Однопроводная линия передачи - Single-wire transmission line

Для цепей, использующих землю в качестве второго проводника, см. Однопроводное заземление.

А однопроводная линия передачи (или же однопроводной метод) - это метод передачи электроэнергии или сигналов с использованием только Один электрический проводник. Это отличается от обычного использования пары проводов, обеспечивающих полную цепь, или электрический кабель также содержащее (как минимум) два проводника для этой цели.

Однопроводная линия передачи отличается от однопроводное заземление система, которая не рассматривается в этой статье. Последняя система полагается на обратный ток через земля, используя землю в качестве второго проводника между клеммами заземления. В однопроводной линии передачи нет второго проводника любой формы.

История

Еще в 1780-х гг. Луиджи Гальвани впервые наблюдал эффект статичное электричество вызывая подергивание лапок лягушки, и наблюдал тот же эффект, возникающий только из-за определенных металлических контактов с лягушкой, включая полный контур. Последний эффект правильно понял Алессандро Вольта как электрический ток, непреднамеренно произведенный тем, что станет известно как гальванический элемент (аккумулятор). Он понимал, что такой ток требует полной цепи для проведения электричества, даже несмотря на то, что реальная природа электрических токов была совершенно не понятна (только столетие спустя электрон быть обнаруженным). Все последующие разработки электродвигателей, фонарей и т. Д. Основывались на принципе замкнутой цепи, обычно с использованием пары проводов, но иногда с использованием земли в качестве второго проводника (как в коммерческих телеграфия ).

В конце 19 века Никола Тесла продемонстрировал, что с помощью электрическая сеть настроен на резонанс можно было передавать электроэнергию, используя только один провод, без необходимости в обратном проводе. Об этом говорили как о «передаче электроэнергии по одному проводу без возврата».^[1][2]

В 1891, 1892 и 1893 годах перед AIEE в Колумбийском колледже, Нью-Йорк, в Институте Франклина, в Лондоне, в Институте Франклина, Филадельфия, и в Национальной ассоциации электрического освещения, Сент-Луис, было показано, что электродвигатели и одиночные -конечные лампы накаливания могут работать от одного проводника без обратного провода. Несмотря на очевидную нехватку полной схемы, такая топология эффективно получает обратную цепь благодаря нагрузке. собственная емкость и паразитная емкость.^[3][4]

Таким образом, катушки надлежащих размеров могут быть подключены к каждой только одним концом к сети от машины с низким Э. М. F., и хотя цепь машины не было бы закрыто в обычном принятии термина, но машина может сгореть, если будет получен должный резонансный эффект.^[5]

Последнее упоминание о «выгорании» машины должно было подчеркнуть способность такой системы передавать большую мощность при надлежащем согласование импеданса, что можно получить с помощью электрического резонанс.

Теория

Это наблюдение было переоткрыто несколько раз и описано, например, в патенте 1993 года.^[6] Однопроводная передача в этом смысле невозможна с использованием постоянный ток и совершенно непрактично для низких частот переменные токи такие как стандартные частоты сети 50–60 Гц. Однако на гораздо более высоких частотах обратная цепь (которая обычно подключается через второй провод) может использовать собственную и паразитную емкость большого проводящего объекта, например, корпуса нагрузка сам. Хотя собственная емкость даже крупных объектов в обычных условиях довольно мала, как оценил сам Тесла, ее можно резонировать эта емкость с использованием достаточно большого индуктор (в зависимости от используемой частоты), и в этом случае большой реактивное сопротивление этой емкости аннулируется. Это позволяет протекать большому току (и подавать большую мощность на нагрузку), не требуя источника очень высокого напряжения. Хотя этот метод передачи энергии известен давно, неясно, было ли какое-либо коммерческое применение этого принципа для передача энергии.

Однопроводниковые волноводы

Еще в 1899 г. Арнольд Зоммерфельд опубликовал статью^[7] прогнозирование использования одного цилиндрического проводника (провода) для распространения радиочастота энергия как поверхностная волна. «Проволочная волна» Зоммерфельда представляла теоретический интерес как распространяющаяся мода, но это было за десятилетия до того, как появилась технология для генерации достаточно высоких радиочастот для любых подобных экспериментов, не говоря уже о практических приложениях. Более того, решение описывало бесконечную линию передачи без учета передачи энергии в нее (или из нее).

Однако особый практический интерес представлял прогноз значительно более низкого уровня сигнала. затухание по сравнению с использованием того же провода в качестве центрального проводника коаксиальный кабель. В отличие от предыдущего объяснения полный передаваемая мощность обусловлена ​​классическим током через провод, в этом случае токи в самом проводе намного меньше, а энергия передается в виде электромагнитная волна (радиоволна ). Но в этом случае наличие проволоки направляет эту волну к нагрузке, а не излучает ее.

Уменьшение омические потери по сравнению с использованием коаксиального кабеля (или других двухпроводных линий передачи) особенно выгодно на более высоких частотах, где эти потери становятся очень большими. С практической точки зрения, использование этого режима передачи на частотах ниже СВЧ очень проблематично из-за очень протяженных полей вокруг провода. Поля, связанные с поверхностной волной вдоль проводника, значительны для многих диаметров проводника, поэтому металлические или даже диэлектрические материалы, непреднамеренно присутствующие в этих областях, будут искажать распространение моды и обычно увеличивают потери при распространении. Хотя нет зависимости от длины волны для этого размера в поперечном направлении, в направлении распространения необходимо иметь минимум одну полуволну длины проводника, чтобы полностью поддерживать распространяющуюся моду. По этим причинам и на частотах, доступных примерно до 1950 года, практические недостатки такой передачи полностью перевешивали уменьшенные потери из-за конечной проводимости провода.

Линия Губо

Основная статья: Линия Губо

В 1950 году Георг Губау пересмотрел открытие Зоммерфельдом режима поверхностных волн вдоль провода, но с намерением повысить его практичность.^[8] Одна из основных целей заключалась в том, чтобы уменьшить протяженность полей вокруг проводника, чтобы такой провод не требовал необоснованно большого зазора. Другая проблема заключалась в том, что волна Зоммерфельда распространялась точно со скоростью света (или немного меньшей скоростью света в воздухе для провода, окруженного воздухом). Это означало, что будет радиационные потери. Прямой провод действует как антенна с длинным проводом, отнимая излучаемую мощность из управляемого режима. Если скорость распространения можно уменьшить ниже скорости света, тогда окружающие поля станут мимолетный, и поэтому не могут распространять энергию за пределы области, окружающей провод.

Губо исследовал положительный эффект проволоки, поверхность которой имеет структурированную структуру (а не точный цилиндр), как при использовании проволоки с резьбой. Что еще более важно, Губо предложил применение диэлектрического слоя, окружающего провод. Даже довольно тонкий (по отношению к длине волны) слой диэлектрика снизит скорость распространения значительно ниже скорости света, исключив потери излучения от поверхностной волны вдоль поверхности длинного прямого провода. Эта модификация также привела к значительному уменьшению воздействия электромагнитных полей, окружающих провод, решив другую практическую проблему.^[9]

Наконец, Губо изобрел метод запуска (и получения) электроэнергии от такой линии передачи. Запатентованный^[10] Линия Губо (или «G-линия») состоит из одного проводника, покрытого диэлектрическим материалом. На каждом конце - широкий диск с отверстием в центре, через которое проходит линия передачи. Диск может быть основанием конуса, его узкий конец обычно соединен с экраном коаксиальная фидерная линия, и сама линия передачи, соединяющаяся с центральным проводником коаксиального кабеля.

Даже с уменьшенной протяженностью окружающих полей в дизайне Губо такое устройство становится практичным только в УВЧ частоты и выше. С технологическим развитием на терагерц На частотах, где металлические потери еще больше, перспективным представляется использование передачи с использованием поверхностных волн и линий Губо.^[11]

E-Line

С 2003 по 2008 год были поданы патенты на систему, в которой использовался оригинальный неизолированный провод Зоммерфельда (без покрытия), но с использованием пусковой установки, аналогичной той, что была разработана Губо.^[12][13] Он продвигался под названием «E-Line» до 2009 года.^[14] Таким образом, результирующая скорость волны не снижается из-за диэлектрического покрытия или специального кондиционирования проводника, как это предписано Губо для G-Line для предотвращения излучения. Утверждается, что эта линия полностью не излучает, распространяя энергию посредством ранее неизвестной поперечно-магнитной (TM) волны. Предполагаемое применение в этом случае - создание каналов с высокой скоростью передачи информации с использованием существующих линий электропередач для целей связи. Это было предложено для передачи частот от ниже 50 МГц до выше 20 ГГц с использованием уже существующих одно- или многожильных воздушных проводов питания.^{[нужна цитата ]}

Хотя линия Губо, для которой требуется проводник, имеющий внешний диэлектрик или специальную поверхность, обеспечивающую уменьшение скорости волны на проводнике, давно известна, эта более общая поперечно-магнитная (TM) мода не имеет этого ограничения. E-Line похожа на Goubau-Line в использовании пусковых установок для связи с радиально-симметричной волной, распространяющейся в пространстве вокруг одиночного проводника, но отличается тем, что она может работать с проводниками без изоляции, в том числе с полированными. и совершенно лишенный функций. Скорость распространения волны не уменьшается и по существу является скоростью распространения волны в той же среде при отсутствии проводника вообще. Кроме того, практические пусковые установки не обязательно должны иметь поперечное сечение, составляющее большую часть длины волны. Энергия, связанная с волной, ограничена областью, определяемой диаметром и геометрией проводника, а не длиной волны распространяющегося сигнала. Пусковая установка имеет низкочастотную отсечку, ограниченную длиной пусковой установки по проводнику.

Поведение такой системы не зависит от рабочей частоты, но зависит от характеристик силового проводника и окружающей его среды. «Соседний проводник, отличный от самой линии, может обеспечить точку завершения и тем самым уменьшить энергию, передаваемую в волну TM».^[15] (Это имеет отношение к настольным демонстрациям Теслы 1891-1893 гг.) Как и для любой линии передачи, на очень высоких частотах увеличенные потери в металлическом проводнике, несмотря на преимущество, полученное с использованием режима поверхностных волн, увеличиваются, однако, поскольку проводник потери обратно пропорциональны квадрату импеданса линии, в этом режиме можно достичь гораздо меньших потерь, не более нескольких процентов от коаксиальной линии 50 Ом, имеющей тот же центральный проводник. Воздействие ответвлений, изгибов, изоляторов и других повреждений, обычно обнаруживаемых в системах распределения электроэнергии, было описано как «предсказуемое и управляемое».^[15] В зависимости от этих факторов результирующий вносимая потеря вместе с передаваемой мощностью и чувствительностью приемника будет определять максимальное расстояние, достигаемое такой системой. Подобно системам кабельного телевидения, улучшенный сквозной канал связи может быть получен за счет использования повторители.^{[нужна цитата ]}

Чтобы воспользоваться преимуществами существующих линий, конические пусковые элементы выполнены с прорезью в конусе, так что их можно легко установить поверх существующей линии электропередачи (вместо того, чтобы продевать через конус). Системы могут использовать пусковое устройство диаметром всего 15–20 см от верхних ВЧ до миллиметровых длин волн при условии, что пуск имеет достаточную длину вдоль проводника. Обычно требуются конструкции длиной не менее четверти длины волны. Пусковая установка длиной один метр с отверстием 10 см может обеспечить вносимые потери менее 2 дБ в диапазоне от 130 МГц до многих ГГц.^[16]Построенные таким образом системы могут обеспечивать как значительную передачу энергии, так и передачу энергии e. грамм. обеспечивая движущую силу для электрических вертолетов, действующих как аэростаты, в то же время они обеспечивают подключение линий передачи с низкими потерями к легким высотным антеннам.^[17]

Смотрите также

• Связь по линии электропередач
• Однопроводное заземление
• Поверхностная волна

Рекомендации

1. "Почему Тесла вообще сделал свою катушку? . . . у них есть какие-то практические цели?, "Книги 21-го века.
2. Никола Тесла, "Разговор с планетами (1901) ". Collier's Weekly, 19 февраля 1901 г., стр. 4–5.

   «Около десяти лет назад я осознал тот факт, что для передачи электрического тока на расстояние совсем не обязательно использовать обратный провод, но что любое количество энергии может быть передано с помощью одного провода. Я проиллюстрировал этот принцип следующим образом: многочисленные эксперименты, которые в то время вызвали большое внимание ученых ».

3. Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение в методах искусственного освещения, Американский институт инженеров-электриков, Колумбийский колледж, штат Нью-Йорк, 20 мая 1891 г.
4. Эксперименты с переменными токами высокого потенциала и высокой частоты Адрес Института инженеров-электриков, Лондон, февраль 1892 г.
5. О свете и других высокочастотных явлениях, Институт Франклина, Филадельфия, февраль 1893 г., и Национальная ассоциация электрического освещения, Сент-Луис, март 1893 г.
6. Патент США 6,104,107 , "Способ и устройство для однолинейной передачи электроэнергии.». Авраменко и др.
7. A. Sommerfeld, Ann. Phys. u. Chemie (Neue Folge) 67-1, 233 (1899).
8. Георг Губау, "Поверхностные волны и их применение к линиям передачи", Журнал прикладной физики, том 21, ноябрь (1950 г.)
9. Патент США 2,685,068 , "Линия передачи поверхностных волн". Джордж Дж. Э. Губо
10. Патент США 2,921,277 , "Запуск и прием поверхностных волн". Джордж Дж. Э. Губо
11. Тахсин Акалин, «Однопроводные линии передачи на терагерцовых частотах», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE-MTT), Volume 54, Issue 6, June 2006 Страница (s): 2762 - 2767
12. Патент США 7009471 , "Способ и устройство для запуска поверхностной волны на одножильную линию передачи с использованием щелевого расширяющегося конуса.". Гленн Э. Элмор
13. Патент США 7,567,154 , " Система передачи поверхностных волн по одиночному проводнику, имеющему электрические поля, оканчивающиеся вдоль проводника. "Гленн Э. Элмор
14. "E-Line". Corridor Systems Inc. 2010 г.. Получено 6 ноября, 2013.
15. Гленн Элмор (27 июля 2009 г.). «Введение в распространяющуюся волну TM по одному проводнику» (PDF). Коридорные системы. Получено 6 ноября, 2013.
16. Гленн Элмор (6 февраля 2016 г.). «Реальная мощность, передаваемая по проводу 0,32 мм». Гленн Элмор. Получено 1 сентября, 2016.
17. Гленн Элмор (6 февраля 2016 г.). "Дрон / антенна с питанием от SWTL". Гленн Элмор. Получено 1 сентября, 2016.