Saluran Transmisi Panjang Terbatas: Impedansi, Refleksi, dan Terminasi

Saluran transmisi panjang tak terhingga adalah konstruksi teoretis yang berguna, tetapi setiap kabel nyata memiliki jangkauan terbatas, yang mengubah perilakunya.

Saat saya mengukur kabel RG-58/U 50 Ω dengan ohmmeter beberapa tahun yang lalu, panjang terbatas menyebabkan pengukuran membaca “terbuka” (resistansi tak terhingga). Jika kabel benar-benar tak terhingga, resistansi di antara konduktor akan sama dengan impedansi karakteristiknya sebesar 50 Ω.

Impedansi karakteristik—sering disebut impedansi lonjakan—kritis bahkan untuk panjang pendek. Ketika tegangan transient (“lonjakan”) diterapkan pada saluran, arus yang mengalir adalah cukup tegangan lonjakan dibagi impedansi lonjakan (I = E/Z). Hubungan Hukum Ohm ini hanya berlaku untuk interval singkat sebelum sinyal mencapai ujung saluran.

Di ujung saluran, jika ujungnya rangkaian terbuka, gelombang arus yang menyebar harus berhenti karena tidak ada jalur untuk muatan mengalir. Penghentian tiba-tiba ini menyebabkan “tumpukan” pengisi muatan yang berjalan kembali di sepanjang saluran, analog dengan kereta yang berhenti secara berurutan gerbang demi gerbang ketika gerbang pertama mengenai dinding.

Sinyal yang diluncurkan dari sumber ke beban adalah gelombang insiden; sinyal kembali yang pantul kembali ke sumber adalah gelombang terpantul. Setelah gelombang terpantul mencapai sumber, saluran bertindak sebagai rangkaian terbuka sederhana. Karena propagasi sangat cepat—kabel 8 mil dengan faktor kecepatan 0,66 membutuhkan waktu hanya 8,1 µs satu arah dan 16,3 µs perjalan pulang-pergi—ohmmeter tidak pernah dapat menangkap fase resistif singkat.

Mengapa Gelombang Insiden dan Terpantul Penting

Instrumen kecepatan tinggi, seperti time-domain reflectometers (TDR), mengeksploitasi waktu perjalan pulang-pergi untuk mengukur panjang kabel atau menemukan kerusakan. Prinsipnya identik dengan sonar: kirim pulsa dan ukur waktu gema.

Ujung yang disingkat memantulkan gelombang tegangan kembali ke sumber karena tegangan tidak dapat ada di antara dua titik yang secara listrik sama. Gelombang terpantul mengubah seluruh saluran menjadi rangkaian pendek untuk durasi perjalan pulang-pergi.

Analogi sederhana adalah tali yang dipegang dengan satu gerakan cepat. Gangguan menyebar di sepanjang tali dan menghilang, atau jika ujung jauh tetap, gelombang kedua memantul kembali ke tangan.

Saluran transmisi yang kehilangan energi.

Gelombang terpantul.

Dalam praktiknya, saluran transmisi dimaksudkan untuk menyampaikan energi listrik dari sumber ke beban. Energi yang terpantul mewakili kehilangan dan menurunkan rasio sinyal-kebisingan, jadi meminimalkan pantulan adalah tujuan desain utama.

Menghilangkan Pantulan

Pantulan hilang ketika impedansi beban tepat cocok dengan impedansi karakteristik saluran. Kabel koaksial 50 Ω yang rangkaian terbuka atau disingkat memantulkan semua energi insiden, tetapi mengakhirinya dengan resistor 50 Ω menyerap gelombang sepenuhnya.

Konsepnya, saluran tak terpanjang bertindak seperti resistor 50 Ω seperti terlihat dari satu ujung. Saluran terbatas bertindak sebagai resistor 50 Ω hanya untuk waktu singkat; setelahnya ia menyajikan rangkaian terbuka atau pendek tergantung pada terminasi.

Menambahkan terminasi cocok memulihkan perilaku saluran tak terpanjang untuk selama-lamanya.

Saluran transmisi tak terpanjang terlihat seperti resistor.

Satu mil transmisi.

Saluran transmisi disingkat.

Saluran diakhiri dengan impedansi karakteristik.

Mencocokkan terminasi dengan impedansi alami saluran membuat sumber memandang saluran sebagai tak terpanjang karena resistor terminasi dapat menyerap energi sama seperti saluran tak terpanjang ideal dapat menyerapnya.

Bahkan ketidakcocokan sedikit—baik terminasi sedikit lebih tinggi atau lebih rendah dari impedansi karakteristik—menghasilkan pantulan sebagian. Jika impedansi internal sumber juga tidak cocok dengan saluran, gelombang terpantul dapat memantul kembali ke beban, tampak sebagai pulsa tambahan.

• Impedansi karakteristik, juga disebut impedansi lonjakan, mewakili perilaku resistif sementara dari setiap saluran transmisi.
• Saluran panjang terbatas bertindak sebagai resistor konstan untuk sumber DC hanya secara singkat; impedansi yang diukurnya kemudian tergantung pada terminasi.
• Sinyal transient yang diterapkan pada saluran terbuka atau disingkat menghasilkan gelombang terpantul. Gelombang insiden berjalan dari sumber ke beban; gelombang terpantul berjalan kembali dari beban ke sumber.
• Terminasi yang tidak sempurna juga menghasilkan pantulan.
• Mencocokkan impedansi karakteristik saluran menghilangkan semua pantulan, membuat saluran tampak tak terpanjang.
• Impedansi sumber yang tidak cocok dapat menyebabkan re-pantulan yang meniru pulsa yang ditransmisikan tambahan.