Jeśli kupujemy przewód antenowy do telewizora lub do anteny CB, pytamy w sklepie o przewód koncentryczny 50-cio lub 75-cio omowy. Nie chodzi tu jednak o oporność kabla, bo ta zależałaby od jego długości, lecz o impedancję falową. Czym jest ta tajemnicza wielkość?
Impedancja falowa dla linii transmitującej sygnał wielkiej częstotliwości, to wielkość która określa stosunek napięcia przemiennego przyłożonego do wejścia linii do prądu jaki w niej płynie. W tym sensie przypomina prawo Oma, jednak nie oznacza ona, zamkniętego obwodu a przynajmniej nie zamkniętego w sensie znanym z lekcji na temat prądu stałego.
Jak to możliwe, że mimo otwartego obwodu, płynie prąd? Cóż, obwód prądu zmiennego nigdy nie jest otwarty. Przewody umieszczone obok siebie mają pewną pojemność elektryczną, a przewód, nawet ułożony prosto – posiada pewną indukcyjność. Ponadto przewody mają opór a izolacja między nimi także nie jest idealna i może posiadać pewną przewodność. Co więcej wszystkie te wielkości można określić nie dla całej linii, lecz dla jednostki jej długości.
Impedancję falową możemy wyliczyć ze wzoru:
Który dla linii o dobrej przewodności i dobrej izolacji możemy uprościć do
Wielkości te są prawdziwe dla nieskończonej linii, jednak w praktyce taka linia nie ma żadnego zastosowania i musi się gdzieś kończyć. I tu zaczyna się problem. Bo co się stanie, jeśli taka linia na końcu pozostanie otwarta, czyli jej obciążenie po drugiej stronie będzie nieskończone? Przecież na końcu linii, mimo zmian napięcia prąd nie będzie płynął. Co się wtedy stanie? W próżni może rozchodzić się fala elektromagnetyczna, ale prąd przecież nie popłynie.
Zanim odpowiemy na to pytanie, zastanówmy się co się dzieje ze falą która porusza się w ośrodku który się kończy? Z lekcji fizyki powinniśmy pamiętać, że w takiej sytuacji fala powinna się odbić i zmienić kierunek ewentualnie zmieniając także fazę. Podobnie jest i tutaj – otwarty koniec linii działa jak koniec ośrodka w którym porusza się fala, która w takiej sytuacji po prostu się odbije i wróci wzdłuż linii przesyłowej. Możemy temu zapobiec kończąc taką linię odbiornikiem o takiej samej impedancji jak impedancja linii. Warto zwrócić uwagę, że impedancja falowa zwykłego opornika1 jest równa jego oporowi – wynika to wprost z definicji impedancji która otwiera niniejszy artykuł.
Kiedyś , gdy sieci komputerowe były oparte na przewodzie koncentrycznym, na końcach przewodu umieszczano terminatory – oporniki o oporności identycznej z impedancją kabla sieciowego. Jeśli przewód gdzieś po drodze się rozłączył, sieć zaczynała kaprysić – bo pakiety zawierające informacje nakładały się na pakiety które wracały odbite od otwartego końca linii. Przesyłanie pojedynczych pakietów miała szanse powodzenia, jeśli jednak wysyłaliśmy ich większą ilość – komunikacja stawała się niemożliwa ze względu na zakłócenia pochodzące z sygnałów odbitych. Obecnie nie ma takiego problemu, bo połączenia sieciowe są połączeniami typu 1:1 – czyli jeden nadajnik rozmawia z jednym odbiornikiem i dopasowanie jest realizowane poprzez odpowiednią realizację impedancji wyjściowej nadajnika i wejściowej odbiornika.
A co jeśli połączymy dwie linie o różnych impedancjach?
Zmiana impedancji falowej linii w której rozchodzi się fala, będzie miała takie samo znaczenie jak zmiana gęstości ośrodka w którym rozchodzi się fala mechaniczna lub zmiana gęstości optycznej dla światła – tu również dojdzie do odbicia, jednak będzie to odbicie częściowe, przy czym im większa będzie różnica impedancji, tym większa część fali (większa energia) wróci do nadajnika i tym mniejsza energia dotrze do odbiornika. Dlatego dopasowanie ma tak duże znaczenie.
Czy możemy kontrolować impedancję falową? Cóż, jeśli umiemy wytwarzać przewody o konkretnej impedancji – nie powinno to być problemem, może być jednak zaskakujące, że impedancja falowa zależy przede wszystkim od… geometrii przewodów tworzących linię oraz od przenikalności elektrycznej izolatora w którym przewody są umieszczone. Dla przewodów w próżni, impedancje typowych linii stosowanych w przesyłaniu wielkich częstotliwości wynoszą:
Pamiętajmy jak ważne jest, by na całej drodze sygnału zachować stała impedancję. To dlatego połączenia stosowane przy przesyłaniu sygnałów wielkiej częstotliwości (także tych odpowiadających sieciom komputerowym) – muszą mieć odpowiedni kształt by zmniejszyć do minimum efekty związane z odbiciem fali, a zagięcia przewodów muszą być wykonane w taki sposób, by nie zmienić odległości pomiędzy przewodami przenoszącymi sygnał.
Literatura
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Impedancja_falowa
- https://en.wikipedia.org/wiki/Coaxial_cable
- https://en.wikipedia.org/wiki/Balanced_line