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電気伝送線路上の正弦波解(2)


1.正弦波解

電信方程式の解を求めましょう。前回 \[ \left\{ \begin{align} V(x,t)&=V(x)e^{j\omega t} \\\\ I(x,t)&=I(x)e^{j\omega t} \end{align} \right. \] という仮定をしたので、時間偏微分は \[\frac{\partial V}{\partial t}=j\omega V\] となります。電流についても同様です。したがって、電信方程式は、 \[ \left\{ \begin{align} \frac{dV}{dx} &= -\left(R+j\omega L\right)I \\ \frac{dI}{dx} &= -\left(G+j\omega C\right)V \end{align} \right. \tag{1} \] と書き換えられます。どちらでも良いので、上の二式のうち一つをxで微分してもう一方に代入しましょう。すると \[ \left\{ \begin{align} \frac{d^2V}{dx^2} &= \left(R+j\omega L\right)\left(G+j\omega C\right)V \\ \frac{d^2I}{dx^2} &= \left(R+j\omega L\right)\left(G+j\omega C\right)I \end{align} \right. \] 電流電圧について同じ微分方程式が得られます。 ここで\(\theta^2=\left(R+j\omega L\right)\left(G+j\omega C\right)\)とおくと、電圧についての方程式の解は、 \[ V(x)=K^+e^{-j\theta x} + K^-e^{j\theta x} \] の形になります。定数\(K^+\)は進行波の成分ですから、添字を+としました。これを(1)式に代入すれば、 \[ I(x)=\frac{\theta}{R+j\omega L}\left(K^+e^{-j\theta x} - K^-e^{j\theta x}\right) \] が得られますが、最初の係数\frac{\theta}{R+j\omega L}の逆数がインピーダンスの単位を持つことに注目して、(\(K^+,K^-\)は電圧ですからそうなっていないとおかしいですね。) \[ Z_0 = \frac{R+j\omega L}{\theta} = \sqrt{\frac{R+j\omega L}{G+j\omega C}} \] としましょう。この\(Z_0\)を

特性インピーダンス

といいます。

今回は電圧から先に解いたので、係数\(K^+,K^-\)が基準となっていますが、別に電流から解いてもいいわけです。しかし、どんな教科書をみても電圧基準で書いてあるので、これが慣例なのでしょう。そういう慣例に逆らうと大変なので、逆らうのはやめときます。

なにはともあれ、解けました。時間依存の項も示してまとめておくと、 \[ \left\{ \begin{align} V(x,t)&=\left[K^+e^{-j\theta x} + K^-e^{j\theta x}\right]e^{j\omega t} \\\\ I(x,t)&=\frac{1}{Z_0}\left[K^+e^{-j\theta x} - K^-e^{j\theta x}\right]e^{j\omega t} \end{align} \right. \] と、このようになります。