Chapter 7: Transmission Line 87-1 Transmission Line: Some history 《 Principles of Circuit Analysis》 57-3 Uniform Lossless Tra n Line(key points) Chapter 7: Uniform Lossless Transmission Line atural impedance, transmission constant Chain Network and Transmission Line) Lecture 3 incident wave, reflected wave, i (ectance 2009.12.08 terminal: open, short, matching// Properties of wave 57-4 step response of transmission line Time-domain Chain circuit- Transmission Line-Uniform transmite lines Uniform lossless transmission line GB V(z)=V chkx ZcshkxYV v2=Z1工2 EI(z)=e ansferconstan r1( Z- shox chkx人工2 jB The velocity of wave √R+joL)(G+joC) Z,chkx +zcshkx 正zctg n transmission line: Definition 2: natural impedance ZLshkx+Zcchkx jZ, tgBx+Zc V=【(21+2)ev2+(21-2ev2/22 L B VLC 2c=- 工=[(z1+z)e12-(2-z2)e-1/2z Zin changes along the transmission line by half wavelength. V and I change along the transmission line by one wavelength Uniform lossless transmission line: reflection on the lins Uniform lossless transmission line: reflectance reflection/in Absorption cident ya Transmissin V1 k, Ze K Z k Z v(t)o V=【(2+2)ev2+(z1-2evl/22 d wave reflected w 工=[(21+2)e12-(z-z)e-rl/2z reflected wave voltage reflection coeffi Voltage/current reflection coefficient: (o)= p√(o)e p,(x) p(x)p、(x)s incident wave lev(x)z -ze im=p, (0)e za
北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 第 ?讲: 复习 北京大学 北京大学 《Principles of Circuit Analysis》 Chapter 7: Uniform Lossless Transmission Line (Chain Network and Transmission Line) Lecture 3 2009.12.08 Interest Focus Persistence Originality 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 §7-1 Transmission Line: Some history §7-2 Chain Network and Transmission Line (conceptions) §7-3 Uniform Lossless Transmission Line (key points) (key points) natural impedance, transmission constant incident wave, reflected wave, reflectance terminal: open, short, matching §7-4 step response of transmission line Chapter 7: Transmission Line Properties of wave along the line Time-domain response 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Z Assuming R,G,L,C are the parameters of unit length *** -kZ kZ -kZ kZ e Z V e Z V I(z) V(z) V e V e + + − + − + = − = + C C (R j L)(G j C) k α jβ = + ω + ω = + attenuation constant Phase constant 2 Definition of wavelength : π λ β = Review 1 v ω β = = LC The velocity of wave in transmission line: Chain circuit → Transmission Line →Uniform transmission line Wavelength: The unit length of wave which is transmits on the transmission line. Definition 1: transfer constant G j C R j L - I V I V ZC ω ω + + = = = − − + + Definition 2: natural impedance 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 V2 = ZLI2 kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZL Zin ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ =⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − 2 2 1 C C 1 1 I V Z shkx chkx chkx Z shkx I V *** k = jβ Uniform lossless transmission line x - + V1 - + V2 I1 I2 k, Zc ZL Zin x 0 L C L C C L C L C C 1 1 in jZ tg x Z Z jZ tg x Z Z shkx Z chkx Z chkx Z shkx Z I V Z + + = + + = = β β Zin changes along the transmission line by half wavelength. V and I change along the transmission line by one wavelength k = jβ 2 c j x 2 L c j x 1 L c 2 L j x 2 L c j x 1 L c I [(Z Z )e I (Z -Z )e I ]/2Z V [(Z Z )e V (Z -Z )e V ]/2Z β β β β − − = + − = + + Review 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Uniform lossless transmission line: reflection on the line *** ZL x x k ZC k ZC x k ZC k ZC x V(t)+ - incident wave reflected wave incident wave reflected wave absorption Transmissive wave incident wave reflected wave Transmissive wave incident wave reflected wave Voltage/current reflection coefficient: reflected wave incident wave ρV I (x) = =−ρ (x) Review ρV(x) ≤1 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZL Zin *** x - + V1 - + V2 I1 I2 k, Zc ZL Zin x 0 2 c j x 2 L c j x 1 L c 2 L j x 2 L c j x 1 L c I [(Z Z )e I (Z -Z )e I ]/2Z V [(Z Z )e V (Z -Z )e V ]/2Z β β β β − − = + − = + + φ β β − = = + − = = + L C j V V L C L C -j2x -j2 x V V L C Z Z ρ (0) ρ (0) e Z Z Z Z ρ (X) e ρ (0)e Z Z voltage reflection coefficient: Uniform lossless transmission line: reflectance = reflection/incidence incident wave reflected wave Review
Z1+正2ctg I1亿t+zc Zc V=[(21+2zeV2+(21-2)ev2/2 sp,(o) I=[(z1+z)eI2-(z1-z)e2]/2z v=[(z1+z)ev2+(21-z)ev2/22 I1=[(ZL+z)e-I2-(Z1-z)e-L2]/22 =47[1+p,(x)JV, e=2z [1+p,(O)e 2m,elea Terminal matched: Z=2(0)=02m=2 工1=2+21-p(x)em=221-p(o)e1em Terminal open:Z=0P.(O)=1ZN=-jzcctgpx ion line: terminal open, short, matche Zc ZL=Zc Z:=Zc zz1[2=2 nt along the(x),v(x片 v1=【(z+ze-v+(z-z)e-v2/2 I1=[(z1+z2)e-2-(21-z)e-r2J/22 Signals at any point along the / (t), v(t) No reflected condition: incident was Z=2 Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched pplication example of uniform lossless transmission line AN impedance converter Introducing a x/4 transmission Z≠zc 2[=x=e2 Zi=Zc2 2+2a1gx4_22 ZL jz,tg e Z 2, -zcz+/ matched. we need z1+ct众 迈t+z
北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZL Zin *** x - + V1 - + V2 I1 I2 k, Zc ZL Zin x 0 2 c j x 2 L c j x 1 L c 2 L j x 2 L c j x 1 L c I [(Z Z )e I (Z -Z )e I ]/2Z V [(Z Z )e V (Z -Z )e V ]/2Z β β β β − − = + − = + + β β β β ββ + + + + LC LC j x -j2 x j x 1 V2 V 2 L L LC LC j x -j2 x j x 1 V2 V 2 c c ZZ ZZ V = [1+ρ (x)]V e = [1+ρ (0)e ]V e 2Z 2Z ZZ ZZ I = [1-ρ (x)]I e = [1-ρ (0)e ]I e 2Z 2Z Uniform lossless transmission line: reflectance = reflection/incidenceReview 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZL ZiN *** -j2 x -j2 x C L C L C C 1 1 iN 1- (0)e 1 (0)e Z jZ tg x Z Z jZ tg x Z I V Z β β ρ ρ β β v + v = + + = = = ∞ = = L L L C Z Z 0 Z Z ρ (0) 1 ρ (0) -1 ρ (0) 0 V V V = = = + = + − = V V Z Z Z Z ρ (0) - L C L C V Z -jZ ctg x Z jZ tg x Z Z iN C iN C iN C β β = = = Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched Terminal matched: Terminal short: Terminal open: 2 c j x 2 L c j x 1 L c 2 L j x 2 L c j x 1 L c I [(Z Z )e I (Z -Z )e I ]/2Z V [(Z Z )e V (Z -Z )e V ]/2Z β β β β − − = + − = + + 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 2 c j x 2 L c j x 1 L c 2 L j x 2 L c j x 1 L c I [(Z Z )e I (Z -Z )e I ]/2Z V [(Z Z )e V (Z -Z )e V ]/2Z β β β β − − = + − = + + kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZC Zi =Zc *** Zc k ZC Zi x Zi Zi =ZC Zc k ZC x incident wave incident wave No reflected wave No reflected condition: Zi =ZC=ZL Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 x 稳态:电压和电流 0 V(x) I(x) kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZC ZL = ZC k ZC x *** x β I(x), V(x) β = = j x 1 2 j x 1 2 V eV I eI t I(t), V(t) Signals at any point along the line Æ Signals at any point along the line at any timeÆ Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched Voltage and current 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Zc k ZC Zi x Zi Zi =ZC Zc k ZC Zi x Zi Zi =ZC β β = = j x 1 2 j x 1 2 V eV I eI e.g.: =ZC2 =ZC2 ZC1 ZC2 ZC2 Zi 3λ+ λ/2 =? l L C L C i C jZ tg x Z Z jZ tg x Z Z + + = β β Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 ZC1 ZL≠ ZC1 L 2 C2 C2 L L C2 i C2 Z Z 4 λ λ 2 Z jZ tg 4 λ λ 2 Z jZ tg Z Z = + + = π π Introducing a λ/4 transmission line between the two ZC1 ZC2 ZL Zi For impedance matched, we need: ZC2 = ZC1ZL Application example of uniform lossless transmission line: λ/4 impedance converter L C L C i C jZ tg x Z Z jZ tg x Z Z + + = β β
niform lossless transmission line: terminal open, short. matched Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched V1=Z Z1+jzctg I, jZ,tgex+Zc k Zc V(O): max 1+p,(0)e 记2 I(O): min 1-P,(O)- j2A v(t) V=[(1+z)eV2+(Z-2)eiv2/22 I(t) I1=[(Z+z)eI2-(Z1-z)e2]/2z Zc m20P0=12=如 V=V+V=2V p√(o)= Terminal open:z,=p,(0)=1ZN-jz-ctgBx =1=p(O)上 I+I=0 Uniform lossless tr Using the standing- wavelength and z, V,(x)=cosBxV I,(x)=jsinpxV, /Z Zi=-jzcctgpx 图7.3矩形波导 Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matche Z._. Z+jzctgax I,jz,tgAx+Z 1+只,(0)e2 ZL=O p(0)= v+V=0 p√(0)= V=[(1+2)ev2+(z1-z2ev/2z 1=p(O)r=.+x=2 I1=[(z1+z)e-I2-(z1-ze2J/22 I(t) v(t) Terminal matched: Terminal short:z=0 BP,(O)=-1zN-jztgBx II(xI Aav. vA rermimatopeH:z=ooI lpv(o)=1IZN=-jZcctgpx
北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZL ZiN *** -j2 x -j2 x C L C L C C 1 1 iN 1- (0)e 1 (0)e Z jZ tg x Z Z jZ tg x Z I V Z β β ρ ρ β β v + v = + + = = = ∞ = = L L L C Z Z 0 Z Z ρ (0) 1 ρ (0) -1 ρ (0) 0 V V V = = = + = + − = V V Z Z Z Z ρ (0) - L C L C V Z -jZ ctg x Z jZ tg x Z Z iN C iN C iN C β β = = = Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched Terminal matched: Terminal short: Terminal open: 2 c j x 2 L c j x 1 L c 2 L j x 2 L c j x 1 L c I [(Z Z )e I (Z -Z )e I ]/2Z V [(Z Z )e V (Z -Z )e V ]/2Z β β β β − − = + − = + + 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 k ZC x 1 ρ (0) Z Z Z Z V V ρ (0) I L C L C V = = − + − = = + − I I I 0 V V V 2V = + = = + = + − + − + V(0): max I(0): min t t V(t) I(t) *** incident wave Æ reflected wave Æ synthesis wave Æ Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Input impedance x 0 open short open short open short open capacitance inductance capacitance inductance capacitance inductance capacitance λ_ 4 λ_ 2 Z jZ ctg x Z i C L = − β → = ∞ x Standing-wave phenomenon of wave phenomenon of voltage and current 0 V(x) I(x) λ_ 4 λ_ 2 Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched 1 2 c 1 2 I (x) jsin xV Z V (x) cos xV β / β = = 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 slotted line probe Using the standingwave phenomenon to measure wavelength and ZL slotted line Using the standingwave phenomenon to measure wavelength and ZL Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZL ZiN *** -j2 x -j2 x C L C L C C 1 1 iN 1- (0)e 1 (0)e Z jZ tg x Z Z jZ tg x Z I V Z β β ρ ρ β β v + v = + + = = = ∞ = = L L L C Z Z 0 Z Z ρ (0) 1 ρ (0) -1 ρ (0) 0 V V V = = = + = + − = V V Z Z Z Z ρ (0) - L C L C V Z -jZ ctg x Z jZ tg x Z Z iN C iN C iN C β β = = = Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched Terminal matched: Terminal short: Terminal open: 2 c j x 2 L c j x 1 L c 2 L j x 2 L c j x 1 L c I [(Z Z )e I (Z -Z )e I ]/2Z V [(Z Z )e V (Z -Z )e V ]/2Z β β β β − − = + − = + + 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZL ZL =0 k ZC x *** V(0): min I(0): max 1 ρ (0) Z Z Z Z V V ρ (0) I L C L C V = − = − + − = = + − + − + + − = + = = + = I I I 2I V V V 0 x x t t I(t) V(t) Standing-wave phenomenon |I(x)| |V(x)| Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched
niform lossless transmission line: terminal open, short, matched Uniform lossless transt I open, short, matched ady state: Standing-wave phenomenon of voltage and curren k Zc I(x) Steady state; input impedance Zin = ZL=0 z1=24m f=600MHZ Zin 20.7589uH Shortest length?-?I =0.123m Application example of uniform lossless tral time delav impulse resnonse Tea break/ (od Vo(t=? Homework 7-7,10,12,14 Terminal open: P√(0)=1 TErminal shorted p(O)=-1 Yo(t) Uniform lossless transmission line step response of transmission lines transmission line(send the sine wave signal: √R+aLG+)ac V=(22)2(21+2)eV+(22)(-2)e k=jB=jONLCZ=L/c (2z)(2+2)e2-(22)2(z-z)e"工2 Ev-=(22)-(+2)2+(a2)(a1-z2)y (2)(z1+2)12(22)(z:)ex2 =jo√LCx=jo-=j alace transform solving tbe any response on the transmission line (send any signal): (22)(z1-z)e"v Laplace Transform: jo?S L 11771a (2c) 1-17-y)-rrh Jot→sr
北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 x 0 V(x) I(x) λ/2 λ/4 Steady state: input impedance x 0 open short open short open short inductance capacitance inductance capacitance inductance capacitance short inductance Z jZ tg x Z i C L = β → = 0 Steady state: Steady state: Standing-wave phenomenon of wave phenomenon of voltage and current Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 e.g.: ZL k ZC x λ/4 λ/4 λ/4 ZZin in =?=? =ZL =ZL Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched ZC=75 ohm x f=600MHz ZZin in ÆÆ0.7589uH 0.7589uH Shortest length?=? Shortest length?=? =0.123m =0.123m e.g.: 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Tea break! Tea break! Homework: 7-7,10,12,14 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Vi (t) ZC τ + - ρ (0) -1 ρ (0) 1 V V = Terminal open: = Terminal shorted: ZL=∞ e.g.: τ V+ V- 2τ 3τ V+ V- V0(t) …… Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response Analysis: V0(t)=? t t t Isn’t it interesting? Vi (t) A short pulse t 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Uniform lossless transmission line *** k = jβ = jω LC Uniform lossless transmission line: R=G=0, so: Zc = L/C (R j L)(G j C) k α jβ = + ω + ω = + G j C R j L - I V I V ZC ω ω + + = = = − − + + G j C R j L - I V I V ZC ω ω + + = = = − − + + x - + V1 - + V2 I1 I2 k, Zc kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 β ω ω jωτ v x j x = j LCx = j ⋅ = Complex method Laplace Transform: j Laplace Transform: jωωÆÆSS jωτ ⇒ sτ Known time delay Known length Definition 1: transfer constant Definition 2: natural impedance 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 step response of transmission lines *** Complex method → solving the sinusoidal steady-state response on the transmission line (send the sine wave signal): Laplace transform → solving the any response on the transmission line (send any signal): 2 j x L c -1 2 L j x L c -1 V1 (2ZL) (Z Z )e V (2Z ) (Z -Z )e V β − β = + + 2 x L c -1 2 C x L c -1 I1 (2ZC) (Z Z )e I - (2Z ) (Z -Z )e I jβ − jβ = + 2 j L c -1 2 L j L c -1 V1 (2Z L ) (Z Z )e V (2Z ) (Z - Z )e V ωτ − ωτ = + + L c 2 -1 L c 2 C -1 I1 (2Z C ) (Z Z )e I - (2Z ) (Z - Z )e I jωτ − jωτ = + L c 2 -1 L c 2 L -1 V1 (2Z L ) (Z Z )e V (2Z ) (Z - Z )e V sτ − sτ = + + L c 2 -1 L c 2 C -1 I1 (2Z C ) (Z Z )e I - (2Z ) (Z - Z )e I sτ − sτ = +
ep response of tra step response of transmission lines mission line(send the sine wave signal:state vtΦzckt或xUz 1+P(0)e jz, tgex+zc1-p (O)e" 2/ o(t)=? ,Laplace transform get the ope aplace transform" solving the any response on the transmission line(send any signal): Vi(so Ze St o(s)=? 1+(0)e2F 2 2. Get the time-domain representation of any respond sing Inverse Laplace Transfor Vo(t) Application example of uniform lossless transmission line: Application example of uniform lossless tral time delay impulse response time delay, impulse response. Vi(t) Zc t Vo(t)=? t zcτVo(t)=? is as Ise signa z It is a short pulse signal Z=O Solution 1: lution 2: (n=u(n-H(I-A) =(22)2(z+z)e"v2+(2z)”(z1-z)ev2l erminal Ererminal shorted (0)=-1 vo(t) Using a expansion formus: 1/(1+ae)=1+>(ae) pplication example of uniform lossless transmission line: Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response time delay, impulse response zτVo(t)=2 It is a sho Vi(t) zcτVo(t)=? It is a sh Solution 2,x=0-(-. v(D)=(D)-(-△) (1)=2a(t-r)-2n(t-3r) [1+∑(e-)1 v(t) v Vo(t V2()=2u(t-r)-2u(t-3r)+2u(t-5)-2a(t-7r)+2a(t-9r) vo(1)=V2(1)-v2(t-△)
北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 *** τ τ ρ ρ s V s V -2 -2 i C 1 (0)e 1 (0)e Z Z − + = ωτ ωτ β β ρ ρ ρ ρ β β -2j -2j -j2 x C -j2 x C L C L C i C 1 (0)e 1 (0)e Z 1 (0)e 1 (0)e Z jZ tg x Z Z jZ tg x Z Z V V V V − + = − + = + + = step response of transmission lines Complex method → solving the sinusoidal steady-state response on the transmission line (send the sine wave signal): Laplace transform → solving the any response on the transmission line (send any signal): 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 *** 1.Laplace transform → get the operational form of any response on the transmission line Vi (t) ZC k τ或x + - ZL V0(t)=? Vi (s) ZC sτ + - ZL V0(s)=? V0(t)=? step response of transmission lines 2. Get the time-domain representation of any response on the transmission line using Inverse Laplace Transform 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Vi (t) ZC τ It is a short pulse signal. + - ρ (0) -1 ρ (0) 1 V V = = ZL=∞ e.g.: τ V+ V- 2τ 3τ V+ V- Solution 1: V0(t)=? V0(t) …… τ Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response Terminal open: Terminal shorted: 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 ZC τ + - ZL=∞ V0(t)=? v t u t V s s v t u t u t i i i ( ) ( ) ( ) 1/ ( ) ( ) ( ) = → = = − − Δ L c 2 -1 L c 2 L -1 V1 (2Z L ) (Z Z )e V (2Z ) (Z - Z )e V sτ − sτ = + + V1 e V2 e V2 sτ − sτ = + 2 1 2 1 s(1 e ) 2e (e e ) 2V V 1 2 τ τ τ τ s s s s − 2 − − + = + = Using a expansion formula: ∑ ∞ = + = + k 1 x x k 1/(1 ae ) 1 (-ae ) Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response Vi (t) It is a short pulse signal. e.g.: Solution 2: 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 ZC τ + - ZL=∞ e.g.: V0(t)=? v t u t V s s v t u t u t i i i ( ) ( ) ( ) 1/ ( ) ( ) ( ) = → = = − − Δ [1 (-e ) ] s 2e s(1 e ) 2e (e e ) 2V V 1 k 2 ∑ ∞ = − − − − − = + + = + = 1 2 2 k s s s s s s τ τ τ τ τ τ ... 3 5 7 9 s 2e s 2e s 2e s 2e s 2e V2 − sτ − sτ − sτ − sτ − sτ = − + − + (t) = 2u (t − τ ) − 2u (t − 3τ ) + 2u (t − 5τ ) − 2u (t − 7τ ) + 2u (t − 9τ )... V2 Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response Vi (t) It is a short pulse signal. Solution 2: 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 ZC τ + - ZL=∞ V0(t)=? v t u t V s s v t u t u t i i i ( ) ( ) ( ) 1/ ( ) ( ) ( ) = → = = − − Δ 2 () 2 ( ) 2 ( 3 ) 2 ( 5 ) 2 ( 7 ) 2 ( 9 )... v t ut ut ut ut ut τ τ τ τ τ = −− − + −− −+ − τ V2(t) …… τ V2(t-∆) V0(t) …… τ Æ ( ) ( ) ( ) v 0 t = v 2 t − v 2 t − Δ Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response e.g.: Vi (t) It is a short pulse signal. Solution 2:
example of uniform lossless transmission li time delay, impulse response time delay, impulse response etermine the waveform of output signal Vo(t)(04G) zcτvo()= v(t) Z z=32 Solution 3: SoluboHoun t tal r=20us reflectance 即(Q口□ Vo(t) sorted:p Applieation example of uniform lossless transmission line Application example of uniform lossless tral time delay impulse response -time delay impulse response 300m, the natural impedance is 30022, the 'e velocity is3xlo°m/s L. Evaluate the voltage reflection coeff 2am即可(1AC出 deltae when the signals passes b the transmission line. esponse of the end terminals. 2. Evaluate the step response of the end terminals. i 3.Get the voltage waveform of the position within 0-5us, which is 75 m away 3. Get the voltage waveform of the position within 0-Sus, which is 75 m away from the end terminals v()=l(t)→V(s)=1/s v=(22)(z1+z)e P,(0)=2 Z∞-300 2(e z-z.0-300 )=+c==(-c+-”+)=5(rc Z+Z0+300 App datas. mampl r es aniserm Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response The length of transmission line is 1=300m, the natural impedance is 30042, the 图mpm=30 m, the natural impedance is 30002, the a. se reflection reflection coefficient of the end terminals(2-2)A0)and the Evaluate the voltage reflection coefficient of the end terminals(2-2)A(0)and the voltage reflection coefficient of input teminals(1-1)B/. Calculate th Evaluate the step response of the end terminals. 3. Get the voltage waveform of the position within0-SHs, which is 75 m away 39fromt age waveform of the position within 0-5us, which is 75 m away Solution: 2) (D)=()→F(s)=l1/1 (22)(z1+z)e zL)"(Z-Z)e""V 2()=2(-r)-u(-3r)+(-5r)+ 2x∑-1)au(-2kz-r) the voltage waveform of the position within 0-5p
北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 u(t) ZC τ + - ZL=∞ τ V+ V- 2τ 3τ V+ V0(t)=? t t V0(t) V- V+ V- Solution 3: Get the unit step response using the terminal’s reflectance Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response e.g.: ρ (0) -1 ρ (0) 1 V V = Terminal open: = Terminal shorted: 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Z C Z L =3Z C V (t) + - τ t V 0 (t) 10us 0 x=0 8 V x = l + - Solution 2: Determine the waveform of output signal Vo(t) (04G) ( ) 2 1 3 1 3 1 0 = + − = + − = L c L c v Z Z Z Z ρ 1 1 oc c v oc c ZZ Z ZZ Z ρ − − = = =− + τ = 20μs 2τ 4 -4 τ V+ V- 3τ V+ V- V0(t) …… τ 8 4 -4 -2 12 -6 3 t t Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 解:1) The length of transmission line is l = 300m, the natural impedance is 300Ω, the wave velocity is 3×108 m/s。 1.Evaluate the voltage reflection coefficient of the end terminals (2-2‘) ρv(0) and the voltage reflection coefficient of input terminals (1-1‘) ρv1. Calculate the time delay τ when the signals passes by the transmission line. 2.Evaluate the step response of the end terminals. 3.Get the voltage waveform of the position within 0 ~ 5μs, which is 75 m away from the end terminals. x l O u(t) + - 1' 2' 1 2 ( ) 1 300 300 0 = ∞ + ∞ − = + − = L c L c v Z Z Z Z ρ 1 0 300 1 0 300 o c v o c Z Z Z Z ρ − − = = =− + + ( )s v l τ 1 μ 3 10 300 8 = × = = Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 The length of transmission line is l = 300m, the natural impedance is 300Ω, the wave velocity is 3×108 m/s。 1.Evaluate the voltage reflection coefficient of the end terminals (2-2‘) ρv(0) and the voltage reflection coefficient of input terminals (1-1‘) ρv1. Calculate the time delay τ when the signals passes by the transmission line. 2.Evaluate the step response of the end terminals. 3.Get the voltage waveform of the position within 0 ~ 5μs, which is 75 m away from the end terminals. Solution: 2) x l O u(t) + - 1' 2' 1 2 ( ) ( ) ∑( ) +∞ = − − − − + − − = − + + = − + = 0 3 5 (2 1) 2 2 1 2 2 1 2 k s s s k s k s s e s e e e e s e s V s τ τ τ τ τ τ L v t u t V s s i i ( ) = ( ) → ( ) =1/ (e e ) 2 V V (2Z ) (Z Z )e V (2Z ) (Z - Z )e V 2 L c 2 -1 L c 2 L -1 1 L τ τ τ τ s s s s − − = + = + + v t u t V s s i i ( ) = ( ) → ( ) =1/ (e e ) 2 V V (2Z ) (Z Z )e V (2Z ) (Z - Z )e V 2 L c 2 -1 L c 2 L -1 1 L τ τ τ τ s s s s − − = + = + + Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 () ( ) ( ) ( ) [ ] ∑( )( ) +∞ = = × − − − = − − − + − + 0 2 2 1 2 2 3 5 k k u t k V t u t u t u t τ τ τ τ τ L v t u t V s s i i ( ) = ( ) → ( ) =1/ L c 2 -1 L c 2 L -1 V1 (2Z L ) (Z Z )e V (2Z ) (Z - Z )e V sτ − sτ = + + Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response The length of transmission line is l = 300m, the natural impedance is 300Ω, the wave velocity is 3×108 m/s。 1.Evaluate the voltage reflection coefficient of the end terminals (2-2‘) ρv(0) and the voltage reflection coefficient of input terminals (1-1‘) ρv1. Calculate the time delay τ when the signals passes by the transmission line. 2.Evaluate the step response of the end terminals. 3.Get the voltage waveform of the position within 0 ~ 5μs, which is 75 m away from the end terminals. x l O u(t) + - 1' 2' 1 2 Solution: 2) 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Solution: 3) x l O u(t) + - 1' 2' 1 2 τ τ τ 4 1 4 3 = + τ 2τ 3τ 4τ 5τ 1 2 O t Vx 4 3τ 距离2-2'端口75米处的电压波形 τ 2τ 3τ 4τ 5τ 1 2 O t Vx 4 3τ 距离2-2'端口75米处的电压波形 Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response The length of transmission line is l = 300m, the natural impedance is 300Ω, the wave velocity is 3×108 m/s。 1.Evaluate the voltage reflection coefficient of the end terminals (2-2‘) ρv(0) and the voltage reflection coefficient of input terminals (1-1‘) ρv1. Calculate the time delay τ when the signals passes by the transmission line. 2.Evaluate the step response of the end terminals. 3.Get the voltage waveform of the position within 0 ~ 5μs, which is 75 m away from the end terminals. the voltage waveform of the position within 0 ~ 5μs, which is 75 m away from the end terminals
example of uniform lossless transmission li time delay, impulse response time delay, impulse response v.Y(e"y2-e":°-ax。-y L. Evaluate the voltage reflection coefficient of the end terminals (2-2)P 0)and the alculate the time the transmission lin 1+∑(e-") t)=[(-t1)+l(t-(z+r2) T=T+T=1+ (t-(3-r)+l(-(3r+3)]+ Application example of uniform lossless transmission lin Uniform lossless transmission line time delay impulse response jB V2=ZI V, 八 Zeshi chex人2 z,chkx+zcshkx +jzctg Z, shox+ Scchk记tgx+zc [(ZL+Z)e (z1-2ev2J/ -z)er2]/2z。 Uniform lossless transmission line: terminal open, short, uniform los- transmission line Z V-z Z+jzct9 Zc I,jz,tgAx+Z R+1aLG+」a 1+只,(0)e2 k=jB=jo Z-L/C p(0)= V=[(z1+z)ev2+(z-z)e^M2/22 [(z1+z)er2-(z1-z)e2]/22 Terminal matched:Z=ZcP(O)=0ZiN=Zc Laplace Transform: jo >Smth m0可P0=12=如 Jt→Sr Terminal open: Z P,(O)=1ZN-jzcctgAx
北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Solution: 3) 1 2 4 1 4 3 τ = τ + τ =τ +τ (e e ) 2 V V 2 x 2 2 sτ − sτ = + (e e ) 2 V V (2Z ) (Z Z )e V (2Z ) (Z - Z )e V 2 L c 2 -1 L c 2 L -1 1 L τ τ τ τ s s s s − − = + = + + (e e ) (e e ) Vx V1 τ τ τ τ s s s s − − + + = 2 2 Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response The length of transmission line is l = 300m, the natural impedance is 300Ω, the wave velocity is 3×108 m/s。 1.Evaluate the voltage reflection coefficient of the end terminals (2-2‘) ρv(0) and the voltage reflection coefficient of input terminals (1-1‘) ρv1. Calculate the time delay τ when the signals passes by the transmission line. 2.Evaluate the step response of the end terminals. 3.Get the voltage waveform of the position within 0 ~ 5μs, which is 75 m away from the end terminals. x l O u(t) + - 1' 2' 1 2 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 τ 2τ 3τ 4τ 5τ 1 2 O t Vx 4 3τ 距离2-2'端口75米处的电压波形 τ 2τ 3τ 4τ 5τ 1 2 O t Vx 4 3τ 距离2-2'端口75米处的电压波形 22 22 2 2 2 2 1 ss ss s ss s s ss s k ττ ττ τ τ τ τ τ ττ τ − − − − − − − ∞ − = + + = = + + + = + ∑ 1 x k V (e e ) (e e )e 1 V (e e ) s (1 e ) (e e )e [1 (-e ) ] s 21 2 1 1 ( ) [ ( ) ( ( ))] [ ( (3 )) ( (3 ))] ... v t ut ut ut ut τ τ τ ττ ττ = − + −+ − −− +−+ + 2 2 Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response the voltage waveform of the position within 0 ~ 5μs, which is 75 m away from the end terminals (2-2’) 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 Solution: e.g.: As shown in Fig 6-1, an ideal voltage source is connected to an ideal operational amplifier with a pair of uniform lossless transmission line. The natural impedance is Zc=75Ω. The resistances in the circuits are R1=150Ω, R2=1.5kΩ. The transmission time of signals from 1-1’ to 2-2’ is 2us. Since the output of the ideal voltage source is a 1-V and 1-us rectangular-shaped pulse which started from t=0, as shown in Fig 6-2. The switch is closed at t=4us. (It is opened before.) Please draw out the waveform of the output signal Vo from 0 to 12us. 1 75 75 2 = ∞ + ∞ − = + − = L c L c v Z Z Z Z ρ Zc 1 1' 2 2' Vs (t) 图 6-1 R1 + - R2 Vo K + - Zc 1 1' 2 2' Vs (t) 图 6-1 R1 + - R2 Vo K + - Vs (t) O t 1 μs 1V 图 6-2 Vs (t) O t 1 μs 1V Vs (t) O t 1 μs 1V 图 6-2 t (μs) Vo (V) 12 67 10 11 12 -40/9 40/3 t (μs) Vo (V) 12 67 10 11 12 -40/9 40/3 1/ 3 150 75 150 75 2 = + − = + − = L c L c v K Z Z Z Z ρ 1 0 75 0 75 2 = − + − = + − = L c L c v Z Z Z Z ρ Application example of uniform lossless transmission line: time delay, impulse response 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 V2 = ZLI2 kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZL Zin ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ =⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − 2 2 1 C C 1 1 I V Z shkx chkx chkx Z shkx I V *** k = jβ Uniform lossless transmission line x - + V1 - + V2 I1 I2 k, Zc ZL Zin x 0 L C L C C L C L C C 1 1 in jZ tg x Z Z jZ tg x Z Z shkx Z chkx Z chkx Z shkx Z I V Z + + = + + = = β β Zin changes along the transmission line by half wavelength. V and I change along the transmission line by one wavelength Summary 2 c j x 2 L c j x 1 L c 2 L j x 2 L c j x 1 L c I [(Z Z )e I (Z -Z )e I ]/2Z V [(Z Z )e V (Z -Z )e V ]/2Z β β β β − − = + − = + + 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 ZL ZiN *** -j2 x -j2 x C L C L C C 1 1 iN 1- (0)e 1 (0)e Z jZ tg x Z Z jZ tg x Z I V Z β β ρ ρ β β v + v = + + = = = ∞ = = L L L C Z Z 0 Z Z ρ (0) 1 ρ (0) -1 ρ (0) 0 V V V = = = + = + − = V V Z Z Z Z ρ (0) - L C L C V Z -jZ ctg x Z jZ tg x Z Z iN C iN C iN C β β = = = Uniform lossless transmission line: terminal open, short, matched Terminal matched: Terminal short: Terminal open: 2 c j x 2 L c j x 1 L c 2 L j x 2 L c j x 1 L c I [(Z Z )e I (Z -Z )e I ]/2Z V [(Z Z )e V (Z -Z )e V ]/2Z β β β β − − = + − = + + Summary 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 uniform lossless transmission line *** k = jβ = jω LC Zc = L/C (R j L)(G j C) k α jβ = + ω + ω = + G j C R j L - I V I V ZC ω ω + + = = = − − + + G j C R j L - I V I V ZC ω ω + + = = = − − + + x - + V1 - + V2 I1 I2 k, Zc kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2 β ω ω jωτ v x j x = j LCx = j ⋅ = Laplace Transform: j Laplace Transform: jωωÆÆSS jωτ ⇒ sτ summary λ π β 2 = Definition 1: transfer constant Definition 2: natural impedance Uniform lossless transmission line: R=G=0, so: Complex method Known time delay Known length kx - ZC + V1 - + V2 I1 I2
step response of transmission lines step response of trans 四如 mission line(send the sine wave signal: asmission line (send the sine wave signal) v-(2(2+2)V2+(22)(a-ze+V 1+A2(0)e 工=(22)2(2+z)e-2-(2z)2(21-z)e" 2tg+z2x=1-(o)e=2=1-A(o)e v=(z)(z+z)ev2+(2z)(z-z2)elmv2 1=(22)(+2)12·(22)(z4-z2)e1 aplace transform - solving the any r on the transmission line(send any signal: solving th 1+P(0)e 长:2:图江围 1-P2(0)e Usingaexpans/(+ae)=1+5(0”)
北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 L c 2 -1 L c 2 L -1 V1 (2Z L ) (Z Z )e V (2Z ) (Z - Z )e V sτ − sτ = + + L c 2 -1 L c 2 C -1 I1 (2Z C ) (Z Z )e I - (2Z ) (Z - Z )e I sτ − sτ = + *** 2 j L c -1 2 L j L c -1 V1 (2Z L ) (Z Z )e V (2Z ) (Z - Z )e V ωτ − ωτ = + + L c 2 -1 L c 2 C -1 I1 (2Z C ) (Z Z )e I - (2Z ) (Z - Z )e I jωτ − jωτ = + 2 j x L c -1 2 L j x L c -1 V1 (2ZL) (Z Z )e V (2Z ) (Z -Z )e V β − β = + + 2 x L c -1 2 C x L c -1 I1 (2ZC) (Z Z )e I - (2Z ) (Z -Z )e I jβ − jβ = + step response of transmission lines Complex method → solving the sinusoidal steady-state response on the transmission line (send the sine wave signal): Laplace transform → solving the any response on the transmission line (send any signal): summary Using a expansion formula: ∑ ∞ = + = + k 1 x x k 1/(1 ae ) 1 (-ae ) 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 北京大学 *** τ τ ρ ρ s V s V -2 -2 i C 1 (0)e 1 (0)e Z Z − + = ωτ ωτ β β ρ ρ ρ ρ β β -2j -2j -j2 x C -j2 x C L C L C i C 1 (0)e 1 (0)e Z 1 (0)e 1 (0)e Z jZ tg x Z Z jZ tg x Z Z V V V V − + = − + = + + = step response of transmission lines summary Complex method → solving the sinusoidal steady-state response on the transmission line (send the sine wave signal): Laplace transform → solving the any response on the transmission line (send any signal):