伝送線路の周波数特性モデル

ケーブル伝送波形の減衰と歪みは有限個の L, R, G, C から構成される一般の電子回路とはかなり違います。 (注１)

ここでは、Fourier変換による周波数領域でケーブル伝送波形を求めるための、 ケーブル周波数特性モデルの作成と、その使いかたを解説します。

1. ケーブルのシステム関数

まず、ケーブルの伝送特性を表すシステム関数を求めます。 (注２)

ここに、
	Vi = ケーブル送端の(信号)電圧源
	Zs = 信号源の内部インピーダンス (Ω)
	Z0 = ケーブルの特性インピーダンス (Ω)
	γ = ケーブルの伝搬特性
	  = α + j*β
	α = ケーブルの減衰定数 (neper/m)
	β = ケーブルの位相定数 (rad/m)
	j = sqrt(-1)
	l = ケーブルの長さ (m)
	Zr = ケーブル受端の負荷インピーダンス (Ω)
	Vr = ケーブル受端の電圧 (V)

１図 ケーブル伝送

１図の回路で、信号電圧に対する受信電圧の比は下記のようになります。 (注３)

  Vr/Vi = Zr/(Zs+Zr)/(cosh(γ*l)+Z0/(Zs+zr)(1+Zs*Zr/Z0^2)*sinh(γ*l))       (1)

１図でケーブルを除いて、信号源と負荷を直結した場合は、

  Vr/Vi = Vi*Zr/(Zs+Zr)                                                     (2)

  H(f) = 1/(cosh(γ*l)+Z0/(Zs+zr)(1+Zs*Zr/Z0^2)*sinh(γ*l))                 (3)

これは、(3) のシステム関数に入力信号 Vi を入れると出力信号 Vr が得られることを意味します。

つまり、任意の入力信号 f(t) について、 下記の手順で出力信号 g(t) が得られることになります。

1. 入力信号 f(t) のFourier変換 F(f) を求める
2. F(f) とシステム関数 H(f) の積 F(f)*H(f) を求める
3. F(f)*H(f) を逆Fourier変換して、出力信号 g(t) を求める

2. ケーブルの周波数領域モデル

ケーブルの伝搬特性は特性インピーダンスと伝搬定数で決まりますが、 高周波なら下記のモデルで表現できます。 周波数が低くなると、もっと複雑になりますが、 伝送波形を求める場合はこの近似で十分間に合います。

  Z0 = 特性インピーダンス (Ω)
     = sqrt(L/C)
  L = 高周波に於けるケーブルのインダクダンス (H/m)
  C = 高周波に於けるケーブルのキャパシタンス (F/m)
  α = 減衰定数 (neper/m)
     = Rac/(2*Z0)
  Rac = 交流抵抗 (Ω/m)
  β = 位相定数 (rad/s)
     = ω*sqrt(L*C) + α
     = ω/(c*Vr) + α 
  ω = 角周波数 (rad/s)
     = 2 * π * f
  π = 3.1415..
   f = 周波数 (Hz)
   c = 真空中の光速 (2.99792458e8)
   Vr = 1/sqrt(L*C)
      = ケーブルの速度係数 (0 < Vr <= 1)

特性インピーダンスはケーブルを伝搬する電磁波の 磁界成分に対する電界成分の比ですから、 特性インピーダンスが大きくなると、 ケーブルの導体に流れる電流が減って、 導体中のジュール熱による損失が減り、 減衰が減ることになります。

交流抵抗の計算は単独円筒導体のような単純な場合を除いて、 面倒ですから別途説明しますが、 高周波では周波数の平方根に比例して増加します。その結果、 α と β のいずれも周波数の平方根に比例する成分が出て来て、 これが通常の集中定数回路にはないケーブル独特の歪の原因になります。 (注４)

PE (Polyethylenie) のような高周波特性の良い絶縁材料を使っていれば、 誘電体損失は導体損失に比べて十分低いので無視できますが、 誘電体損失による減衰は

  G = ω * C * tan(δ)
  ここに、
	G = 誘電体損失による減衰 (G*m)
	C = ケーブルのキャパシタンス (F/m)
	tan(δ) = 誘電体の誘電正接

  α = 減衰定数 (neper/m)
     = Rdc + sqrt(f*Rdc)/(4*Z0) + ω*C*tan(D)/2/Z0

3. ケーブルの伝送波形の計算

ケーブルの周波数領域モデルがわかれば、 前記の手順で任意の入力信号に対する出力波形を計算できますが、 以下、理解しやすいように、簡単で実用的な事例をつけておきます。 手軽に実験できるように、c や c++ でなく、awk script で書いてありますが、 複素数の計算が多い場合は c++ を使うほうが楽です。

まず、通常の伝送線路では送受端のインピーダンスマッチングが取れていますから

  Zs = Zr = Z0

  H(f) = exp(-γ*l)                                              (4)
       = exp(-α*l)*exp(-j*β*l)
       = exp(-α*l)*(cos(β*l)-j*sin(β*l)) 

数値計算の場合は無限時間の積分ができず、 FFT(Fast Fourier Transform)を使うのが普通で、 入力波形は周期関数に限定されますが、 ここではパルス波形の代表である方形波を考えると、 下記のように計算することができます。 (注５)

#! /bin/sh
M=9		# 2^M = 1 周期のサンプル数
len=100		# ケーブル長 (m)
Z0=110		# 特性インピーダンス (Ohm)
a0=0.201	# 直流抵抗 (Ohm/m)
a1=3.96e-6	# 高周波の減衰定数(neper/m)/sqrt(f) .. f = 周波数(Hz)

/usr/bin/awk '
BEGIN {
  M = '$M'
  z0 = '$Z0'	# Z0
  a0 = '$a0'	# Rdc
  a1 = '$a1'	# alpha/sqrt(f)
  pulse(20e-9, 20e-9, 142e-9, 326e-9, M)
  exit 0
}
# パルス波形生成
#   tr = 立上り時間 (s)
#   tf = 立下がり時間 (s)
#   pw = パルス幅 (s)
#   per = 周期 (s)
#   2^M = 1 周期のサンプル数
function pulse(tr, tf, pw, per, M,  i, N, N1, N2, N3, v) {
  N = 2^M
  N1 = int(N * tr / per + 0.5)
  N2 = int(N * (tr + pw) / per + 0.5)
  N3 = int(N * tf / per + 0.5) + N2
  for (i = 0; i < N; i++) {
	t = per * i / N 
	if (i < N1)
		v = i / N1
	else if (i <= N2)
		v = 1
	else if (i < N3)
		v = (i - N3) / (N2 - N3)
	else
		v = 0
	print t, v
  }
}
' | /usr/local/bin/fft | /usr/bin/awk '
BEGIN {
  M = '$M'
  z0 = '$Z0'	# Z0
  a0 = '$a0'	# Rdc
  a1 = '$a1'	# alpha/sqrt(f)
  len = '$len'
}
{
 # F(f)
  f = $1	# 周波数
  x = $2	# F(f) の実部
  y = $3	# F(f) の虚部
  # ケーブルの周波数モデル
  b = a1 * sqrt(f) * len
  if (i == 0)
	a = b
  else
	a = b + a2 * f^a3 * len
  if (NR == 0)	# DC
	a = z0 / (z0 + a0)
  else
	a = exp(-a)
  # F(f)*H(f)
  u = a * cos(b)
  v = -a * sin(b)
  w = x
  x = w * u - y * v
  y = w * v + y * u
  print f, x, y
}' | fft -i
exit 0

この sf script で使っているfftというコマンドは フーリエ変換と線形システムの基礎 (2) - 例題 で解説したものです。

Fourier変換については フーリエ変換と線形システムの基礎 (1) - 解説 を見てください。

この script を実行したときの ケーブル入力波形と ケーブル出力波形を付けておきます。

注

注１ - ケーブル伝送の減衰と歪

有限個の L, C, R, G から構成される、 一般の電子回路のステップ応答は指数関数的波形になりますが、 これは回路の方程式が常微分方程式になるためです。

一方、無限個の L, C, R, G から構成され、 回路の方程式が偏微分方程式になる伝送線路の場合は、 ステップ応答が誤差関数的波形になって、 収束が遅いため、 電子回路でお馴染みの立上り時間の定義が使えないとか、 かなり様相が異なって、 SPICEなどの回路シミュレータで解析する場合も、 工夫が要ります。

注２ - システム関数

線形システムのインパルス応答 h(t) のFourier変換をシステム関数と呼びます。

           ∽
  H(ω) = ∫h(t)*dt = exp(-α(ω)) * exp(-β(ω))
         -∽
  ここに、
	H(ω) = システム関数
	h(t) = インパルス応答
	α(ω) = 減衰量 (neoer)
	β(ω) = 位相遅れ (rad)
	ω = 角周波数 (rad/s)

線形システムの入力波形 f(t) と出力波形 g(t) のFourier変換をそれぞれ F(ω), G(ω) とすると

  G(ω) = F(ω) * H(ω)

                  ∽
  g(t) = 1/(2π)*∫ F(ω)*H(ω)*exp(j*ω*t)*dω
               -∽

注３ - ケーブル伝送のシステム関数

伝送線路理論の基礎を見てください。

注４ - ケーブル伝送の２次定数の近似式

伝送線路の SPICE モデルを見てください。

注５ - インピーダンスマッチングがとれていない場合

インピーダンスマッチングがとれていない場は H(f) に (4) 式でなく (3) 式を使います。