11.1 Introduction

10장에서 우리의 논의는 본질적으로 무한한 범위의 매체인 무한 매체에서의 파동 전파에 관한 것이었다. 이러한 파동 전파는 균일한 평면파가 모든 공간에 존재하고, 파동과 관련된 전자파 에너지가 넓은 영역에 확산된다는 점에서 유도되지 않는다고 한다. 무한 매체에서의 파동 전파는 라디오나 TV 방송에서 사용되며, 송신되는 정보는 관심 있는 모든 사람을 대상으로 한다.
전력 또는 정보를 전달하는 또 다른 수단은 유도 구조물에 의한 것이다. 유도된 구조물은 에너지가 소스에서 부하로 전파되도록 유도(또는 지시)하는 역할을 한다. 이러한 구조의 대표적인 예로는 전송 라인 및 도파관이 있다. 도파관은 다음 장에서 설명되며, 전송 라인은 이 장에서 고려된다.
전송 라인은 일반적으로 전력 분배(저주파수)와 통신(고주파수)에 사용된다. 트위스트 페어 및 동축 케이블(씬넷 및 씩넷)과 같은 전송 라인은 이더넷 및 인터넷과 같은 컴퓨터 네트워크에 사용된다.
전송 라인은 기본적으로 소스를 부하에 연결하는 데 사용되는 두 개 이상의 병렬 도체로 구성된다. 소스는 수력 발전기, 송신기 또는 오실레이터일 수 있으며, 로드는 공장, 안테나 또는 오실로스코프일 수 있습니다. 대표적인 전송선로는 동축 케이블, 2선 라인, 평행판 또는 평면 라인, 도전면 위의 와이어 및 마이크로스트립 라인이 있다. 이 선들은 그림 11.1에 묘사되어 있다. 이러한 각 라인은 병렬로 두 개의 도체로 구성되어 있다. 동축 케이블은 전기 실험실과 TV를 안테나에 연결하는 데 일상적으로 사용된다. 마이크로스트립 라인(그림 11.1e와 유사)은 전자 요소를 연결하는 금속 스트립이 유전체 기판에 증착되는 집적 회로에서 특히 중요하다.
송전선 문제는 일반적으로 전기 공학의 기초가 되는 두 가지 주요 이론인 전자파장 이론과 전기 회로 이론을 통해 해결된다. 이 장에서는 회로 이론을 사용하는데, 그 이유는 회로 이론을 수학적으로 다루기가 더 쉽기 때문이다. 앞 장에서 다룬 파동 전파의 기본 개념(전파 상수, 반사 계수, 정재파 비율 등)이 여기에 적용된다.

전송선에 대한 우리의 분석에는 전송선 방정식과 특성 수량 도출, 스미스 차트 사용, 전송선의 다양한 실제 적용 및 전송선에서의 과도 등이 포함될 것이다.

11.2 Transmission Line Parameters

전전송 라인을 단위 길이당 저항 $R$, 단위 길이당 인덕턴스, 단위 길이당 전도도 $G$ 및 단위 길이당 캐패시턴스 $C$인 라인 매개 변수 측면에서 설명하는 것이 관례적이고 편리하다. 그림 $11.1$에 표시된 각 라인은 $R, L, G$ 및 $C$를 찾기 위한 구체적인 공식을 가지고 있다. 동축, 2-와이어 및 평면 라인의 경우 $R, L, G$ 및 $C$ 값을 계산하는 공식이 표 11.1에 나와 있습니다. 라인의 치수는 그림 11.2와 같다. 표 $11.1$의 공식 ${}^1$ 중 일부는 6장과 8장에서 파생되었다. 유의해야 한다.
1. 라인 매개 변수 $R, L, G$ 및 $C$는 이산적이거나 뭉치지 않습니다. 오히려 그림 11.3과 같이 분포되어 있다. 이것은 매개 변수가 선의 전체 길이를 따라 균일하게 분포된다는 것을 의미한다.
2. 각 라인에 대해, 도체는 $\sigma_c, \mu_c, \varepsilon_c=\varepsilon_0$로 특징지어지며, 도체를 분리하는 균질 유전체는 $\sigma, \mu, \varepsilon$로 특징지어진다.
3. $G \neq 1/R; R$는 라인을 구성하는 도체의 단위 길이당 저항이고, $G$는 도체를 분리하는 유전체로 인한 단위 길이당 전도율이다.
4. 표 $11.1$에 표시된 $L$의 값은 단위 길이당 외부 인덕턴스, 즉 $L=L_{\text {ext}}$이다. 내부 인덕턴스 $L_{in}(=R / \omega)$의 영향은 대부분의 통신 시스템이 작동하는 높은 주파수에서 무시할 수 있다.
5. 각 라인마다, (식 11.1)

다음 섹션을 준비하는 방법으로서, 전자파 파동이 2도체 전송선을 통해 어떻게 전파되는지 생각해 보자. 예를 들어, 그림 11.4(a)와 같이 발전기 또는 선원을 부하에 연결하는 동축 라인을 고려해라. 스위치 $S$가 닫히면 내부 도체가 외부 도체를 기준으로 양극이 되어 다음과 같이 된다.


$\mathbf{E}$ 필드는 그림 11.4(b)와 같이 방사형으로 바깥쪽이다. 앙페르의 법칙에 따르면, $\mathbf{H}$ 필드는 그림 11.4(b)와 같이 전류 전달 도체를 둘러싼다. 포인팅 벡터 $(\mathrm{E} \times \mathrm{H}$가 전송선을 따라 점을 가리킨다. 따라서 스위치를 닫으면 교란이 발생하며, 이는 선을 따라 전파되는 횡방향 전자기파(TEM)로 나타난다. 이 파동은 불균일한 평면파이며, 이를 통해 동력이 선을 통해 전달된다.