total gelombang datang, gelombang kedua akan dipantulkan kembali ke tangan Anda:(Gambar di bawah)

Gelombang yang dipantulkan.

Biasanya, tujuan saluran transmisi adalah untuk menyalurkan energi listrik dari satu titik ke titik lainnya.

Bahkan jika sinyal dimaksudkan untuk informasi saja, dan bukan untuk memberi daya pada beberapa perangkat beban yang signifikan, situasi yang ideal adalah untuk semua energi sinyal asli untuk melakukan perjalanan dari sumber ke beban, dan kemudian sepenuhnya diserap atau dihamburkan oleh beban. untuk rasio signal-to-noise maksimum.

Jadi, “kerugian” sepanjang saluran transmisi tidak diinginkan, seperti gelombang pantul, karena energi pantul adalah energi yang tidak dikirimkan ke perangkat akhir.

Cara Menghilangkan Refleksi pada Saluran Transmisi

Pantulan dapat dihilangkan dari saluran transmisi jika impedansi beban sama persis dengan karakteristik impedansi (“lonjakan”) saluran.

Misalnya, kabel koaksial 50 yang dihubung terbuka atau dihubung pendek akan memantulkan semua energi yang datang kembali ke sumbernya. Namun, jika resistor 50 dihubungkan di ujung kabel, tidak akan ada energi yang dipantulkan, semua energi sinyal dihamburkan oleh resistor.

Ini masuk akal jika kita kembali ke hipotetis, contoh saluran transmisi panjang tak terbatas. Saluran transmisi dengan impedansi karakteristik 50 dan panjang tak terhingga berperilaku persis seperti resistansi 50 yang diukur dari salah satu ujungnya. (Gambar di bawah)

Jika kita memotong garis ini hingga panjang tertentu, ia akan berperilaku seperti resistor 50 ke sumber tegangan DC konstan untuk waktu yang singkat, tetapi kemudian berperilaku seperti hubung singkat atau hubung singkat, tergantung pada kondisi apa yang kita tinggalkan. potong ujung garis:terbuka atau korsleting. (Gambar di bawah)

Namun, jika kita mengakhiri garis dengan resistor 50 , garis akan sekali lagi berperilaku sebagai resistor 50 , tanpa batas:sama seperti jika panjangnya tidak terbatas lagi:(Gambar di bawah)

Saluran transmisi tak terbatas terlihat seperti resistor.

Transmisi satu mil.

Saluran transmisi hubung singkat.

Saluran diakhiri dengan impedansi karakteristik.

Intinya, resistor pemutus yang cocok dengan impedansi alami saluran transmisi membuat saluran "tampak" panjangnya tak terhingga dari perspektif sumbernya, karena resistor memiliki kemampuan untuk membuang energi secara abadi dengan cara yang sama seperti saluran transmisi dengan panjang tak terbatas. mampu menyerap energi selamanya.

Gelombang yang dipantulkan juga akan muncul jika resistansi pemutusan tidak sama persis dengan impedansi karakteristik saluran transmisi, bukan hanya jika saluran dibiarkan tidak terhubung (terbuka) atau dilompati (korsleting).

Meskipun refleksi energi tidak akan total dengan impedansi terminasi dari ketidakcocokan sedikit, itu akan menjadi parsial. Ini terjadi terlepas dari apakah resistensi penghentian lebih besar atau kurang daripada impedansi karakteristik saluran.

Pemantulan ulang gelombang pantul juga dapat terjadi di ujung sumber saluran transmisi jika impedansi internal sumber (impedansi ekivalen Thevenin) tidak sama persis dengan impedansi karakteristik saluran.

Gelombang pantul yang kembali ke sumber akan dihamburkan seluruhnya jika impedansi sumber cocok dengan saluran, tetapi akan dipantulkan kembali ke ujung saluran seperti gelombang datang lainnya, setidaknya sebagian, jika impedansi sumber tidak cocok dengan saluran.

Jenis pantulan ini mungkin sangat merepotkan, karena tampaknya sumbernya telah mengirimkan pulsa lain.

TINJAUAN:

• Impedansi karakteristik juga dikenal sebagai impedansi lonjakan , karena perilaku resistif sementara dari setiap saluran transmisi panjang.
• Sebuah saluran transmisi dengan panjang terbatas akan muncul ke sumber tegangan DC sebagai resistansi konstan untuk beberapa waktu yang singkat, kemudian sebagai impedansi apa pun, saluran tersebut diakhiri. Oleh karena itu, kabel ujung terbuka hanya terbaca "terbuka" saat diukur dengan ohmmeter, dan "korsleting" saat ujungnya dihubung pendek.
• Sinyal transien ("lonjakan") yang diterapkan pada salah satu ujung saluran transmisi terbuka atau hubung singkat akan "memantulkan" dari ujung saluran sebagai gelombang sekunder. Sinyal yang berjalan pada saluran transmisi dari sumber ke beban disebut gelombang insiden; sinyal "memantul" dari ujung saluran transmisi, berjalan dari beban ke sumber, disebut gelombang pantul .
• Gelombang yang dipantulkan juga akan muncul di saluran transmisi yang diakhiri oleh resistor yang tidak secara tepat cocok dengan impedansi karakteristik.
• Sebuah saluran transmisi dengan panjang terhingga dapat dibuat tampak panjangnya tak terhingga jika diakhiri oleh sebuah resistor dengan nilai yang sama dengan impedansi karakteristik saluran tersebut. Ini menghilangkan semua pantulan sinyal.
• Gelombang yang dipantulkan dapat dipantulkan kembali dari ujung sumber saluran transmisi jika impedansi internal sumber tidak sesuai dengan impedansi karakteristik saluran. Gelombang yang dipantulkan kembali ini tentu saja akan muncul seperti sinyal pulsa lain yang ditransmisikan dari sumbernya.