在第二期的特性阻抗講解中，我們提到了傳輸線路。雖然將傳輸線比作水路，但它究竟是通過什么原理傳輸信號和電力的呢?

本次將通俗易懂地向您解釋“信號在傳輸線路上的傳播機(jī)制”。

用特性阻抗的單位表示電壓與電流的比

與阻抗和電阻相同，特性阻抗的單位也采用“Ω”來表示，意為電壓與電流的比值。但其與普通阻抗的區(qū)別在于：其比值是當(dāng)線路末端接入等效阻抗電阻時(shí)電壓與電流的比值。換言之，特性阻抗反映的是未發(fā)生反射時(shí)的電壓與電流的比值。而普通阻抗的電壓電流比值會因末端條件不同而變化，且包含反射波的影響

傳輸線路由電容和線圈構(gòu)成

另一個(gè)重要點(diǎn)在于，傳輸線路可視為由等效電容和電感構(gòu)成，如以圖1中的同軸電纜為例，其結(jié)構(gòu)為中心導(dǎo)體周圍包裹著絕緣層，其外部再包裹導(dǎo)體層。

圖1 電纜所具有的電容與電感

因此，當(dāng)向該電纜施加電壓以傳輸電信號時(shí)，中心導(dǎo)體與外部導(dǎo)體之間會導(dǎo)致電荷聚集形成電容進(jìn)而產(chǎn)生電場。與此同時(shí)，流經(jīng)中心導(dǎo)體和外部導(dǎo)體的電流會產(chǎn)生磁場，因此中心導(dǎo)體和外部導(dǎo)體可視為具有等效線圈。注1) 也就是說，同軸電纜和微帶線等傳輸線路可視為由電容和線圈構(gòu)成。由于傳輸線路由電容和線圈構(gòu)成，即使通入交流電流也不會消耗電能，就能像水道一樣傳輸信號和電力。注2)

傳輸線路上信號的傳播方式

為了簡化說明，我們在這里考慮一種不存在導(dǎo)體電阻和介質(zhì)損耗的理想傳輸線路。圖2對傳輸線路用電容和電感進(jìn)行了示意性標(biāo)示。傳輸線連接了一個(gè)產(chǎn)生振幅為[V]、頻率為f[Hz]的正弦波電壓的電壓源。下面依次說明信號在傳輸線路上的傳播過程。

步驟1.初始狀態(tài)下電容和線圈的能量為零

圖2表示初始狀態(tài)，電容的電荷(電場勢能)與線圈的磁場勢能均為零。交流電從電壓源流向電容和線圈，但線圈兩端因存在電位差

[V]而最初不通電。另一方面，電容還處于未充電狀態(tài)且電位差為零，因此會流過較大電流，電荷被供給至電容。

圖2 傳輸線上的電流與電壓(初始狀態(tài))

交流電使電容內(nèi)部積聚電荷，電容兩端電壓上升，電流減小。另一方面，電流逐漸流過線圈，磁場能量被儲存，線圈兩端電壓也隨之降低。流過線圈的電流將為下一個(gè)電容器充電。(參見圖3)

圖3 傳輸線路上的電容、線圈中儲存的能量

Step3.在向電容、線圈連續(xù)儲能的同時(shí)傳輸信號

當(dāng)電容的容量達(dá)到極限時(shí)，電荷(電場能量)便被完全儲存，此時(shí)電容器電壓達(dá)到

[V]，電流停止流動。另一方面，線圈根據(jù)電感值將磁場能量儲存在空間中，兩端電位差歸零，電流無阻礙地流動。此時(shí)如圖4所示。流經(jīng)線圈的電流用于給下一個(gè)電容充電，電容與線圈在傳輸線路中交替儲存電場與磁場能量，形成循環(huán)。

圖4 電容、線圈中儲存能量

本期總結(jié)

有關(guān)傳輸線路的內(nèi)容總結(jié)如下：

1.傳輸線路由中心導(dǎo)體與外部導(dǎo)體之間形成的電容，以及導(dǎo)體本身的線圈組成。

2.傳輸線路的電氣特性通過特性阻抗表示，單位為“Ω”。

3.特性阻抗是將傳輸線路以等值電阻接入線路末端時(shí)觀測到的電壓與電阻之比。

4.傳輸線路通過電容與電感器件，在儲存電場及磁場能量的同時(shí)傳輸信號。

5.傳輸線路的電容與電感對流過電流與兩端電壓的關(guān)系呈現(xiàn)反比關(guān)系。

本期我們詳細(xì)介紹了在傳輸線路上電壓和電流如何進(jìn)行傳輸。

我們將在第四期介紹特性阻抗的測量方法。

注1.中心導(dǎo)體與外部導(dǎo)體各自具有自感和互感，但當(dāng)將電纜視為傳輸線路時(shí)，由于跟電流方向相反，因此將這些電感合并為環(huán)路電感，如下所示： 其中L?為中心導(dǎo)體的自感，L?為外部導(dǎo)體的自感，則表示中心導(dǎo)體與外部導(dǎo)體之間的互感。

注2.實(shí)際傳輸線路的導(dǎo)體含有微量電阻，絕緣層也會有微量交流電通過，因此也具有導(dǎo)電性。