Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Телеграфные уравнения, волновое уравнение






    Рассмотрим распределенную колебательную систему на примере двух­проводной линии. Если расстояние между проводниками мало в срав­нении с длиной линии l и длиной волны l, передаваемых колебаний в ней, то векторы магнитного и электрического поля лежат в плоскости, перпендикуляр­ной направлению линии, в этой плоскости удовлетворяют уравнению Лапласа и могут считаться потенциальными. Поэтому для малых участков Рис. 79. Двухпроводная линия.

    линии dx (рис. 79) мож­но ввести понятия потенциала, тока, распределенных ёмкостей и индуктивностей. Если система не излучает и не взаимодействует с другими проводниками, то в каждом сечении линии токи в обоих проводниках равны по величине и противоположны по направлению: i 1(x, t) = - i 2(x, t) = i (x, t).

    Рассмотрим бесконечно малый элемент dx длины линии, обладающей индуктивностью L и ёмкостью C на единицу длины линии. Для участка dx линии можно записать уравнения Кирхгофа:

    ,   ,

    откуда легко получаются телеграфные уравнения:

    ,   . (9.1)

    Из уравнений (9.1) легко получаются и волновые уравнения для тока и напряжения:

    ,   , (9.2)

    где

    - фазовая скорость. (9.3)

    Волновое уравнение можно получить также, если рассматривать, например, распределённую электрическую систему как предельный случай одномерной цепочки, составленной из сосредоточенных индуктивностей и емкостей. Если увеличивать число ячеек на единицу длины цепочки, сохраняя постоянной общую индуктивность и ёмкость, то в пределе система уравнений для цепочки (8.32) перейдёт в волновое уравнение (9.2). Координата x соответствует изменяющемуся номеру ячейки.

    Частным решением волнового уравнения (9.2) являются любые функции вида

    ,   ,

    соответственно полное решение имеет вид:

    . (9.4)

    Первое слагаемое описывает волну, которая распространяется, не меняя своей формы, в направлении возрастания x, а второе - волну, распространяющуюся с той же скоростью в сторону убывания x. Для процессов, синусоидальных во времени, решение (9.4) принимает форму

    .

    Здесь величина w (t ± x / v) называется фазой волны, а величина k = w / v - волновым числом. Волновое число характеризует пространственную периодичность волнового процесса, т. е. y (x + nl, t) = y (x, t), и связана с длиной волны соотношением: k = 2 p / l.

    Для токов и напряжений в линии решение уравнения (9.4) имеет вид:

    (9.5)

    Подставляя эти выражения в телеграфное уравнение (9.1), получим связь между коэффициентами:

    ,   ,

    где - волновое сопротивление линии. Учитывая связь между коэффициентами, перепишем (9.5) в виде

    (9.6)

    Погонные индуктивность и ёмкость линии определяются её геометрией. Для двухпроводной линии в системе СГС получаем

    ,   , (9.7)

    где r - радиус проводов, b - расстояние между ними.

    Учитывая два последних соотношения, получим для волнового сопротивления следующее выражение:

    [Ом].

    Для коаксиальной линии имеем

    [Ом],

    где D и d - диаметры внешнего и внутреннего проводников.

    Подставляя погонные L и C в (9.3), получим, что фазовая скорость волны в линии равна

    . (9.8)

    Для двухпроводной линии с погонным сопротивлением проводников R и погонной утечкой G между ними телеграфные уравнения (9.1) принимают вид:

    ,   . (9.9)

    Для гармонического во времени процесса уравнения (9.9) запишутся следующим образом:

    ,   ,

    где Z и Y - комплексные последовательное сопротивление и параллельная утечка, U и I - комплексные амплитуды напряжения и тока. Из этих двух телеграфных уравнений получим уравнение для U

    ,

    где

    .

    Его решение имеет вид:

    ,

    причём постоянная распространения g в данном случае является комплексной величиной. Представим её так:

    .

    Тогда мы вправе записать

    .

    Теперь и падающая и отражённая волны содержат множитель, характеризующий затухание. Поскольку и мнимая, и действительная части g являются нелинейными функциями частоты, то и фазовая скорость волны v = w / k зависит от частоты. Это явление называется дисперсией. Волновое сопротивление ли­нии с потерями тоже комплекснозначная функция частоты

    .






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.