Unsymmetrische Linie - Wikipedia

Dieser Artikel befasst sich mit der elektrischen Übertragungsleitung. Für die Offensivlinie des amerikanischen Fußballs siehe Glossar des amerikanischen Fußballs. Für dreiphasige elektrische Stromleitungen, die unsymmetrische Ströme führen, siehe Dreiphasige elektrische Leistung # Unausgeglichene Lasten.

In der Elektrotechnik ist eine unsymmetrische Leitung eine Übertragungsleitung, oft Koaxialkabel, deren Leiter ungleiche Impedanzen haben in Bezug auf den Boden; im Gegensatz zu einer ausgeglichenen Linie. Mikrostreifen- und Einzeldrahtleitungen sind auch unsymmetrische Leitungen.

Allgemeine Beschreibung [ edit ]

Jede Leitung, die eine andere Impedanz des Rückweges hat, kann als unsymmetrische Leitung betrachtet werden. Unsymmetrische Leitungen bestehen jedoch normalerweise aus einem Leiter, der als Signalleitung betrachtet wird, und einem anderen Leiter, der geerdet ist oder an sich liegt. Der Erdleiter hat oft die Form einer Erdungsebene oder der Abschirmung eines Kabels. Der Masseleiter kann mehreren unabhängigen Schaltungen gemeinsam sein. Aus diesem Grund kann der Erdleiter als common bezeichnet werden.

Telegraphenleitungen [ edit ]

Die früheste Verwendung von unsymmetrischen Übertragungsleitungen war die Kommunikation mit elektrischen Telegrafen. Diese bestanden aus einzelnen Drähten, die zwischen den Polen aufgereiht waren. Der Rückweg für den Strom wurde ursprünglich von einem separaten Leiter bereitgestellt. Einige frühe Telegraphensysteme, wie etwa Schillings experimenteller Nadeltelegraph (1832) und der Cooke & Wheatstone-Fünfnadel-Telegraph (1837), die von britischen Eisenbahnen verwendet wurden, erforderten mehrere Codeleitungen. Sie waren im Wesentlichen parallele Buscodierung. In diesen Systemen waren die Kosten für den Rückleiter nicht so hoch (ein Leiter von sieben für den frühesten Schilling-Nadeltelegraphen ^[1] und ein Leiter von sechs für den Telegrafen von Cooke und Wheatstone ^[2]), aber die Anzahl der Kodierleiter wurde schrittweise reduziert mit verbesserten Systemen. Bald war nur eine Codierleitung erforderlich, und die Daten wurden seriell übertragen. Wichtige Beispiele für diese Einzeldraht-Systeme waren der Morse-Telegraph (1837) und der Cooke & Wheatstone-Einzelnadel-Telegraph (1843). In solchen Systemen beliefen sich die Kosten eines Rückführers auf 50 Prozent der Kabelkosten. Es wurde entdeckt, dass ein Rückleiter mit Erdspitzen durch einen Rückweg durch die Erde ersetzt werden kann. Die Verwendung der Erdrückführung war eine erhebliche Kostenersparnis und wurde schnell zur Norm.

Unterirdische Telegraphenkabel in großen Gebäuden oder zwischen Stationen mussten häufig mehrere unabhängige Telegraphenleitungen tragen. Diese Kabel hatten die Form von mehreren isolierten Leitern, die von einem Metallschirm und einem gesamten Schutzmantel umgeben waren. In solchen Kabeln kann der Schirm als Rückleiter verwendet werden. Unterwasser-Telegraphenkabel waren normalerweise ein einzelner Leiter, der durch eine Stahldrahtbewehrung geschützt wurde, effektiv ein Koaxialkabel. Das erste Transatlantikkabel dieser Art wurde 1866 fertiggestellt.

Frühe Telefonleitungen (Telefon 1876 erfunden) verwendeten dasselbe Übertragungsleitungsschema wie der Telegraph von unsymmetrischen Einzeldrähten. Die Telefonkommunikation begann jedoch nach der weit verbreiteten Einführung elektrischer Leitungen zu leiden. Die Telefonübertragung begann mit symmetrischen Leitungen, um dieses Problem zu bekämpfen, und die moderne Norm für die Telefonpräsentation ist das symmetrische Twisted-Pair-Kabel.

Koaxialleitungen [ edit ]

Eine Koaxialleitung (Koax) weist einen zentralen Signalleiter auf, der von einem zylindrischen Abschirmleiter umgeben ist. Der Schirmleiter ist normalerweise geerdet. Das koaxiale Format wurde während des Zweiten Weltkriegs für die Verwendung in Radar entwickelt. Es wurde ursprünglich aus starren Kupferrohren gebaut, heutzutage ist es jedoch üblich, ein flexibles Kabel mit einem geflochtenen Schirm zu verwenden. Die Vorteile von Koax sind ein theoretisch perfekter elektrostatischer Bildschirm und hochvorhersehbare Übertragungsparameter. Letzteres ist eine Folge der festen Geometrie des Formats, die zu einer Genauigkeit führt, die bei losen Drähten nicht gefunden wird. Offene Kabelsysteme werden auch durch nahegelegene Objekte beeinflusst, die das Feldmuster um den Leiter herum verändern. Coax leidet nicht darunter, da das Feld aufgrund des umgebenden Bildschirms vollständig im Kabel enthalten ist.

Koaxialleitungen sind die Norm für Verbindungen zwischen Funksendern und ihren Antennen, für die Verbindung von elektronischen Geräten, an denen Hochfrequenz oder höher beteiligt ist, und wurden früher häufig zum Bilden lokaler Netzwerke verwendet, bevor Twisted Pair für diesen Zweck populär wurde.

Triaxiales Kabel (Triax) ist eine Variante von Koax mit einem zweiten Abschirmleiter, der den ersten mit einer dazwischen liegenden Isolierschicht umgibt. Neben der zusätzlichen Abschirmung können die Außenleiter auch für andere Zwecke verwendet werden, z. B. für die Stromversorgung von Geräten oder Steuersignale. Triax wird häufig für den Anschluss von Kameras in Fernsehstudios verwendet.

Planare Technologien [ edit ]

Parallel gekoppelte Mikrostrip-Übertragungsleitungen. Das Design bildet ein Bandpassfilter

Übertragungsleitungen mit planarem Format sind flache Leiter, die durch eine Reihe von Techniken auf einem Substrat hergestellt werden. Sie sind fast immer ein unausgewogenes Format. Bei den niedrigen Übertragungsgeschwindigkeiten des frühen Telegraphen war es nur erforderlich, die Übertragungsleitungstheorie für ein Schaltungsdesign zu berücksichtigen, wenn die Übertragung über viele Kilometer war. In ähnlicher Weise sind die Audiofrequenzen, die von Telefonen verwendet werden, relativ niedrig, und die Theorie der Übertragungsleitungen wird nur für Entfernungen von mindestens zwischen Gebäuden signifikant. Bei höheren Funkfrequenzen und Mikrowellenfrequenzen können Überlegungen zur Übertragungsleitung jedoch wichtig werden innerhalb eines Geräts, nur eine Frage von Zentimetern. Bei den sehr hohen Datenraten, die von modernen Computerprozessoren verarbeitet werden, können Überlegungen zur Übertragungsleitung sogar innerhalb einer einzelnen integrierten Schaltung wichtig sein. Planare Technologien wurden für diese Art von kleinen Anwendungen entwickelt und sind für Fernübertragungen nicht besonders geeignet.

Streifenleitung

Streifenleitung ist ein flacher Leiter mit einer Masseebene sowohl oberhalb als auch unterhalb des Leiters. Die Variante der Streifenleitung, bei der der Raum zwischen den beiden Masseebenen vollständig mit einem dielektrischen Material gefüllt ist, wird manchmal als -Triplate bezeichnet. Eine Streifenleitung kann durch Ätzen des Übertragungsleitungsmusters auf eine Leiterplatte hergestellt werden. Die Unterseite dieser Platine ist vollständig mit Kupfer bedeckt und bildet die untere Masseebene. Eine zweite Platte wird auf die erste geklemmt. Diese zweite Platine hat kein Muster auf der Unterseite und schlichtes Kupfer auf der Oberseite, um die obere Masseebene zu bilden. Ein Blatt Kupferfolie kann um die beiden Platinen gewickelt werden, um die beiden Masseebenen elektrisch fest miteinander zu verbinden. Auf der anderen Seite werden Streifenleitungen für Hochleistungsanwendungen, wie beispielsweise Radar, wahrscheinlicher als massive Metallstreifen mit periodischen dielektrischen Trägern, im Wesentlichen Luftdielektrikum, hergestellt.

Microstrip

Microstrip ähnelt einer Streifenleitung, ist aber oberhalb des Leiters offen. Es gibt kein Dielektrikum oder Massefläche über der Übertragungsleitung, es gibt nur Dielektrikum und eine Massefläche unter der Leitung. Mikrostreifen ist ein weit verbreitetes Format, insbesondere bei inländischen Produkten, da Mikrostreifenbauteile unter Verwendung der etablierten Herstellungstechniken von Leiterplatten hergestellt werden können. Konstrukteure können somit diskrete Komponentenschaltungen mit Mikrostreifen-Komponenten mischen. Da die Platine ohnehin hergestellt werden muss, haben die Mikrostreifenbauteile außerdem keine zusätzlichen Herstellungskosten. Für Anwendungen, bei denen die Leistung wichtiger ist als die Kosten, könnte anstelle einer gedruckten Schaltung ein Keramiksubstrat verwendet werden. Mikrostreifen hat gegenüber der Streifenleitung einen weiteren kleinen Vorteil; Die Leiterbreiten sind bei gleicher Impedanz im Mikrostreifen breiter. Daher sind Fertigungstoleranzen und Mindestbreiten bei Leitungen mit hoher Impedanz weniger kritisch. Ein Nachteil von Mikrostreifen ist, dass der Übertragungsmodus nicht vollständig transversal ist. Streng genommen gilt die Analyse der Standardübertragungsleitung nicht, da andere Modi vorhanden sind, sie kann jedoch eine nützliche Annäherung sein.

Integrierte Schaltkreise

Verbindungen in integrierten Schaltkreisen sind normalerweise planar, so dass planare Übertragungsleitungen eine natürliche Wahl sind, wenn diese benötigt werden. Der Bedarf an Übertragungsleitungen wird am häufigsten in integrierten Mikrowellenschaltungen (MICs) gefunden. Es gibt eine Vielzahl von Materialien und Techniken, die zur Herstellung von MICs verwendet werden, und Übertragungsleitungen können in jeder dieser Technologien gebildet werden.

Planare Übertragungsleitungen werden weit mehr als nur das Verbinden von Komponenten oder Einheiten miteinander verwendet. Sie können selbst als Komponenten und Einheiten verwendet werden. Jedes Übertragungsleitungsformat kann auf diese Weise verwendet werden, aber für die planaren Formate ist dies häufig der Hauptzweck. Typische Schaltungsblöcke, die von Übertragungsleitungen implementiert werden, umfassen Filter, Richtungskoppler und Leistungsteiler sowie Impedanzanpassung. Bei Mikrowellenfrequenzen müssen diskrete Komponenten unpraktisch klein sein, und eine Übertragungsleitungslösung ist die einzig mögliche. Andererseits müssen Übertragungsleitungsvorrichtungen bei niedrigen Frequenzen, wie beispielsweise Audioanwendungen, unpraktisch groß sein.

Kraftübertragung [ edit ]

Die Verteilung elektrischer Energie erfolgt normalerweise in Form einer symmetrischen Dreiphasenübertragung. An einigen abgelegenen Orten, an denen eine relativ geringe Energiemenge erforderlich ist, kann ein Erdungsrückführungssystem mit einem Draht verwendet werden.

Referenzen [ edit ]

1. ^ Huurdeman, p. 54
2. ^ Huurdeman, p. 67

Bibliographie [ edit ]

• Huurdeman, Anton A., Die weltweite Geschichte der Telekommunikation John Wiley & Sons, 2003 ISBN 0471205052.
• Curran, JE; Jeanes, R .; Sewell, H, "Eine Technologie für hybride Dünnfilm-Mikrowellenkreise", IEEE-Transaktionen an Bauteilen, Hybriden und Verpackungen vol. 12, iss. 4, Dezember 1976.