伝送線路の反射。非数学的な説明が欲しい

私は免許を取得したラジオのアマチュアであり、伝承回線やフィーダーの終端で何が起こるかについて、民俗的な都市神話からMaxwell-Heavisideの方程式に至るまで、さまざまな説明が当惑しています。結局、彼らはすべて同じことをすることを理解します（または、そうするべきです、完璧にしゃべります）が、何も起こっていないことに感動しません。

私は図が好きなので、負荷での電流と電圧の（グラフィカルな）フェーザの観点からの答えが最も適しています。たとえば、ラインを下るステップパルスは、開回路終端で2倍の電圧を発生させるのでしょうか。短絡時の電流についても同様です。そして、ラインのインダクタンスとキャパシタンスによって反射ステップはどのように生成されますか？

すべての数学を習得することなく、「子供への嘘」を言わずに、誰でも助けることができますか？

OK、それが価値があるので、ここに私がそれを視覚化する方法があります。

あなたが言うように、伝送ラインには分布容量と分布インダクタンスの両方があり、それらは組み合わさって特性インピーダンスZ ₀を形成し_ます。出力インピーダンスZ _Sが Z _0に一致するステップ電圧源があるとします。t = 0より前は、すべての電圧と電流はゼロです。

ステップが発生した時点で、ソースからの電圧はZ _S とZ ₀で均等に分割されるため、ラインのその端の電圧はV _S / 2になります。最初に発生する必要があるのは、キャパシタンスの最初のビットをその値に充電する必要があることです。これには、インダクタンスの最初のビットに電流が流れる必要があります。しかし、それにより、次の容量のビットがインダクタンスの次のビットを介してすぐに充電されます。電圧波がラインを伝播し、その後ろに電流が流れますが、その前には流れません。

回線の遠端がZ ₀と同じ値の負荷で終端している場合、電圧波がそこに達すると、負荷はすぐに、回線にすでに流れている電流と正確に一致する電流の引き込みを開始します。何かを変更する理由はないので、行に反映はありません。

ただし、回線の遠端が開いていると仮定します。電圧波がそこに達すると、その直後に流れる電流が流れる場所がないため、電荷が最後の電流を止めることができるポイントに達するまで、電荷は容量の最後のビットに「蓄積」しますインダクタンスのビット。これを行うのに必要な電圧は、たまたま到着電圧のちょうど2倍であり、インダクタンスの最後のビットに逆電圧が発生し、そもそも電流を開始した電圧と一致します。しかし、我々は今、V持っている_Sをラインのほとんどが唯一のVまで充電している間、行の末尾に_S / 2。これにより、逆方向に伝播する電圧波が発生し、進行するにつれて、まだ前方に流れている電流が発生します波の後ろの波はゼロに減少し、波の後ろのラインはV _Sに充電されたままになります。（これについての別の考え方は、反射が元の順方向電流を正確にキャンセルする逆方向電流を生成することです。）この反射された電圧波がソースに到達すると、Z _Sの電圧が突然ゼロに低下し、したがって電流がゼロに低下しますも。繰り返しますが、すべてが安定した状態になりました。

ここで、入射波が到達したときにラインの遠端が（開いているのではなく）短絡している場合、異なる制約があります：電圧は実際には上昇できず、電流は短絡に流れ込むだけです。しかし、もう1つの不安定な状況があります。ラインの終端は0Vですが、ラインの残りはまだV _s / 2に充電されています。したがって、追加の電流が短絡に流れ、この電流はV _S / 2をZ _0で割った値に等しくなります（これは、ラインに流れ込む元の電流と同じです）。電圧波（V _Sからのステップ/ 2から0Vまで）は逆方向に伝播し、この波の背後の電流は元の電流の2倍になります。（繰り返しますが、これは元の正の波を打ち消す負の電圧波と考えることができます。）この波がソースに到達すると、ソース端子は0Vに駆動され、Z _SとZを流れる電流全体でソース電圧が低下します。_Sは、ラインに流れる電流に等しくなります。すべてが再び安定しています。

これのいずれかが役立ちますか？これを実際の電子機器の観点で視覚化する1つの利点（ロープ、重量、油圧などを含む類推とは対照的に）は、集中容量、インダクタンス、または伝送ラインに接続された不整合抵抗負荷。

必要に応じて、一連の実験または思考実験を次に示します。

1）両端に2人の友人が持ち、ピンと張った長いロープを持ちます。真ん中に立って、一方の端にいる人に、ロープをすばやく垂直に弾いてもらい、もう一方の人にロープを下ってパルスを送ります。波が通り過ぎると（真ん中）、波がちょうどあなたを通り過ぎて伝播することがわかります。反射はありません（その瞬間）。ロープの特性は、場所の前後で同じであることがわかります。これは整合インピーダンスの場合で、遷移はないため、反射はありません。

2）同じロープを取り、硬い壁の固定位置に結びます。友人にロープにパルスを送って、波が近づいてくるのを観察するように頼みます。波が固定された場所に当たり、反射して戻ってきます。それが反映されると反転することがわかります。これはショートと同等です。ロープは跳ね上がりますが、固定されているため移動することはできません。エネルギーは弾性エネルギーに保存され、ロープをスナップで留めます（パルスを反転）

3）同じロープを持ち、非常に軽い紐を結びます。再び、あなたの2人の友人に両端に立って、ロープ/紐をぴんと張ってもらい、ロープの下にパルスを発射させます。ロープ/ストリング間の移行で、パルスは反射しますが、反転しません。これは開回路の例です。ロープは跳ね上がりますが、ストリングの質量がはるかに小さいため、エネルギーはストリングに移動できません（または、はるかに少ないエネルギー）。したがって、ロープの端が上昇し、エネルギーがポテンシャルエネルギーに蓄積され、その後、下降して波をラインに送り返すことで単純に消費されます。

導波管では、波が伝播するにつれてエネルギーが磁気（電流）から電気（電圧）に変換されます。オープン終端では、電流は流れないため、エネルギーは電圧の形になります。要するに、電圧は表現できないため（ショートまたは等電位）、エネルギーは局所電流ループに入ります。

送電線は、一致するバネに接続された等しい重量の集まりであると考えるのが好きです。圧縮パルスが一端に注入されると、各ウェイトは次のウェイトを押して、「上流」ウェイトからのプッシュまたはプルが「下流」ウェイトからのプルまたはプッシュによって正確にバランスが取れるようになります。波が通過した後、各重みは動かない。

伝送線路の端が動かない場合、動くことができないバネは、動くことができた場合の2倍の力で「押し戻す」という効果があります。その突きの半分は前の波からの突きを打ち消し、残りの半分は前の重りをその前の動きと反対の方向に押すのに役立ちます。最終的な効果は、圧縮波が送信されることです。

送電線の端が単に「開いている」場合、エネルギーは次の重量に移動した後、最後の重量が開始点だけに移動することはありませんが、開始点に達すると、前の体重から受け取ったすべてのエネルギーをまだ持っています。その時点で、慣性と運動量はそのポイントを超えて継続し、前の重量がそこに供給されたすべてのエネルギーで前の重量を効果的に「引っ張り」ます。これにより、スプリングに戻る張力波が効果的に生成されます。

この魅力的なBell Labsビデオは、数学を必要とせずに、完全に機械的な卓上デバイスで波動、SWR、およびインピーダンスマッチングセクションを美しく実演します。素人でもこれらの概念を理解できる方法で提示されています。

• 自由端および固定端からの波の反射
• 重ね合わせ
• 定在波と共鳴
• インピーダンス不整合によるエネルギー損失
• 四分の一波長およびテーパー部変圧器によるエネルギー損失の削減