Reflexión de la línea de transmisión. Me gustaría una explicación no matemática.

Bien, para lo que vale, así es como lo visualizo.

Como usted dice, una línea de transmisión tiene tanto capacitancia distribuida como inductancia distribuida, que se combinan para formar su impedancia característica Z ₀ . Supongamos que tenemos una fuente de tensión escalonada cuya impedancia de salida Z _S coincide con Z ₀ . Antes de t = 0, todos los voltajes y corrientes son cero.

En el momento en que se produce el paso, la tensión de la fuente se divide de manera equitativa entre Z _S y Z ₀ , por lo que la tensión en ese extremo de la línea es V _S / 2. Lo primero que debe suceder es que el primer bit de capacitancia debe cargarse a ese valor, lo que requiere que una corriente fluya a través del primer bit de inductancia. Pero eso hace que el siguiente bit de capacitancia se cargue inmediatamente a través del siguiente bit de inductancia, y así sucesivamente. Una onda de voltaje se propaga por la línea, con la corriente fluyendo detrás de ella, pero no delante de ella.

Si el extremo lejano de la línea termina con una carga del mismo valor que Z ₀ , cuando llega la onda de voltaje, la carga comienza a dibujar una corriente que coincide exactamente con la corriente que es Ya fluye en la línea. No hay razón para que algo cambie, así que no hay reflejo en la línea.

Sin embargo, supongamos que el extremo lejano de la línea está abierto. Cuando la onda de voltaje llega allí, no hay lugar para que la corriente que fluye justo detrás de ella vaya, por lo que la carga se "acumula" en el último bit de capacitancia hasta que el voltaje llega al punto donde puede detener la corriente en el último Poco de inductancia. El voltaje requerido para hacer esto es exactamente el doble del voltaje que llega, lo que crea un voltaje inverso en el último bit de inductancia que coincide con el voltaje que inició la corriente en primer lugar. Sin embargo, ahora tenemos V _S en ese extremo de la línea, mientras que la mayoría de la línea solo se carga a V _S / 2. Esto causa una onda de voltaje que se propaga en la dirección inversa y, a medida que se propaga, la corriente que aún fluye adelante de la onda se reduce a cero detrás de la onda, dejando la línea detrás cargada a V < sub> S . (Otra forma de pensar acerca de esto es que la reflexión crea una corriente inversa que cancela exactamente la corriente directa original). Cuando esta onda de voltaje reflejada llega a la fuente, la tensión a través de Z _S cae repentinamente a cero. y por lo tanto la corriente cae a cero, también. Nuevamente, todo está ahora en un estado estable.

Ahora, si el extremo lejano de la línea está en corto (en lugar de abierto) cuando llega la onda incidente, tenemos una restricción diferente: el voltaje no puede aumentar y la corriente simplemente fluye hacia el corto. Pero ahora tenemos otra situación inestable: el final de la línea está a 0 V, pero el resto de la línea todavía se carga a V _s / 2. Por lo tanto, la corriente adicional fluye hacia el corto, y esta corriente es igual a V _S / 2 dividido por Z ₀ (que es igual a la corriente original que fluye hacia el línea). Una onda de voltaje (pasando de V _S / 2 a 0V) se propaga en la dirección inversa, y la corriente detrás de esta onda es el doble de la corriente original que está por delante. (De nuevo, puede pensar en esto como una onda de voltaje negativo que cancela la onda positiva original). Cuando esta onda llega a la fuente, el terminal de la fuente se dirige a 0 V, la tensión de la fuente completa se reduce a través de Z _S y la corriente a través de Z _S es igual a la corriente que ahora fluye en la línea. Todo está estable de nuevo.

¿Algo de esto ayuda? Una ventaja de visualizar esto en términos de la electrónica real (a diferencia de las analogías que involucran cuerdas, pesos o sistemas hidráulicos, etc.), es que le permite razonar más fácilmente sobre otras situaciones, como capacitancias agrupadas, inductancias o cargas resistivas no coincidentes conectadas a la línea de transmisión.

Aquí hay una serie de experimentos o experimentos mentales, si lo desea.

1) Tome una cuerda larga sostenida en ambos extremos por dos amigos y tensa. Párese en el medio y pídale a la persona que está en un extremo que le dé un rápido movimiento vertical de la cuerda, enviando un pulso hacia la otra persona. A medida que la onda te pasa (en el medio), notarás que la onda simplemente se propaga más allá de ti. No hay reflexiones (en ese momento). Notará que las características de las cuerdas son idénticas antes y después de su ubicación. Este es el caso de una impedancia combinada que no tiene transición, por lo que no hay reflexión.

2) tome la misma cuerda, átela a una ubicación fija en una pared rígida. Pídale a su amigo que envíe un pulso por la cuerda y observe que la ola se aproxima, llega a la ubicación fija y luego se refleja. Notarás que cuando se refleja se invierte. Esto es equivalente a un corto. La cuerda se levanta, pero no se puede mover porque está anclada, la energía se almacena en energía elástica que hace que la cuerda retroceda (invirtiendo el pulso)

3) Tome la misma cuerda y ate una cuerda muy, muy liviana. Nuevamente, pídales a sus dos amigos que se paren en cada extremo y mantengan la cuerda / cuerda tensa y que la pulsen. En la transición entre cuerda / cuerda, el pulso se reflejará, pero no se invertirá. Este es un ejemplo de un circuito abierto. La cuerda se levanta, pero la energía no puede entrar en la cuerda (o mucho menos energía) porque la masa de la cuerda es mucho menor. Entonces, el extremo de la cuerda se eleva, la energía se almacena en energía potencial y luego simplemente se disipa al caer hacia abajo, enviando la ola hacia abajo de la línea.

En una guía de onda, la energía se está transformando de magnética (corrientes) a eléctrica (voltaje) a medida que la onda se propaga. En una terminación abierta, la corriente no puede fluir por lo que la energía entra en forma de voltaje. En pocas palabras, el voltaje no se puede expresar (es corto o equipotencial), por lo que la energía pasa a los bucles de corriente locales.

Me gusta pensar que una línea de transmisión es una colección de pesos iguales conectados con resortes coincidentes. Cuando se inyecta un pulso de compresión en un extremo, cada peso termina empujando el siguiente peso de tal manera que el empuje o tracción del peso "corriente arriba" se equilibra con precisión por un impulso o empuje del peso "corriente abajo", dejando cada peso inmóvil después de que pase la ola.

Si el final de la línea de transmisión no puede moverse, el efecto es que el resorte que no puede moverse "retrocede" dos veces más fuerte que si se hubiera movido. La mitad de ese empujón contrarresta el empuje de la ola anterior, y la otra mitad sirve para empujar el peso anterior en la dirección opuesta a su movimiento anterior. El efecto neto es que una onda de compresión se transmite de nuevo.

Si el final de la línea de transmisión fuera simplemente "abierto", el efecto sería que el último peso no terminaría moviéndose solo hasta su punto de inicio después de transferir su energía al siguiente peso, pero cuando alcanzó su inicio punto todavía tendría toda la energía que había recibido del peso anterior. En ese punto, la inercia y el impulso lo harían continuar más allá de ese punto y efectivamente "tirar" del peso anterior con toda la energía que el peso anterior había alimentado. Esto generaría efectivamente una onda de tensión en la primavera.

Este fascinante video de Bell Labs muestra maravillosamente las secciones de movimiento de onda, SWR e igualación de impedancia en un dispositivo de mesa completamente mecánico sin necesidad de matemáticas . Se presenta de manera que incluso un laico puede comprender estos conceptos.

• Reflejo de ondas de extremos libres y sujetados
• Superposición
• Ondas estacionarias y resonancia
• Pérdida de energía por desajuste de impedancia
• Reducción de la pérdida de energía mediante transformadores de un cuarto de onda y de sección cónica