전기 길이

전기 통신 및 전기 공학에서 전기 길이(또는 위상 길이)는 특정 주파수에서 그 도체를^[1] 통한 전송에 의해 도입된 위상 변화 측면에서 전기 도체의 길이를 가리킨다.

용어 사용

구체적인 맥락에 따라 단순한 물리적 길이보다는 '전기적 길이'라는 용어를 사용하여 다음 세 가지 개념 중 하나 이상을 통합한다.

특히 송전선 한 구간을 통과하는 파장의 전달에 관련된 파장 수 또는 위상에 관한 경우, 물리적 길이, 주파수 또는 속도 계수의 규격이 생략된 상태에서 단순히 전기적 길이를 명시할 수 있다. 그 다음 전기적 길이는 일반적으로 N 파장 또는 도 또는 라디안으로 표현되는 위상 φ으로 표현된다. 따라서 마이크로스트립 설계에서 60° 위상 길이의 짧은 스텁을 지정할 수 있으며, 이는 다른 주파수에 적용할 때 다른 물리적 길이에 해당된다. 또는 37.5MHz에서 1/4 파장(90°)의 전기적 길이를 가진 동축의 2m 단면을 고려하고 회로가 다른 주파수로 작동될 때 전기적 길이가 어떻게 되는지 물어볼 수 있다.
예를 들어, 특정 전송 라인의 속도 계수 때문에, 특정 길이의 케이블에서 신호의 전송 시간은 빛의 속도로 이동할 때 더 긴 거리에 걸친 전송 시간과 동일하다. 따라서 동축의 2m 구간(속도 계수가 67%) 아래로 전송된 펄스는 길이 3m의 맨 와이어 끝에 동일한 펄스가 도달하는 동시에 동축의 끝에 도달하고, 동축의 2m 구간은 전기 길이가 3m인 것으로 간주할 수 있다. 또는 50 MHz에서 ½ 파장의 전기적 길이(50 MHz 전파의 파장은 6 m이므로).
공명 안테나는 대개 도체의 전기적 길이(반파 쌍극형 등)에 따라 지정되기 때문에, 그러한 전기적 길이의 달성은 일반적으로 원하는 대로 안테나 입력의 순수 저항성 임피던스와 느슨하게 동일시된다. 예를 들어, 안테나가 약간 너무 오래 만들어진 경우, 유도 리액턴스가 나타나게 되는데, 이는 안테나를 물리적으로 단축시켜 교정할 수 있다. 이러한 이해를 바탕으로 안테나 거래에서 흔히 사용되는 용어는 전기적 매칭 네트워크(또는 안테나 튜너)가 물리적인 없이 그 임무를 수행했을 때 안테나 단자에서 너무 긴 안테나(또는 너무 짧은 안테나를 전기적으로 연장하는 것)를 전기적으로 단축시키는 것으로서 공진(반응의 취소)을 달성하는 것을 말한다.안테나의 길이를 조금씩 바꾸다 용어는 매우 부정확하지만, 특히 단극(수직 또는 채찍 안테나)의 하단에 있는 하중 코일을 사용하여 "전기적으로 연장"하고 하중 코일을 통해 보이는 전기적 공명을 달성할 때 이러한 용도는 널리 퍼져 있다.

위상 길이

"전기 길이"라는 용어의 첫 번째 용어는 일부 주파수의 사인파 또는 적어도 일부 주파수 f를 중심으로 한 협대역 파형을 가정한다. 사인파는 T = 기간으로 반복된다. ½f. 주파수 f는 특정 도체를 따라 특정 파장 λ에 대응한다. 광 c의 속도로 신호를 전송하는 도체(베어 와이어 또는 공기 주입 동축 등)의 경우 파장은 λ = ½f로 주어진다. 이 도체를 따라가는 거리 L은 N 파장에 해당하며 여기서 N; = L½

오른쪽 그림에서 표시된 파장은 N = 1.5 파장 길이로 보인다. 그래프의 시작 부분에 있는 파장은 오른쪽으로 이동하면 1.5T 시간 후에 끝부분에 도달한다. 그 세그먼트의 전기적 길이는 "1.5 파장" 또는 위상 각도로 표현되는 540 "전기 도"(3㎛ 라디안)이며 N 파장은 wavelength = 360°•에 해당한다.N(또는 φ = 2π•N 라디안). 무선 주파수 어플리케이션에서, 전송 회선으로 인해 지연이 도입될 때, 중요한 것은 위상 편이 φ인 경우가 많기 때문에 위상이나 전기적 길이에 관한 관점에서 설계를 지정하면 그 주파수에 적용되는 파장 wavelength을 채택하여 임의 주파수에 그 설계를 적응시킬 수 있다.

속도계수

전송 라인에서 신호는 전송 라인 길이의 단위당 유효 캐패시턴스와 인덕턴스에 의해 제어되는 속도로 이동한다. 일부 전송 라인은 베어 도체만으로 구성되며, 이 경우 신호는 빛의 속도로 전파된다. 신호는 감소된 속도 velocityc로 이동하는 경우가 더 많다. 여기서 κ은 속도 계수로서 1보다 작은 숫자로 빛의 속도에 대한 해당 속도의 비율을 나타낸다.^[2]^[3]

대부분의 전송 라인은 도체 사이의 일부 또는 전체를 채우는 유전체 물질(절연체)을 포함하고 있다. 이 물질의 상대적 허용률 또는 유전 상수는 케이블의 분산 캐패시턴스를 증가시켜 속도 계수를 단성 이하로 감소시킨다. 그 물질의 상대적 투과성( $\mu _{\text{r}}$ ${\$ 때문에 κ이 감소하는 것도 가능하지만, 분산 인덕턴스를 증가시키는 경우는 거의 없다. $이제 공간$ 을 상대적 허용률의 유전체로 채우면 $\epsilon _{\text{r}}$ 과 같은 속도 계수에 의해 전자기 $평면파$ 의 속도가 감소한다 $\epsilon _{\text{r}}$

\kappa ={\frac {v_{p}}{c}}={\frac {1}{\sqrt {\epsilon _{\text{r}}\mu _{\text{r}}}}}\approx {\frac {1}{\sqrt {\epsilon _{\text{r}}}}}

.

이러한 감소된 속도 계수는 유전체로 채워진 넓은 공간에 담근 와이어를 따라 신호의 전파에도 적용된다. 단, 이 유전체로 채워진 도체 주위의 공간 일부만 있으면 파형 속도 감소가 적다. 각 도체를 둘러싼 전자파의 일부는 유전체의 영향을 "감지"하며 일부는 자유 공간에 있다. 그런 다음 효과적인 상대적 허용률 ${\$ 을(를) 정의할 수 있으며, 그에 $\epsilon _{\text{eff}}$ 따라 속도 계수를 예측할 수 있다.

\kappa ={\frac {1}{\sqrt {\epsilon _{\text{data}}}}}}}}

$\epsilon _{\text{eff}}$ $\epsilon _{\text{eff}}$ ${\$ 은(는) 여유 공간의 상대적 허용률(1)과 유전체의 비율에 대한 가중 평균으로 계산된다 $\epsilon _{\text{eff}}$ .

\epsilon _{\text{eff}=(1-F)+F\epsilon _{\text{r}

여기서 채우기 계수 F는 유전체로부터 영향을 받는 공간의 유효 비율을 나타낸다.

내부 도체와 실드 사이의 모든 부피가 유전체로 채워지는 동축 케이블의 경우, 전자파가 해당 영역에 국한되기 때문에 충전 계수는 통일이다. 트윈 리드 등 다른 유형의 케이블에서는 충전률이 훨씬 작을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 무선 주파수를 위한 케이블은 제조자가 지정한 속도 계수(특성 임피던스뿐만 아니라)를 가질 것이다. 동축 케이블의 경우, 여기서 F=1의 경우, 속도 계수는 여기에서 명시한 대로 사용되는 유전체의 종류에 의해서만 결정된다.

예를 들어 동축 케이블의 일반적인 속도 계수는 0.25의 유전 상수에 해당하는 .66이다. 이러한 케이블의 짧은 섹션으로 30MHz 신호를 전송하여 1/4파(90°)만큼 지연시키려 한다고 가정합시다. 자유 공간에서 이 주파수는 wavelength₀=10m의 파장에 해당하므로 0.25㎛의 지연은 2.5m의 전기적 길이가 필요하다. 속도계수 .66을 적용하면 케이블의 물리적 길이가 1.67m가 된다.

속도 계수는 안테나 도체가 유전체로 둘러싸인 경우(부분적으로) 안테나에도 적용된다. 이는 특히 패치 안테나 같은 마이크로스트립 안테나에 적용된다. 마이크로스트립의 파동은 대부분 그 아래 회로 기판의 유전체에 의해 영향을 받지만, 그 위의 공기(추적 에지 효과 때문에)에도 영향을 받는다. 따라서 속도 계수는 회로기판 재료의 허용률에 $\epsilon _{\text{eff}}$ 의존하지 않고 회로기판 재료(또는 계산할 수 있음)에 대해 종종 지정된 유효 $\epsilon _{\text{eff}}$ $\epsilon _{\text{eff}}$ {\ $displaystyle \epsilon _{\text{eff}}$ 에 따라 달라진다. 채우기 계수와 따라서 $\epsilon _{\text{eff}}$ $\epsilon _{\text{eff}}$ ${\$ 는 보드의 두께에 비해 트레이스 폭에 다소 의존한다는 $\epsilon _{\text{eff}}$ 점에 유의하십시오.

안테나

특정 광대역 안테나 설계가 있지만, 많은 안테나는 공진성으로 분류되어 특정 주파수를 중심으로 설계에 따라 성능을 발휘한다. 이는 특히 하나의 주파수 또는 좁은 주파수 대역에 국한된 방송국과 통신 시스템에 적용된다. 여기에는 쌍극형 및 단극형 안테나와 이를 기반으로 한 모든 설계(Yagi, 쌍극형 또는 단극형 배열, 접힌 쌍극형 등)가 포함된다. 설계 주파수에서 멀어지는 빔 안테나의 지시적 이득 외에도 안테나 공급 지점 임피던스는 주파수 오프셋에 매우 민감하다. 특히 전송을 위해 안테나는 공명 주파수로 작동하도록 되어 있는 경우가 많다. 공진 주파수에서, 정의에 따르면, 임피던스는 송신기(또는 수신기)의 출력(또는 입력) 임피던스와 전송선의 특성 임피던스와 일치하는 순수한 저항이다. 공명 주파수에서 떨어진 주파수에서 임피던스는 일부 리액턴스(용도 또는 인덕턴스)를 포함한다. 안테나 튜너를 사용하여 해당 리액턴스를 취소할 수 있지만(그리고 변속기 라인과 일치하도록 저항을 변경할 수 있음), 이는 추가 합병증(그리고 전송 라인의 안테나 쪽에서 제어해야 함)으로 방지되는 경우가 많다.

단극 안테나에서 공명 조건은 소자가 1/4 파장 velength/4의 홀수 배수가 되는 것이다. 쌍극 안테나에서 두 구동 도체는 모두 길이가 그렇게 길어야 하며, 총 쌍극자 길이는 (2N+1)³/2이어야 한다.

일반적으로 안테나 원소의 전기적 길이는 물리적 길이와^{[better source needed]} 다르다. 예를^[5]^[6] 들어 도체의 지름이나 가까운 금속 물체의 존재를 증가시키면 원소의 파동 속도가 감소하여 전기적 길이가 증가한다.^[7]^[8]

공명 길이보다 짧은 안테나는 "전기적으로 짧은"^[9] 것으로 설명되며 용량성 리액턴스를 나타낸다. 마찬가지로 공명 길이보다 긴 안테나는 "전기적으로 긴" 안테나로 설명되며 유도 리액턴스를 나타낸다.

부하에 의한 전기 길이 변경

차량 지붕에 장착된 휴대폰 안테나에 코일 장착 코일은 안테나가 1/4 파장보다 짧고 여전히 공명할 수 있도록 한다.

안테나의 유효 전기 길이는 그것과 직렬로 리액턴스(인덕턴스 또는 캐패시턴스)를 추가함으로써 물리적인 길이를 변경하지 않고도 변경할 수 있다.^[10] 이것을 덩어리 임피던스 매칭 또는 로딩이라고 한다.

예를 들어 한쪽 끝에서 공급되는 금속 막대와 같은 단극 안테나는 전기 길이가 사용되는 주파수의 1/4 파장 //4일 때 공명한다. 안테나가 1/4 파장보다 짧은 경우, 공급 지점 임피던스는 용량성 리액턴스를 포함할 것이다. 이는 임피던스의 저항성 성분이 정확하더라도 송신기 또는 수신기에 반사 및 불일치를 야기한다. 용량성 리액턴스를 취소하기 위해 공급선과 안테나 단자 사이에 로딩 코일이라는 인덕턴스를 삽입한다. 안테나 단자에서 볼 수 있는 (음극) 정전 리액턴스와 동일한 리액턴스를 가진 인덕턴스를 선택하면 그 캐패시턴스와 안테나 시스템(안테나와 코일)이 다시 공명한다. 공급선은 순전히 저항성 임피던스를 본다. 이제 너무 짧았던 안테나가 공명하듯 나타나기 때문에, 부하 코일의 추가는 때때로 안테나를 "전기적으로 연장하는" 것으로 칭하기도 한다.

마찬가지로 monop/4보다 긴 단극 안테나(또는 암이 4/4보다 긴 쌍극자)의 피드포인트 임피던스에는 유도 리액턴스가 포함된다. 안테나와 직렬로 연결된 콘덴서는 이 리액턴스를 취소하여 공명할 수 있으며, 이를 "전기적으로 단축"이라고 할 수 있다.

유도 하중은 무전기와 자동차 단파 안테나 등 휴대용 라디오의 채찍 안테나 길이를 줄여 물리적 요건을 충족시키는 데 널리 사용된다.

원하는 높이일 수 있는 수직 안테나: 안테나가 작동하는 주파수의 약 1/2 파장 미만. 이러한 안테나는 송신 또는 수신 안테나로 작동할 수 있다.

이점

전기적 증가는 더 짧은 항공기의 건설을 가능하게 한다. 특히 VLF, 장파, 중파 송신기용 항공기에 적용된다. 그러한 전파의 길이는 수백 미터에서 수 킬로미터이기 때문에, 필요한 높이의 돛대 방사기는 경제적으로 실현될 수 없다. 무전기와 같은 휴대용 장치의 채찍 안테나에도 널리 사용되어 표준 1/4 파장보다 훨씬 짧은 안테나를 사용할 수 있다. 가장 널리 사용되는 예는 고무 오리 안테나다.

단점들

전기적 연장은 다른 위상 제어 조치를 취하지 않을 경우 안테나의 대역폭을 감소시킨다. 전기적으로 확장된 항공기는 등가의 전신 안테나보다 효율성이 낮다.

기술실현황

전기 연장의 실현에는 두 가지 가능성이 있다.

유도 코일을 항공기와 직렬로 전환
접지 측 캐패시터를 형성하는 공중 단부에서 루프 캐패시턴스라고 알려진 금속 표면의 스위칭

종종 두 척도가 결합된다. 직렬로 전환된 코일은 때때로 공중 구조 중간에 놓여야 한다. 베로뮌스터의 Blosenbergturm에 150m 높이로 설치된 오두막은 상부 타워 부분의 공급을 위해 연장 코일을 설치하는 그런 건축물이다(Blosenbergturm은 위에 고리 모양의 지붕 캐패시터를 추가했다).

적용

장파방송대역 이하의 주파수에서 동작하는 송신기의 송신 안테나는 항상 전기적 연장이 적용된다. 장파방송의 방송용 항공기는 이를 자주 응용한다. 단, NDB의 전송 항공기는 복사 파장의 1/4보다 상당히 낮은 높이를 가진 안테나를 사용하기 때문에 광범위하게 적용된다.

왼쪽에는 실험적으로 얻은 로그 압시사 좌표에 대한 데이터에서 플롯된 특성이 있다. 오른쪽에는 션트 튜닝 회로의 잘 알려진 작동에 따라 두 지점 사이에 유효 인덕턴스가 증가된 안테나가 공진에서 다소 벗어난 상태로 조정되었다.

참고 항목

참조

^ Ron Schmitt, Electronicutics는 [전자 리소스]를 설명했는데, 무선/RF, EMC 및 고속 전자 장치를 위한 핸드북이다. 8
^ Carr, Joseph J. (1997). Microwave & Wireless Communications Technology. Newnes. p. 51. ISBN 0750697075.
^ Amlaner, Charles J. Jr. (March 1979). "The design of antennas for use in radio telemetry". A Handbook on Biotelemetry and Radio Tracking: Proceedings of an International Conference on Telemetry and Radio Tracking in Biology and Medicine, Oxford, 20–22 March 1979. Elsevier. p. 260. ISBN 9781483189314. Retrieved 23 November 2013.
^ Weik, Martin (1997). Fiber Optics Standard Dictionary. Springer Science & Business Media. p. 270. ISBN 0412122413.
^ "Electrical length". Federal Standard 1037C, Glossary of Telecommunication Terms. National Telecommunications & Information Admin., Dept. of Commerce, US Government. 1996. Retrieved November 23, 2014. 외부 링크 위치 publisher= (도움말)
^ Helfrick, Albert D. (2012). Electrical Spectrum & Network Analyzers: A Practical Approach. Academic Press. p. 192. ISBN 978-0080918679.
^ Lewis, Geoff (2013). Newnes Communications Technology Handbook. Elsevier. p. 46. ISBN 978-1483101026.
^ Carr, Joseph J. (Sep 11, 2001). Antenna Toolkit. 53: (Oxford:Boston:)Newnes. p. 288. ISBN 9780080493886.CS1 maint: 위치(링크)
^ Sliusar V. I. 60년 전기 소형 안테나 이론./// 2007년 9월 17-21일 우크라이나 세바스토폴 국제 안테나 이론 및 기법에 관한 제6차 국제 회의의 진행. - 페이지 116 - 118. [1]
^ Howard, R. Stephen; Vaughan, Harvey D. (September 1998). NEETS (Navy Electricity and Electronics Training Series) Module 10—Introduction to Wave Propagation, Transmission Lines, and Antennas (NAVEDTRA 14182) (PDF). Naval Education and Training Center, US Navy. pp. 4.17–4.18.

Terman, Frederick Emmons (1943). Radio Engineer's Handbook. McGraw-Hill. p. 773.
Kraus, John D (1988). Antennas (PDF) (2 ed.). McGraw-Hill. p. 413. ISBN 0-07-035422-7.
Balanis, Constatine A. (1997). Antenna Theory. John Wiley & Sons. pp. 151. ISBN 0-471-59268-4.

추가 읽기

A. Nickle, 미국 특허 2,125,804, "안테나" (1934년 5월 25일, 1938년 8월 2일 발행)
윌리엄 W. 브라운, 미국 특허 2,059,186, "안테나 구조"(Filed, 1934년 5월 25일; 1936년 10월 27일 발행)
로버트 B. 돔, 미국 특허 2,101,674, "안테나" (1934년 5월 25일, 1937년 12월 7일 발행)
Sliffusar V. I. 60년 전기 소형 안테나 이론./// 2007년 9월 17-21일 우크라이나 세바스토폴에서 열린 제6차 안테나 이론 및 기법에 관한 국제 회의의 진행. - 116 - 118. [2]

[1] Ron Schmitt, Electronicutics는 [전자 리소스]를 설명했는데, 무선/RF, EMC 및 고속 전자 장치를 위한 핸드북이다. 8

[Carr-2] Carr, Joseph J. (1997). Microwave & Wireless Communications Technology. Newnes. p. 51. ISBN 0750697075.

[Amlaner-3] Amlaner, Charles J. Jr. (March 1979). "The design of antennas for use in radio telemetry". A Handbook on Biotelemetry and Radio Tracking: Proceedings of an International Conference on Telemetry and Radio Tracking in Biology and Medicine, Oxford, 20–22 March 1979. Elsevier. p. 260. ISBN 9781483189314. Retrieved 23 November 2013.

[Weik-4] Weik, Martin (1997). Fiber Optics Standard Dictionary. Springer Science & Business Media. p. 270. ISBN 0412122413.

[1037C-5] "Electrical length". Federal Standard 1037C, Glossary of Telecommunication Terms. National Telecommunications & Information Admin., Dept. of Commerce, US Government. 1996. Retrieved November 23, 2014. 외부 링크 위치 publisher= (도움말)

[Helfrick-6] Helfrick, Albert D. (2012). Electrical Spectrum & Network Analyzers: A Practical Approach. Academic Press. p. 192. ISBN 978-0080918679.

[Lewis-7] Lewis, Geoff (2013). Newnes Communications Technology Handbook. Elsevier. p. 46. ISBN 978-1483101026.

[Carr,_Joseph_J.-8] Carr, Joseph J. (Sep 11, 2001). Antenna Toolkit. 53: (Oxford:Boston:)Newnes. p. 288. ISBN 9780080493886.CS1 maint: 위치(링크)

[IEEE-9] Sliusar V. I. 60년 전기 소형 안테나 이론./// 2007년 9월 17-21일 우크라이나 세바스토폴 국제 안테나 이론 및 기법에 관한 제6차 국제 회의의 진행. - 페이지 116 - 118. [1]

[NEETS-10] Howard, R. Stephen; Vaughan, Harvey D. (September 1998). NEETS (Navy Electricity and Electronics Training Series) Module 10—Introduction to Wave Propagation, Transmission Lines, and Antennas (NAVEDTRA 14182) (PDF). Naval Education and Training Center, US Navy. pp. 4.17–4.18.

[1]

[2]

[3]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

Search