Несбалансированная линия

This article includes a list of references, related reading, or external links, but its sources remain unclear because it lacks inline citations. Please help improve this article by introducing more precise citations. (June 2023) (Learn how and when to remove this message)

В телекоммуникациях и электротехнике в целом несимметричная линия представляет собой пару проводников, предназначенных для передачи электрических сигналов, которые имеют неравные сопротивления по своей длине, а также по отношению к земле и другим цепям. Примерами несимметричных линий являются коаксиальный кабель или историческая система возврата через землю, изобретенная для телеграфа, но редко используемая сегодня. Несимметричные линии следует противопоставлять сбалансированным линиям , таким как двухпроводные или витые пары , которые используют два одинаковых проводника для поддержания баланса сопротивления по всей линии. Сбалансированные и несимметричные линии можно соединить с помощью устройства, называемого симметрирующим трансформатором .

Главное преимущество формата несимметричной линии — экономическая эффективность. Несколько несимметричных линий могут быть предоставлены в одном кабеле с одним проводником на линию плюс один общий обратный проводник, как правило, экран кабеля . Аналогично, несколько микрополосковых цепей могут использовать одну и ту же заземляющую плоскость для обратного пути. Это хорошо сопоставимо с симметричной кабельной разводкой, которая требует двух проводников для каждой линии, почти в два раза больше. Еще одно преимущество несимметричных линий заключается в том, что для правильной работы им не требуются более дорогие, сбалансированные схемы драйвера и приемника.

Несбалансированные линии иногда путают с односторонними сигнальными линиями , но это совершенно разные концепции. Первая — это схема кабельной разводки, а вторая — схема сигнализации. Однако односторонний сигнал обычно передается по несимметричным линиям. Несбалансированные линии не следует путать с однопроводными линиями передачи, которые вообще не используют обратный путь.

Любая линия, имеющая разное сопротивление обратного пути, может считаться неуравновешенной линией. Однако неуравновешенные линии обычно состоят из проводника, который считается сигнальной линией, и другого проводника, который заземлен или сам является заземлением. Заземляющий проводник часто принимает форму заземляющей плоскости или экрана кабеля . Заземляющий проводник может быть и часто является общим для нескольких независимых цепей. По этой причине заземляющий проводник может называться общим .

Самое раннее использование несимметричных линий передачи было для электрической телеграфной связи. Они состояли из отдельных проводов, натянутых между столбами. Обратный путь для тока изначально обеспечивался отдельным проводником. Некоторые ранние телеграфные системы, такие как экспериментальный игольчатый телеграф Шиллинга 1832 года и пятиигольный телеграф Кука и Уитстона 1837 года, использовавшийся британскими железными дорогами, требовали нескольких кодовых проводов. По сути, они представляли собой параллельное шинное кодирование. В этих системах стоимость обратного проводника была не столь значительной (один проводник из семи для самого раннего игольчатого телеграфа Шиллинга ^[1] и один проводник из шести для телеграфа Кука и Уитстона ^[2] ), но количество кодирующих проводников постепенно уменьшалось с улучшением систем. Вскоре требовался только один кодирующий провод, а данные передавались последовательно . Важными примерами этих однопроводных систем были телеграф Морзе (1837) и одноигольный телеграф Кука и Уитстона (1843). В таких системах стоимость обратного проводника составляла целых 50 процентов от стоимости кабеля. Было обнаружено, что обратный проводник можно заменить обратным путем через землю с использованием заземляющих штырей. Использование обратного провода через землю давало значительную экономию средств и быстро стало нормой.

Подземные телеграфные кабели в больших зданиях или между станциями часто требовали переноса нескольких независимых телеграфных линий. Эти кабели имели форму нескольких изолированных проводников, заключенных в металлический экран и общую защитную оболочку. В таких кабелях экран можно было использовать в качестве обратного проводника. Подводные телеграфные кабели обычно представляли собой один проводник, защищенный стальной проволочной броней , фактически коаксиальный кабель. Первый трансатлантический кабель такого рода был завершен в 1866 году.

Ранние телефонные линии (телефон изобретен в 1876 году) использовали ту же схему линии передачи, что и телеграф из несбалансированных одиночных проводов. Однако телефонная связь начала страдать после широкого внедрения линий электропередач. Телефонная передача начала использовать сбалансированные линии для борьбы с этой проблемой, и современной нормой для телефонного представления является сбалансированный витой кабель.

Коаксиальная линия ( коаксиал) имеет центральный сигнальный проводник, окруженный цилиндрическим экранирующим проводником. Экранирующий проводник обычно заземляется. Коаксиальный формат был разработан во время Второй мировой войны для использования в радарах . Первоначально он был изготовлен из жестких медных труб, но сегодня обычная форма — гибкий кабель с плетеным экраном. Преимуществами коаксиала являются теоретически идеальный электростатический экран и высоко предсказуемые параметры передачи. Последнее является результатом фиксированной геометрии формата, что приводит к точности, недоступной для свободных проводов. Системы с открытым проводом также подвержены влиянию близлежащих объектов, изменяющих картину поля вокруг проводника. Коаксиал не страдает от этого, поскольку поле полностью заключено внутри кабеля из-за окружающего экрана.

Коаксиальные линии являются нормой для соединений между радиопередатчиками и их антеннами, для соединения электронного оборудования, где задействованы высокие частоты и выше, и ранее широко использовались для формирования локальных сетей, прежде чем витая пара стала популярной для этой цели.

Триаксиальный кабель (триаксиал) — это разновидность коаксиала со вторым экранированным проводником, окружающим первый, со слоем изоляции между ними. Помимо обеспечения дополнительного экранирования, внешние проводники могут использоваться для других целей, таких как подача питания на оборудование или сигналов управления . Триаксиал широко используется для подключения камер в телевизионных студиях .

Линии передачи планарного формата представляют собой плоские проводники, изготовленные с помощью ряда технологий на подложке. Они почти всегда являются несбалансированным форматом. При низких скоростях передачи раннего телеграфа было необходимо учитывать теорию линии передачи для проектирования схемы только тогда, когда передача осуществлялась на многие мили. Аналогично, звуковые частоты, используемые телефонами, относительно низкие, и теория линии передачи становится значимой только для расстояний, по крайней мере, между зданиями. Однако на более высоких радиочастотах и ​​микроволновых частотах соображения линии передачи могут стать важными внутри устройства, всего лишь на несколько сантиметров. При очень высоких скоростях передачи данных, обрабатываемых современными компьютерными процессорами , соображения линии передачи могут быть важны даже внутри отдельной интегральной схемы . Планарные технологии были разработаны для таких видов приложений малого размера и не очень подходят для передач на большие расстояния.

Полосковая линия

Stripline — это плоский проводник с заземляющей плоскостью как над проводником, так и под ним. Вариант stripline, в котором пространство между двумя заземляющими плоскостями полностью заполнено диэлектрическим материалом, иногда называют triplate . Stripline можно изготовить, вытравливая рисунок линии передачи на печатной плате . Нижняя часть этой платы полностью покрыта медью и образует нижнюю заземляющую плоскость. Вторая плата зажимается поверх первой. Эта вторая плата не имеет рисунка снизу и имеет простую медь сверху, образуя верхнюю заземляющую плоскость. Лист медной фольги может быть обернут вокруг двух плат, чтобы электрически прочно соединить две заземляющие плоскости вместе. С другой стороны, stripline для приложений высокой мощности, таких как радары, скорее всего, будет изготовлена ​​в виде сплошных металлических полос с периодическими диэлектрическими опорами, по сути, воздушным диэлектриком.

Микрополосковая линия

Микрополосковая линия похожа на полосковую, но открыта над проводником. Над линией передачи нет диэлектрика или заземляющей плоскости, есть только диэлектрик и заземляющая плоскость под линией. Микрополосковая линия является популярным форматом, особенно в бытовых изделиях, поскольку микрополосковые компоненты могут быть изготовлены с использованием устоявшихся технологий производства печатных плат. Таким образом, проектировщики могут смешивать дискретные компонентные схемы с микрополосковыми компонентами. Кроме того, поскольку плата должна быть изготовлена ​​в любом случае, микрополосковые компоненты не имеют дополнительных производственных затрат. Для приложений, где производительность важнее стоимости, вместо печатной схемы можно использовать керамическую подложку. Микрополосковая линия имеет еще одно небольшое преимущество перед полосковой линией; ширина линий больше в микрополосковой линии при том же импедансе , и, таким образом, производственные допуски и минимальная ширина менее критичны на линиях с высоким импедансом. Недостатком микрополосковой линии является то, что режим передачи не полностью поперечный . Строго говоря, стандартный анализ линии передачи неприменим, поскольку присутствуют другие режимы, но он может быть полезным приближением.

Интегральные схемы

Соединения в интегральных схемах обычно планарные, поэтому планарные линии передачи являются естественным выбором там, где они нужны. Необходимость в линиях передачи чаще всего встречается в микроволновых интегральных схемах (МИС). Существует множество материалов и технологий, используемых для изготовления МИС, и линии передачи могут быть сформированы с помощью любой из этих технологий.

Планарные линии передачи используются не только для соединения компонентов или блоков. Они сами по себе могут использоваться как компоненты и блоки. Любой формат линии передачи может использоваться таким образом, но для планарных форматов это часто является их основной целью. Типичные блоки схемы, реализуемые линиями передачи, включают фильтры , ответвители направлений и разветвители мощности , а также согласование импеданса . На микроволновых частотах дискретные компоненты должны быть непрактично малыми, и решение на основе линии передачи является единственным жизнеспособным. С другой стороны, на низких частотах, таких как аудиоприложения, устройства линии передачи должны быть непрактично большими.

Распределение электроэнергии обычно осуществляется в форме сбалансированной трехфазной передачи. Однако в некоторых удаленных местах, где требуется относительно небольшое количество энергии, может использоваться однопроводная система заземления .

• Хюрдеман, Антон А., Всемирная история телекоммуникаций , John Wiley & Sons, 2003 ISBN  0471205052 .
• Каррен, Дж. Э.; Джинс, Р.; Сьюэлл, Х., «Технология тонкопленочных гибридных СВЧ-схем», Труды IEEE по деталям, гибридам и упаковке , т. 12, вып. 4, декабрь 1976 г.