Wikipedysta:Jacekr16/Linie przesyłowe energetyczne i telekomunikacyjne

Kabel wielożyłowyzdolny do obsługi 25 niesymetrycznych linii transmisyjnych

W elektrotechnice linia nie zrównoważona to linia transmisyjna, często kabel koncentryczny, którego przewodniki mają nierówne impedancje w odniesieniu do ziemi, w przeciwieństwie do linii zrównoważonej. Linie mikro paskowe i jednoprzewodowe są również liniami niezbalansowanymi.

Ogólny opis

Każda linia, która ma inną impedancję ścieżki powrotnej może być uważana za linię niezbalansowaną. Jednak linie niezbalansowanezazwyczaj składają się z przewodnika, który jest uważany za linię sygnałową i innego przewodnika, który jest uziemiony, lub sam jest uziemieniem. Przewód uziemiający często przybiera formę płaszczyzny uziemienia lub ekranu kabla. Przewód uziemiający może być, i często jest, wspólny dla wielu niezależnych obwodów. Z tego powodu przewód uziemiający może być określany jako wspólny.

Linie telegraficzne

Linie telegraficzne na słupie Oppenheimera przed historyczną stacją telegraficzną Alice Springs na nieużywanej już australijskiej lądowej linii telegraficznej (Australian Overland Telegraph Line)

Najwcześniejsze zastosowanie linii transmisyjnych miało miejsce w komunikacji telegraficznej. Składały się one z pojedynczych drutów rozpiętych między słupami. Droga powrotna dla prądu była pierwotnie zapewniona przez oddzielny przewód. Niektóre wczesne systemy telegraficzne, takie jak eksperymentalny telegraf igłowy Schillinga (1832) oraz pięcioigłowy telegraf Cooke’a i Wheatstone’a (1837) używany przez koleje brytyjskie, wymagały zastosowania wielu przewodów kodowych. Zasadniczo, były to równoległe szyny kodujące. W tych systemach koszt przewodnika powrotnego nie był tak znaczący (jeden przewodnik na siedem w najwcześniejszym telegrafie igłowym Schillinga i jeden przewodnik na sześć w telegrafie Cooke’a i Wheatstone’a), ale liczba przewodników kodujących była stopniowo zmniejszana wraz z ulepszaniem systemów. Wkrótce wymagany był tylko jeden przewód kodujący, a dane były przesyłane szeregowo. Ważnymi przykładami takich jednoprzewodowych systemów były telegraf Morse’a (1837) oraz telegraf jednoigłowy Cooke’a i Wheatstone’a (1843). W takich systemach koszt żyły powrotnej stanowił aż 50 procent kosztów kabla. Odkryto, że przewód powrotny może być zastąpiony ścieżką powrotną przez grunt za pomocą kolców uziemiających. Zastosowanie uziemienia było znaczącą oszczędnością kosztów i szybko stało się normą.

Podziemne kable telegraficzne do połączenia budynków o wielu użytkownikach telegrafu lub pomiędzy stacjami często musiały przenosić wiele niezależnych linii telegraficznych. Kable te miały postać wielu izolowanych żył zamkniętych metalowym ekranem i ogólną powłoką ochronną. W takich kablach ekran może być wykorzystany jako żyła powrotna. Podmorskie kable telegraficzne miały zazwyczaj postać pojedynczego przewodnika zabezpieczonego stalowym pancerzem, czyli efektywnie kabla koncentrycznego. Pierwszy transatlantycki kabel tego typu został ukończony w 1866 roku.

Wczesne linie telefoniczne (telefon wynaleziono w 1876 roku) wykorzystywały ten sam schemat linii transmisyjnej co telegraf. Komunikacja telefoniczna zaczęła jednak szwankować po wprowadzeniu na szeroką skalę linii elektrycznych. Aby rozwiązać ten problem wykorzystywano linie zbalansowane, a współczesną normą dla stacjonarnych połączeń telefonicznych jest zbalansowana skrętka.

Linie koncentryczne

Kabel koncentryczny

Linia koncentryczna (coax) posiada centralny przewodnik sygnałowy otoczony cylindrycznym przewodnikiem ekranującym. Przewód ekranu jest standardowo uziemiony. Format koncentryczny został opracowany w czasie II wojny światowej do zastosowań w radarach. Pierwotnie był on zbudowany ze sztywnych rur miedzianych, ale obecnie najczęściej spotykaną formą jest elastyczny kabel z oplotem. Zaletą linii koncentrycznej jest teoretycznie doskonały ekran elektrostatyczny i bardzo przewidywalne parametry transmisyjne. To ostatnie wynika z ustalonej geometrii formatu, która prowadzi do precyzji niespotykanej przy luźnych przewodach. Na systemy z przewodami otwartymi mają również wpływ pobliskie obiekty zmieniające wzór pola wokół przewodnika. Linia koncentryczna nie jest narażona na zakłócenia, ponieważ pole jest w całości zawarte w kablu dzięki otaczającemu go ekranowi.

Linie koncentrycznesą normą dla połączeń między nadajnikami radiowymi i antenami, dla wzajemnego połączenia urządzeń elektronicznych, gdzie wymagana jest wysoka częstotliwość. Były dawniej szeroko stosowane do tworzenia lokalnych sieci, zanim skrętka stała się popularna do takich połączeń.

Kabel (triax) jest odmianą kabla koncentrycznego z drugim przewodnikiem ekranującym otaczającym pierwszy, pomiędzy którymi znajduje się warstwa izolacji. Oprócz zapewnienia dodatkowego ekranowania, zewnętrzne przewodniki mogą być wykorzystywane do innych celów, takich jak dostarczanie energii do urządzeń lub sygnałów sterujących. Triax jest powszechnie stosowany do podłączania kamer w studiach telewizyjnych.

Technologie planarne

Mikro paskowe równolegle sprzężone linie transmisyjne. Konstrukcja tworzy filtr pasmowo-przepustowy

Linie transmisyjne w formacie planarnym to płaskie przewodniki wytwarzane różnymi technikami. Przy niskich prędkościach transmisji pierwszych linii telegrafu konieczne było rozważenie teorii linii transmisyjnej dla projektu obwodu, gdy transmisja odbywała się na odległość wielu mil. Podobnie, częstotliwości akustyczne używane przez telefony są stosunkowo niskie i teoria linii transmisyjnych staje się istotna dopiero przy odległościach co najmniej między budynkami. Jednak przy wyższych częstotliwościach radiowych i mikrofalowych względy związane z liniami transmisyjnymi mogą stać się istotne wewnątrz urządzenia. Przy bardzo dużych szybkościach transmisji danych obsługiwanych przez nowoczesne procesory komputerowe, względy związane z liniami transmisyjnymi mogą być jeszcze bardziej istotne wewnątrz pojedynczego układu scalonego. Technologie planarne zostały opracowane dla tego typu aplikacji o małych rozmiarach i nie są zbyt odpowiednie dla transmisji na duże odległości.

Linia paskowa

Linia paskowa jest płaskim przewodnikiem z płaszczyzną uziemienia zarówno powyżej, jak i poniżej przewodnika. Wariant linii paskowej, w którym przestrzeń pomiędzy dwoma płaszczyznami uziemienia jest całkowicie wypełniona materiałem dielektrycznym, jest czasami znany jako triplate. Linia paskowa może być produkowana poprzez wytrawienie wzoru linii transmisyjnej na płytce drukowanej. Dolna część tej płytki jest całkowicie pokryta miedzią i stanowi dolną płaszczyznę. Druga płytka jest mocowana na pierwszej. Ta druga płytka nie ma wzoru na spodzie i ma czystą miedź na górze, aby utworzyć górną płaszczyznę uziemienia. Arkusz folii miedzianej może być owinięty wokół dwóch płyt, aby elektrycznie związać dwie płaszczyzny uziemienia mocno ze sobą. Z drugiej strony, linia paskowa do zastosowań o wysokiej mocy, takich jak radar, będzie bardziej wskazane, aby były wykonane jako solidne paski metalu dielektrycznych nośników.

Mikro pasek

Mikro pasek jest podobny do linii paskowej, ale jest otwarty powyżej przewodnika. Nad linią transmisyjną nie ma dielektryka ani płaszczyzny uziemienia, jest tylko dielektryk i płaszczyzna uziemienia pod linią. Mikro pasek jest popularnym formatem, szczególnie w produktach domowych, ponieważ komponenty mikro paskowe mogą być wykonane przy użyciu znanych technik produkcji obwodów drukowanych. Ponadto, ponieważ płytka i tak musi być wykonana, elementy mikro paskowe nie mają dodatkowych kosztów produkcji. W zastosowaniach, gdzie wydajność jest ważniejsza od kosztów, zamiast obwodu drukowanego można użyć podłoża ceramicznego. Mikro pasek ma jeszcze jedną małą przewagę nad linią paskową; szerokość linii jest większa w mikro pasku dla tej samej impedancji, a zatem tolerancje produkcyjne i minimalna szerokość są mniej krytyczne dla linii o wysokiej impedancji. Wadą mikro pasków jest to, że sposób transmisji nie jest całkowicie stabilny. Ściśle mówiąc, standardowa analiza linii transmisyjnej nie ma zastosowania, ponieważ obecne są inne możliwości, ale może być użytecznym elementem zstępczym.

Obwody scalone

Połączenia w układach scalonych są zazwyczaj planarne, więc planarne linie transmisyjne są naturalnym wyborem tam, gdzie są one potrzebne. Potrzeba stosowania linii transmisyjnych jest najczęściej spotykana w mikrofalowych układach scalonych (MIC). Istnieje bardzo wiele materiałów i technik stosowanych do produkcji MIC, a linie transmisyjne mogą być formowane w każdej z tych technologii.

Planarne linie transmisyjne są wykorzystywane do znacznie więcej niż tylko do łączenia ze sobą linii mikro paskowych lub innych przewodników transmisji. Mogą one być używane jako komponenty i pojedyncze elementy do transmisji. Każdy format linii transmisyjnej może być wykorzystany w ten sposób, ale dla formatów planarnych jest to często ich podstawowe przeznaczenie. Typowe bloki obwodów realizowane przez linie transmisyjne obejmują filtry, sprzęgacze kierunkowe i rozdzielacze mocy oraz regulację impedancji. Przy częstotliwościach mikrofalowych elementy muszą być niewielkich rozmiarów i jedynym realnym rozwiązaniem jest linia transmisyjna. Z drugiej strony, przy niskich częstotliwościach, takich jak przesyłanie audio, urządzenia linii transmisyjnych muszą być duże np. głośniki.

PRZESYŁ MOCY

Transformator montowany na słupie na jednoprzewodowej linii powrotnej do ziemi w Kanadzie

Dystrybucja energii elektrycznej odbywa się zazwyczaj w formie zrównoważonego przesyłania trójfazowego. Jednakże w niektórych odległych lokalizacjach, gdzie wymagana jest stosunkowo niewielka ilość energii, można zastosować jednoprzewodowy system przesyłania energii.

Bibliografia

• Huurdeman, Anton A., Światowa historia telekomunikacji, John Wiley & Sons, 2003 ISBN 0-471-20505-2.
• Curran, JE; Jeanes, R.; Sewell, H, „A Technology of Thin-Film Hybrid Microwave Circuits”, IEEE Transactions on Parts, Hybrids, and Packaging, vol. 12, iss. 4 grudnia 1976.