Siirtolinja
Signaalin siirrossa siirtolinja on tavallisesti kahden pisteen välinen suljettu yhteys, jota pitkin signaali voi edetä. Se voi rakenteeltaan olla esimerkiksi parikaapeli, koaksiaalikaapeli tai aaltoputki. Jotta signaalin siirrossa ei tapahtuisi vääristymistä, siirtolinjan kuorma voidaan sovittaa siirtolinjan ominaisimpedanssiin.
Kun johtimen pituus on suurempi kuin kuudestoistaosa signaalin aallonpituudesta, perinteinen piiriteoria on riittämätön, koska siinä ei huomioida signaalin rajallista etenemisnopeutta. Tällöin aletaan soveltaa siirtolinjateoriaa.
Käytettäessa siirtolinjalle oheista sijaiskytkentää, sen ominaisimpedanssi voidaan laskea seuraavasti:
Kaavassa formula_2 on siirtolinjan ominaisimpedanssi, joka riippuu siirtolinjan johtimen sarjaresistanssista "R", sarjainduktanssista "L", eristeen konduktanssista "G", kapasitanssista "C" sekä signaalin kulmataajuudesta formula_3.
Yhtälöstä nähdään, että pienillä kulmataajuuksilla formula_4 siirtolinjan impedanssi riippuu pääosin sen häviöllisistä komponenteista ("R" ja "G"), reaktiivisten komponenttien jäädessä merkityksettömän pieniksi.
Suurilla kulmataajuuksilla formula_5 reaktiiviset termit dominoivat, jolloin yleensä tehdään oletus häviöttömästä siirtolinjasta merkitsemällä "R" ja "G" nolliksi. Tällöin edellä oleva yhtälö sievenee muotoon:
Jos impedanssisovitusta ei ole tehty, signaali voi heijastua sen edetessä siirtolinjassa. Impedanssisovituksessa kuormitusimpedanssi sovitetaan siirtolinjan ominaisimpedanssiin siten, että signaalin heijastumista ei tapahdu. Heijastuneen aallon suhdetta syötettyyn aaltoon kuvaa heijastuskerroin Γ. Rajapinnan impedanssien avulla lausuttuna sen suuruus on:
Heijastuskertoimen itseisarvo on aina välillä 0…1. Sen arvon ollessa nolla, Γ=0, saadaan kaikki syötetty teho siirtymään kuormaan. Arvon ollessa yksi, Γ=1, kaikki syötetty teho heijastuu takaisin impedanssin epäjatkuvuuskohdasta. Epäsovitetussa siirtolinjassa syötetty ja heijastunut aalto summautuvat muodostaen seisovan aallon. Tällöin jännitteen amplitudin vaihtelut on mahdollista mitata eri kohdista siirtolinjaa.
Heijastuksista aiheutuu signaalin vääristymistä ja tehohäviöitä. Siksi siirtolinja tulee päättää ominaisimpedanssin suuruiseen kuormaan, jotta heijastukset linjassa saadaan minimoitua ja siirtyvä teho näin maksimoitua.
Oikein päätetyssä siirtolinjassa
Impedanssisovitus toteutetaan sähkötekniikassa kytkemällä lähteen ja kuorman väliin siirtolinja tai muu sovitin. Pelkkä heijastus voidaan eliminoida vaimentimella tai suuntakytkimellä. Yleinen etenevän aallon sovitus (optiikassa, akustiikassa, kvanttimekaniikassa) tehdään yhdistämällä siirtolinjoja, joissa on sopiva aaltoimpedanssi.
Optiikassa impedanssisovitus saadaan aikaan ohuilla pinnoituksilla (ohutkalvo-optiikka), jotka toimivat siirtolinjoina.
Impedanssisovitusta käytetään muun muassa toteutettaessa seuraavia sähköopin ja elektroniikan sovelluksia:
Jos siirtolinjalla havaitaan signaalin heikkenemistä tai halutaan suurempi signaalikohinasuhde, käytetään linjaohjainta.
Linjaohjain, tyypillisesti erikoisoperaatiovahvistin, vahvistaa siirrettävän signaalin ennen siirtolinjaa.
Tällöin siirtolinjan toiseen päähän tarvitaan linjavastaanotin, joka muuntaa signaalin takaisin alkuperäiseen amplitudiinsa.
Linjaohjaimella voidaan vähentää myös yhteismuotoisia häiriöitä käyttämällä instrumentointivahvistimeksi kytkettyä linjaohjainta.