Aufgabe 4.1Z: Übertragungsmaß

From LNTwww

Kurzer Leitungsabschnitt

Wir gehen von einer homogenen und reflektionsfrei abgeschlossenen Leitung der Länge  $l$  aus, so dass für die Spektralfunktion am Ausgang gilt:

$$U_2(f) = U_1(f) \cdot {\rm e}^{-\hspace{0.02cm}\gamma(f) \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}l} \hspace{0.05cm}.$$

Hierbei beschreibt  $\gamma(f)$  das Übertragungsmaß einer extrem kurzen Leitung der infinitesimalen Länge  $dx$, das man mit den Belägen  $R\hspace{0.05cm}'$,  $L\hspace{0.05cm}'$,  $G\hspace{0.08cm}'$ und  $C\hspace{0.08cm}'$ (siehe Grafik) wie folgt darstellen kann:

$$\gamma(f) = \sqrt{(R\hspace{0.05cm}' + {\rm j} \cdot 2\pi f \cdot L\hspace{0.05cm}') \cdot (G\hspace{0.08cm}' + {\rm j} \cdot 2\pi f \cdot C\hspace{0.08cm}')} = \alpha (f) + {\rm j} \cdot \beta (f)\hspace{0.05cm}.$$

Der Realteil von  $\gamma(f)$  ergibt

  • das Dämpfungsmaß  $\alpha(f)$ , und
  • der Imaginärteil das Phasenmaß  $\beta(f)$.


Nach einiger Rechnung kann man für diese Größen schreiben:

$$\alpha(f) = \sqrt{{1}/{2}\cdot \left (R\hspace{0.05cm}' \cdot G\hspace{0.08cm}' - \omega^2 \cdot L\hspace{0.05cm}' \cdot C\hspace{0.08cm}'\right)+ {1}/{2}\cdot \sqrt{(R\hspace{0.05cm}'\hspace{0.05cm}^2 + \omega^2 \cdot L\hspace{0.05cm}'\hspace{0.05cm}^2) \cdot (G\hspace{0.08cm}'\hspace{0.05cm}^2 + \omega^2 \cdot C\hspace{0.08cm}'\hspace{0.05cm}^2)}} \hspace{0.1cm}\bigg |_{\hspace{0.05cm}\omega \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}2\pi f},$$
$$\beta(f) = \sqrt{{1}/{2}\cdot \left (-R\hspace{0.05cm}' \cdot G\hspace{0.08cm}' + \omega^2 \cdot L\hspace{0.05cm}' C\hspace{0.08cm}'\right)+ {1}/{2}\cdot \sqrt{(R\hspace{0.05cm}'\hspace{0.05cm}^2 + \omega^2 \cdot L\hspace{0.05cm}'\hspace{0.05cm}^2) \cdot (G\hspace{0.08cm}'\hspace{0.05cm}^2 + \omega^2 \cdot C\hspace{0.08cm}'\hspace{0.05cm}^2)}} \hspace{0.1cm}\bigg |_{\hspace{0.05cm}\omega \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}2\pi f}.$$

Bei der Dämpfungsfunktion  $a(f)$  ist zusätzlich die Pseudoeinheit "Neper"  (Np) hinzuzufügen und bei der Phasenfunktion  $b(f)$  "Radian" (rad).  Da die Leitungsbeläge jeweils auf die Leitungslänge bezogen sind, weisen  $\alpha(f)$  bzw.  $\beta(f)$  die Einheiten "Np/km" bzw. "rad/km" auf.

Eine weitere wichtige Beschreibungsgröße neben  $\gamma(f)$  ist der Wellenwiderstand  $Z_{\rm W}(f)$, der an jedem Ort den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom der beiden laufenden Wellen angibt. Es gilt:

$$Z_{\rm W}(f) = \sqrt{\frac {R\hspace{0.05cm}' + {\rm j} \cdot \omega L\hspace{0.05cm}'}{G\hspace{0.08cm}' + {\rm j} \cdot \omega C\hspace{0.08cm}'}} \hspace{0.1cm}\bigg |_{\hspace{0.05cm} \omega \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}2\pi f}.$$



Hinweise:

  • Verwenden Sie für die numerischen Berechnungen jeweils die Zahlenwerte
$$R\hspace{0.05cm}' = 100\,\,{\rm \Omega}/{ {\rm km} }\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} G\hspace{0.08cm}' = 1\,\,{\rm µ S}/{ {\rm km}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} 2\pi L\hspace{0.03cm}' = 2\,\,{\rm mH}/{ {\rm km}} \hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} 2\pi C\hspace{0.08cm}' = 200\,\,{\rm nF}/{ {\rm km}} \hspace{0.05cm}.$$



Fragebogen

1

Geben Sie  $\alpha(f)$,  $\beta(f)$ und  $Z_{\rm W}(f)$  für die Frequenz  $f = 0$ (Gleichstrom) an.

$\alpha(f =0) \ =$

$\ \rm Np/km$
$\beta(f = 0) \ =$

$\ \rm rad/km$
$Z_{\rm W}(f = 0) \ =$

$\ \rm \Omega$

2

Berechnen Sie das Dämpfungsmaß  $\alpha(f)$  für  $f = 100\ \rm kHz$.

$\alpha(f = 100\ \rm kHz) \ = \ $

$\ \rm Np/km$

3

Geben Sie die für  $f → \infty$  gültigen Näherungen von  $Z_{\rm W}(f)$  und  $\alpha(f)$  an.

$ Z_{\rm W}(f → \infty) \ = \ $

$\ \rm \Omega$
$\alpha(f → \infty) \ = \ $

$\ \rm Np/km$

4

Leiten Sie mit  $\omega L\hspace{0.03cm}' \ll R\hspace{0.05cm}'$  und  $\omega C\hspace{0.08cm}' \gg G\hspace{0.08cm}'$  eine  $\alpha(f)$– Näherung für (nicht zu) kleine Frequenzen ab.
Welches Dämpfungsmaß ergibt sich für  $ f = 1 \ \rm kHz$  und  $ f = 4 \ \rm kHz$.

$\alpha(f = 1\  \rm kHz) \ = \ $

$\ \rm Np/km$
$\alpha(f = 4\ \rm kHz) \ = \ $

$\ \rm Np/km$

5

Geben Sie für den gleichen Frequenzbereich eine geeignete Näherung für den Wellenwiderstand  $Z_{\rm W}(f)$  an.
Welcher Wert ergibt sich für  $ f = 1 \ \rm kHz$?

${\rm Re}\{Z_{\rm W}(f = 1\ \rm kHz)\} \ = \ $

$\ \rm \Omega$
${\rm Im}\{Z_{\rm W}(f = 1\ \rm kHz)\} \ = \ $

$\ \rm \Omega$


Musterlösung

(1)  Setzt man in die gegebenen Gleichungen die Frequenz  $f = 0$  ein, so erhält man

$$\alpha(f = 0) = [1\,{\rm Np}] \hspace{-0.03cm}\cdot \hspace{-0.03cm} \sqrt{{1}/{2}\hspace{-0.03cm}\cdot \hspace{-0.03cm} R\hspace{0.03cm}' \hspace{-0.03cm}\cdot \hspace{-0.03cm} G\hspace{0.03cm}'+ {1}/{2}\cdot R\hspace{0.03cm}' \hspace{-0.03cm}\cdot \hspace{-0.03cm} G\hspace{0.03cm}'} = [1\,{\rm Np}] \hspace{-0.03cm}\cdot \hspace{-0.03cm} \sqrt{ R\hspace{0.03cm}' \hspace{-0.03cm}\cdot \hspace{-0.03cm} G\hspace{0.03cm}'} = [1\,{\rm Np}] \hspace{-0.03cm}\cdot \hspace{-0.03cm} \sqrt{ 100\,{\rm \Omega/km} \hspace{-0.03cm}\cdot \hspace{-0.03cm} 10^{-6}\,{\rm (\Omega \hspace{-0.03cm}\cdot \hspace{-0.03cm} km})^{-1}} \hspace{0.15cm}\underline{= 0.01\,{\rm Np}/{ {\rm km}} }\hspace{0.05cm},$$
$$\beta(f = 0) = [1\,{\rm rad}] \cdot \sqrt{-{1}/{2}\cdot R\hspace{0.03cm}' \cdot G\hspace{0.03cm}'+ {1}/{2}\cdot R\hspace{0.03cm}' \cdot G\hspace{0.03cm}'} \hspace{0.15cm}\underline{= 0 }\hspace{0.05cm},$$
$$Z_{\rm W}(f = 0) = \sqrt{\frac {R\hspace{0.03cm}'}{G\hspace{0.03cm}'}} = \sqrt{\frac {100\,{\rm \Omega/km}}{{\rm 10^{-6}/(\Omega \cdot km})}}\hspace{0.15cm}\underline{= 10\, {\rm k \Omega}}\hspace{0.05cm}.$$

Die Gleichsignaldämpfung wird relevant,

  • wenn das Nutzsignal im Basisband übertragen werden soll und einen Gleichanteil besitzt, oder
  • wenn der Netzabschluss beim Teilnehmer von der Ortsvermittlungsstelle aus mit Leistung versorgt werden muss (Fernspeisung).


(2)  Mit  $f = 10^{5} \ \rm Hz$  und den angegebenen Werten gilt

$$f \cdot 2\pi L' = 10^5\,\frac{1}{ {\rm s}} \cdot 2 \cdot 10^{-3}\,\frac{\rm \Omega \cdot s}{ {\rm km}}= 200 \,\frac{\rm \Omega }{ {\rm km}} \hspace{0.05cm},\hspace{1.05cm} f \cdot 2\pi C' = 10^5\,\frac{1}{ {\rm s}} \cdot 2 \cdot 10^{-7}\,\frac{\rm s}{ {\rm \Omega \cdot km}}= 0.02 \,\frac{\rm 1 }{ {\rm \Omega \cdot km}} \hspace{0.05cm}.$$

Damit ergibt sich für das Dämpfungsmaß in "Np/km":

$$\alpha(f = 100\,{\rm kHz}) = \sqrt{ {1}/{2}\cdot \left (100 \cdot 10^{-6} - 200 \cdot 0.02 \right)+ {1}/{2} \cdot \sqrt{(100^2 + 200^2) \cdot (10^{-12} + 0.02^2)}} $$
$$ \Rightarrow \; \; \alpha(f = 100\,{\rm kHz}) \approx \sqrt{{1}/{2}\cdot \left (10^{-4} - 4 \right)+ {1}/{2}\cdot \sqrt{5 \cdot 10^{4} \cdot 4 \cdot 10^{-4}}} \approx \sqrt {-2 + \frac{\sqrt{20}}{ 2}} \hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.486 \ {\rm Np/km}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Der Grenzübergang für  $f → \infty$  ergibt sich, wenn man im Zähler  $R\hspace{0.03cm}'$  und im Nenner  $G\hspace{0.08cm}'$  gegenüber den jeweils zweiten Term vernachlässigt:

$$\lim_{f \rightarrow \infty} \hspace{0.1cm} Z_{\rm W}(f) = \lim_{\omega \rightarrow \infty} \hspace{0.1cm} \sqrt{\frac {R\hspace{0.03cm}' + {\rm j} \cdot \omega L'}{G' + {\rm j} \cdot \omega C\hspace{0.03cm}'}} =\sqrt{\frac {2 \pi L\hspace{0.03cm}' }{2 \pi C\hspace{0.03cm}'}}=\sqrt{\frac {2 \cdot 10^{-3}\,{\rm \Omega \cdot s} } {2 \cdot 10^{-73}\,{\rm s/\Omega} }} \hspace{0.15cm}\underline{= 100\,{\rm \Omega }}\hspace{0.05cm}.$$
  • Die Näherung für die Dämpfungsfunktion ist schwieriger herzuleiten. Ausgehend von
$$\alpha(\omega) = \sqrt{ {1}/{2}\cdot \left (R\hspace{0.03cm}' G\hspace{0.03cm}' - \omega^2 \cdot L\hspace{0.03cm}' C\hspace{0.03cm}'\right)+ {1}/{2}\sqrt{(R\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2 + \omega^2 \cdot L\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2) \cdot (G\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2 + \omega^2 \cdot C\hspace{0.03cm}\hspace{0.03cm}'^2)}}$$
gilt dann ebenfalls:
$$2 \cdot \alpha^2(\omega) = R\hspace{0.03cm}' G\hspace{0.03cm}' + \omega^2 \cdot L' C'\cdot \left [-1 +\sqrt{(1 + \frac{R\hspace{0.03cm}'^2}{ \omega^2 \cdot L\hspace{0.03cm}'^2}) \cdot (1 + \frac{G\hspace{0.03cm}'^2}{ \omega^2 \cdot C\hspace{0.03cm}'^2})} \hspace{0.1cm} \right]$$
$$\Rightarrow \; \; 2 \cdot \alpha^2(\omega) \approx R\hspace{0.03cm}' G\hspace{0.03cm}' + \omega^2 \cdot L' C\hspace{0.03cm}'\cdot \left [-1 +\sqrt{1 + \frac{R'^2}{ \omega^2 \cdot L'^2}+ \frac{G\hspace{0.03cm}'^2}{ \omega^2 \cdot C\hspace{0.03cm}'^2}} \hspace{0.1cm} \right].$$
  • Über die für kleine  $x$  gültige Näherung  $\sqrt{1 + x}\approx 1+x/2$  kommt man zum Zwischenergebnis für (unendlich) große Frequenzen:
$$2 \cdot \alpha^2(\omega \rightarrow \infty) = R\hspace{0.03cm}' G\hspace{0.05cm}' + \omega^2 \cdot L' C\hspace{0.05cm}'\cdot \left [ -1 +1 + {1}/{2} \cdot \left ( \frac{R\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2}{ \omega^2 \cdot L\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2}+ \frac{G\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2}{ \omega^2 \cdot C\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2} \right) \hspace{0.1cm} \right] $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} 2 \cdot \alpha^2(\omega \rightarrow \infty) = \frac{2 \cdot R\hspace{0.03cm}' G\hspace{0.03cm}' C\hspace{0.03cm}' L'+ R\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2 C\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2+ G\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2 L\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2}{2 \cdot C\hspace{0.03cm}' L\hspace{0.03cm}' }= \frac{(R\hspace{0.03cm}' C\hspace{0.03cm}' + G\hspace{0.03cm}' L\hspace{0.03cm}')^2}{2 \cdot C\hspace{0.03cm}' L\hspace{0.03cm}' }$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \alpha(\omega \rightarrow \infty) = {1}/{2}\cdot \frac{R\hspace{0.03cm}' C\hspace{0.03cm}' + G\hspace{0.03cm}' L\hspace{0.03cm}'}{\sqrt{ C\hspace{0.03cm}' L\hspace{0.03cm}' }}= {1}/{2}\cdot \left [R\hspace{0.03cm}' \cdot \sqrt{\frac{C\hspace{0.03cm}'}{L\hspace{0.03cm}'}}+G\hspace{0.03cm}' \cdot \sqrt{\frac{L\hspace{0.03cm}'}{C\hspace{0.03cm}'}}\right]\hspace{0.05cm}.$$
  • Mit den eingesetzten Zahlenwerten ergibt sich
$$\alpha(f \rightarrow \infty) = \alpha(\omega \rightarrow \infty) = {0.5\,{\rm Np/km}}\cdot \left [100 \cdot \sqrt{\frac{2 \cdot 10^{-7}}{2 \cdot10^{-3}}}+10^{-6} \cdot \sqrt{\frac{2 \cdot10^{-3}}{2 \cdot10^{-7}}}\right] \hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.5 \, {\rm Np}/{\rm km}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Für kleine Frequenzen gilt  $\omega L\hspace{0.03cm}' \ll R\hspace{0.03cm}'$  und  $ \omega C\hspace{0.03cm}' \gg G\hspace{0.03cm}'$.

  • Unter Vernachlässigung des  $\omega^2$–Anteils erhält man:
$$\alpha(f) = \sqrt{\frac {1}{2}\cdot \left (R\hspace{0.03cm}' G\hspace{0.03cm}' - \omega^2 \cdot L\hspace{0.03cm}' C\hspace{0.03cm}'\right)+ \frac {1}{2}\sqrt{(R\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2 + \omega^2 \cdot L\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2) \cdot (G\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2+ \omega^2 \cdot C\hspace{0.03cm}'\hspace{0.03cm}^2)}} \hspace{0.1cm}\bigg |_{\hspace{0.05cm}\omega \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}2\pi f}$$
$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} \alpha(f) \approx \sqrt{\frac {R\hspace{0.03cm}' G\hspace{0.03cm}'}{2}+ \frac {R\hspace{0.03cm}' \cdot \omega C\hspace{0.03cm}'}{2}} \hspace{0.1cm}\bigg |_{\hspace{0.03cm}\omega \hspace{0.05cm}= \hspace{0.05cm}2\pi f} \approx \sqrt{ {1}/{2} \cdot f \cdot R\hspace{0.03cm}' \cdot 2 \pi C\hspace{0.03cm}'} \hspace{0.05cm}.$$
  • Hierbei ist berücksichtigt, dass der erste Anteil gemäß Teilaufgabe  (1)  außer bei der Frequenz  $f = 0$  vernachlässigt werden kann.
  • Für die Frequenz  $f = 1 \ \rm kHz$  ergibt sich die Näherung
$$\alpha(f = 1\,{\rm kHz}) = \sqrt{ {1}/{2} \cdot 10^{3}\,{\rm Hz} \cdot 100\,\frac{\rm \Omega }{ {\rm km}} \cdot 2 \cdot 10^{-7} \,\frac{\rm s }{ {\rm \Omega \cdot km}}} \hspace{0.15cm}\underline{= 0.1\,{\rm Np }/{ {\rm km}}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Für die Frequenz  $f = 4 \ \rm kHz$  ist das Dämpfungsmaß doppelt so groß:
$$\alpha(f = 4\,{\rm kHz}) \hspace{0.15cm}\underline{ = 0.2\,{\rm Np }/{ {\rm km}}} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Für den Wellenwiderstand gilt bei niedrigen Frequenzen näherungsweise:

$$Z_{\rm W}(f) = \sqrt{\frac {R\hspace{0.03cm}' + {\rm j} \cdot f \cdot 2 \pi L\hspace{0.03cm}'}{G\hspace{0.03cm}' + {\rm j} \cdot f \cdot 2 \pi C\hspace{0.03cm}'}} \approx \sqrt\frac{1 }{ {\rm j}} \cdot \sqrt{\frac {R\hspace{0.03cm}' }{ f \cdot 2 \pi C\hspace{0.03cm}'}}= (1 - {\rm j})\cdot \sqrt{\frac {R\hspace{0.03cm}' }{ 2 \cdot f \cdot 2 \pi C\hspace{0.03cm}'}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Mit den angegebenen Leitungsbeschlägen erhält man:
$${\rm Re}\{Z_{\rm W}(f= 1\,{\rm kHz})\} = \sqrt{\frac {100\,{\rm \Omega/km }}{ 2 \cdot 10^{3}\,{\rm Hz} \cdot 2 \cdot 10^{-7} \,{\rm s/(\Omega \cdot km) }}} \hspace{0.15cm}\underline{= 500\,{\rm \Omega}}\hspace{0.05cm},$$
$$ {\rm Im}\{Z_{\rm W}(f= 1\,{\rm kHz})\} = -{\rm Re}\{Z_{\rm W}(f= 1\,{\rm kHz})\}\hspace{0.15cm}\underline{= -500\,{\rm \Omega}}\hspace{0.05cm}.$$