Obvod s distribuovanými prvky - Distributed-element circuit

A nízkošumový převodník bloků s distribuovanými prvky. Obvody vpravo jsou soustředěné prvky. Obvody s distribuovanými prvky jsou uprostřed a nalevo od středu a jsou konstruovány v mikropáskový.

Obvody s distribuovanými prvky jsou elektrické obvody složený z délek přenosové linky nebo jiné distribuované komponenty. Tyto obvody plní stejné funkce jako běžné obvody složené z pasivní komponenty, jako např kondenzátory, induktory, a transformátory. Používají se většinou na mikrovlnná trouba frekvence, kde je obtížné (nebo nemožné) implementovat konvenční komponenty.

Konvenční obvody se skládají z jednotlivých komponentů vyráběných samostatně a následně spojených dohromady vodivým médiem. Obvody s distribuovanými prvky jsou vytvářeny formováním samotného média do konkrétních vzorů. Hlavní výhodou obvodů s distribuovanými prvky je, že je lze levně vyrobit jako a tištěný spoj pro spotřební zboží, jako např satelitní televize. Jsou také vyrobeny v koaxiální a vlnovod formáty pro aplikace jako radar, satelitní komunikace, a mikrovlnné spoje.

Fenomén běžně používaný v obvodech s distribuovanými prvky spočívá v tom, že lze délku přenosového vedení chovat jako a rezonátor. Součásti s distribuovanými prvky, které to dělají, zahrnují pahýly, spojené linky a kaskádové řádky. Obvody postavené z těchto komponent zahrnují filtry, děliče výkonu, směrové vazební členy, a oběhová čerpadla.

Obvody s distribuovanými prvky byly studovány během dvacátých a třicátých let, ale až poté se staly důležitými druhá světová válka, kdy byly použity v radar. Po válce bylo jejich použití omezeno na armádu, vesmír a vysílání infrastruktura, ale vylepšení v věda o materiálech v oboru brzy vedlo k širším aplikacím. Nyní je lze najít v domácích výrobcích, jako jsou satelitní antény a mobilní telefony.

A dolní propust jako běžné diskrétní komponenty připojené na a tištěný spoj (vlevo) a jako design s distribuovanými prvky vytištěný na samotné desce (vpravo)

Modelování obvodů

Obvody s distribuovanými prvky jsou navrženy s model s distribuovanými prvky, alternativa k model se soustředěnými prvky ve kterém pasivní elektrické prvky z elektrický odpor, kapacita a indukčnost se předpokládá, že jsou "soustředěny" v jednom bodě ve vesmíru v a odpor, kondenzátor nebo induktor, resp. Model s distribuovanými prvky se používá, když tento předpoklad již neplatí, a tyto vlastnosti se považují za distribuované v prostoru. Předpoklad se rozpadá, když je na to značný čas elektromagnetické vlny cestovat z jednoho terminálu komponenty do druhého; „významné“ v této souvislosti znamená dostatek času na znatelné fáze změna. Míra fázové změny závisí na vlnách frekvence (a nepřímo závislý na vlnová délka ). Běžným pravidlem mezi inženýry je změna ze soustředěného na distribuovaný model, pokud jsou zahrnuté vzdálenosti větší než jedna desetina vlnové délky (změna fáze 36 °). Soustředěný model zcela selže při vlnové délce jedné čtvrtiny (fázová změna 90 °), přičemž nejen hodnota, ale povaha součásti není taková, jak byla předpovězena. Kvůli této závislosti na vlnové délce se model distribuovaných prvků používá většinou na vyšších frekvencích; při nízkých frekvencích jsou komponenty s distribuovanými prvky příliš objemné. Distribuované vzory jsou možné výše 300 MHz, a jsou technologií volby na mikrovlnná trouba frekvence výše 1 GHz.^[1]

Frekvence, s jakou by tyto modely měly být používány, není jasně vymezena. Ačkoli přechod je obvykle někde v 100 na500 MHz rozsah, významný je také technologický rozsah; miniaturizované obvody mohou používat soustředěný model na vyšší frekvenci. Desky plošných spojů (PCB) pomocí průchozí díra technologie jsou větší než použití ekvivalentních vzorů technologie povrchové montáže. Hybridní integrované obvody jsou menší než technologie PCB a monolitické integrované obvody jsou menší než oba. Integrované obvody může používat soustředěné vzory na vyšších frekvencích než tištěné obvody, a to se u některých dělá rádiová frekvence integrované obvody. Tato volba je zvláště významná pro ruční zařízení, protože konstrukce se soustředěnými prvky obecně vedou k menšímu produktu.^[2]

Konstrukce s přenosovým vedením

Frekvenční odezva pátého řádu Čebyševův filtr vyrobeno z koncentrovaných (nahoře) a distribuovaných komponent (dole)

Drtivá většina obvodů s distribuovanými prvky se skládá z délek přenosové vedení, obzvláště jednoduchá forma k modelování. Průřezové rozměry čáry se nemění podél její délky a jsou malé ve srovnání s vlnovou délkou signálu; je tedy třeba vzít v úvahu pouze rozdělení po délce vedení. Takový prvek distribuovaného obvodu je zcela charakterizován svou délkou a charakteristická impedance. Další zjednodušení nastává v úměrné liniovým obvodům, kde jsou všechny prvky stejné délky. S odpovídajícími obvody, soustředěný obvodový design prototyp skládající se z kondenzátorů a induktorů lze přímo převést na distribuovaný obvod s korespondencí jedna k jedné mezi prvky každého obvodu.^[3]

Odpovídající linkové obvody jsou důležité, protože existuje teorie návrhu pro jejich výrobu; neexistuje žádná obecná teorie pro obvody skládající se z libovolných délek přenosového vedení (nebo libovolných tvarů). I když lze libovolný tvar analyzovat pomocí Maxwellovy rovnice k určení jeho chování je nalezení užitečných struktur otázkou pokusů a omylů nebo dohadů.^[4]

Důležitým rozdílem mezi obvody s distribuovanými prvky a obvody se soustředěnými prvky je to, že frekvenční odezva distribuovaného obvodu se periodicky opakuje, jak je znázorněno na Čebyševův filtr příklad; ekvivalentní soustředěný obvod není. To je výsledek přenosová funkce koncentrovaných forem, které jsou racionální funkce z komplexní frekvence; distribuované formy jsou iracionální funkcí. Další rozdíl je v tom kaskádové připojení délky vedení zavádějí pevné zpoždění na všech frekvencích (za předpokladu, že ideální linie ). V soustředěných obvodech neexistuje ekvivalent pro pevné zpoždění, i když pro omezený frekvenční rozsah by mohla být vytvořena aproximace.^[5]

Výhody a nevýhody

Distribuované obvody jsou v některých formátech levné a snadno se vyrábějí, ale zabírají více místa než obvody se soustředěnými prvky. To je problematické u mobilních zařízení (zejména ručních), kde je místo za špičkovou cenu. Pokud provozní frekvence nejsou příliš vysoké, může návrhář spíše miniaturizovat komponenty než přepínat na distribuované prvky. Nicméně, parazitické prvky a odporové ztráty v soustředěných součástech jsou větší se zvyšující se frekvencí v poměru k nominální hodnotě impedance soustředěných prvků. V některých případech mohou návrháři zvolit vylepšený design s distribuovanými prvky (i když jsou k dispozici soustředěné komponenty s touto frekvencí) kvalitní. Distribuované prvky mají tendenci mít větší schopnost manipulace s výkonem; s koncentrovanou složkou je veškerá energie procházející obvodem koncentrována v malém objemu.^[6]

Média

Spárované vodiče

Existuje několik typů přenosových vedení a jakýkoli z nich lze použít ke konstrukci obvodů s distribuovanými prvky. Nejstarší (a stále nejpoužívanější) je dvojice vodičů; jeho nejběžnější forma je kroucená dvojlinka, používané pro telefonní linky a připojení k internetu. Pro obvody s distribuovanými prvky se často nepoužívá, protože použité frekvence jsou nižší než bod, kde se stávají výhodnými návrhy distribuovaných prvků. Návrháři však často začínají s designem soustředěných prvků a převádějí jej na design s otevřeným drátem s distribuovanými prvky. Otevřený vodič je dvojice paralelních neizolovaných vodičů používaných například pro telefonní linky na telegrafní sloupy. Návrhář obvykle nemá v úmyslu implementovat obvod v této podobě; jedná se o mezikrok v procesu návrhu. Designy s distribuovanými prvky s páry vodičů jsou omezeny na několik specializovaných použití, jako např Lecherovy linie a dvojité vedení používá anténa přívodní potrubí.^[7]

Koaxiální

Kolekce koaxiálních směrové spojky. Jeden má odstraněný kryt, který ukazuje jeho vnitřní strukturu.

Koaxiální vedení, střední vodič obklopený izolovaným stínícím vodičem, je široce používán pro propojení jednotek mikrovlnného zařízení a pro přenosy na delší vzdálenosti. Přestože se koaxiální zařízení s distribuovanými prvky běžně vyráběla během druhé poloviny 20. století, byla kvůli mnoha nákladům a velikosti nahrazena v mnoha aplikacích planárními formami. Vzduch-dielektrikum koaxiální linka se používá pro aplikace s nízkými ztrátami a vysokým výkonem. Obvody s distribuovanými prvky v jiných médiích stále běžně přecházejí na koaxiální konektory na okruhu porty pro účely propojení.^[8]

Rovinný

Většina moderních obvodů s distribuovanými prvky používá planární přenosová vedení, zejména v hromadně vyráběných spotřebních předmětech. Existuje několik forem rovinné linie, ale druh známý jako mikropáskový je nejčastější. Může být vyroben stejným způsobem jako desky plošných spojů a proto je levná výroba. Rovněž se hodí k integraci se soustředěnými obvody na stejné desce. Mezi další formy tištěných rovinných čar patří páskové vedení, finline a mnoho variací. Rovinné čáry lze také použít v monolitické mikrovlnné integrované obvody, kde jsou nedílnou součástí čipu zařízení.^[9]

Vlnovod

A vlnovodový filtr

Mnoho návrhů distribuovaných prvků lze přímo implementovat do vlnovodu. V tomto násobku však existuje další komplikace s vlnovody režimy jsou možné. Někdy existují současně a tato situace nemá analogii s vedením vedení. Vlnovody mají výhodu nižší ztráty a vyšší kvality rezonátory přes vedení, ale jejich relativní náklady a objem znamenají, že je často preferován mikropáskový. Vlnovod většinou nachází uplatnění ve špičkových produktech, jako jsou vysoce výkonné vojenské radary a horní mikrovlnná pásma (kde jsou planární formáty příliš ztrátové). Vlnovod se stává objemnější s nižší frekvencí, což brání jeho použití v nižších pásmech.^[10]

Mechanické

V několika speciálních aplikacích, jako je mechanické filtry ve špičkových rádiových vysílačích (námořní, vojenské, amatérské) mohou být elektronické obvody implementovány jako mechanické součásti; to se děje z velké části kvůli vysoké kvalitě mechanických rezonátorů. Používají se v rádiová frekvence pásmo (pod mikrovlnnými frekvencemi), kde by jinak bylo možné použít vlnovody. Mechanické obvody mohou být také implementovány, zcela nebo zčásti, jako obvody s distribuovanými prvky. Frekvence, při které je přechod na design s distribuovanými prvky proveditelný (nebo nezbytný), je u mechanických obvodů mnohem nižší. Je to proto, že rychlost, kterou signály procházejí mechanickým médiem, je mnohem nižší než rychlost elektrických signálů.^[11]

Součásti obvodu

Existuje několik struktur, které se opakovaně používají v obvodech s distribuovanými prvky. Některé z běžných jsou popsány níže.

Pahýl

Pahýl je krátká linie, která se větví na stranu hlavní linie. Konec pahýlu je často ponechán otevřený nebo zkratovaný, ale může být také ukončen koncentrovanou komponentou. Pahýl lze použít samostatně (například pro impedanční přizpůsobení ), nebo několik z nich lze použít společně ve složitějším obvodu, jako je filtr. Pahýl může být navržen jako ekvivalent koncentrovaného kondenzátoru, induktoru nebo rezonátoru.^[12]

Filtr na motýl

Odchylky od konstrukce s jednotnými přenosovými linkami v obvodech s distribuovanými prvky jsou vzácné. Jeden takový odchod, který je široce používán, je radiální pahýl, který má tvar a sektor kruhu. Často se používají ve dvojicích, jeden na obou stranách hlavního přenosového vedení. Takovým párům se říká motýlí nebo motýlek.^[13]

Spojené linky

Spojená vedení jsou dvě přenosová vedení, mezi nimiž je určité elektromagnetické spojka. Spojka může být přímá nebo nepřímá. V nepřímé vazbě jsou obě čáry vedeny těsně vedle sebe na vzdálenost, aniž by mezi nimi došlo ke stínění. Síla spojky závisí na vzdálenosti mezi čarami a průřezem představeným druhé linii. V přímé vazbě odbočky přímo spojují dvě hlavní vedení v intervalech.^[14]

Spojené čáry jsou běžnou metodou konstrukce děliče výkonu a směrové vazební členy. Další vlastností spojených linek je, že fungují jako pár spojených rezonátory. Tato vlastnost se používá v mnoha filtrech distribuovaných prvků.^[15]

Kaskádové čáry

An snímač orthomode (Různé duplexní jednotka ) se stupňovitým přizpůsobováním impedance

Kaskádové linky jsou délky přenosové linky, kde je výstup jedné linky spojen se vstupem další. K vytvoření filtru nebo širokopásmové sítě pro přizpůsobení impedance lze použít několik kaskádových linek různých charakteristických impedancí. Tomu se říká stupňovitá impedanční struktura.^[16] Jedna kaskádová linie o délce jedné čtvrtiny vlnové délky tvoří a čtvrtvlnný impedanční transformátor. To má užitečnou vlastnost transformace jakékoli impedanční sítě na její dvojí; v této roli se tomu říká impedanční invertor. Tuto strukturu lze použít ve filtrech k implementaci prototypu soustředěného prvku dovnitř topologie žebříku jako obvod s distribuovanými prvky. K dosažení tohoto cíle jsou čtvrtvlnové transformátory střídány rezonátorem s distribuovanými prvky. Toto je však nyní datovaný design; místo toho se používají kompaktnější měniče, například krok impedance. Impedanční krok je diskontinuita vytvořená na křižovatce dvou kaskádových přenosových vedení s různými charakteristickými impedancemi.^[17]

Dutinový rezonátor

A dutinový rezonátor je prázdný (nebo někdy dielektricky vyplněný) prostor obklopený vodivými stěnami. Otvory ve stěnách spojují rezonátor se zbytkem obvodu. Rezonance dochází v důsledku elektromagnetických vln odražených tam a zpět od ustavování stěn dutiny stojaté vlny. Dutinové rezonátory lze použít v mnoha médiích, ale nejpřirozeněji se tvoří ve vlnovodu z již existujících kovových stěn vodítka.^[18]

Dielektrický rezonátor

Dielektrický rezonátor je část dielektrického materiálu vystaveného elektromagnetickým vlnám. Je to nejčastěji ve formě válce nebo silného disku. Ačkoli dutinové rezonátory mohou být vyplněny dielektrikem, zásadní rozdíl je v tom, že v dutinových rezonátorech je elektromagnetické pole zcela obsaženo ve stěnách dutiny. Dielektrický rezonátor má nějaké pole v okolním prostoru. To může vést k nežádoucímu propojení s jinými součástmi. Hlavní výhodou dielektrických rezonátorů je, že jsou podstatně menší než ekvivalentní vzduchem naplněná dutina.^[19]

Spirálový rezonátor

Spirálový rezonátor je a spirála drátu v dutině; jeden konec je nespojený a druhý je spojen se stěnou dutiny. Ačkoli jsou povrchově podobné soustředěným induktorům, spirálové rezonátory jsou součástmi s distribuovanými prvky a používají se v VHF a nižší UHF kapel.^[20]

Fraktály

Tří iterační Hilbertův fraktální rezonátor v mikropásku^[21]

Použití fraktální -jako křivky jako součást obvodu je vznikající pole v obvodech s distribuovanými prvky.^[22] Fraktály byly použity k výrobě rezonátorů pro filtry a antény. Jednou z výhod používání fraktálů je jejich vlastnost vyplňování prostoru, díky čemuž jsou menší než jiné designy.^[23] Mezi další výhody patří schopnost vyrábět širokopásmový a vícepásmový designy, dobrý výkon v pásmu a dobrý mimo pásmo odmítnutí.^[24] V praxi nelze udělat skutečný fraktál, protože u každého fraktální iterace výrobní tolerance se zpřísňují a jsou nakonec větší, než může konstrukční metoda dosáhnout. Po malém počtu iterací je však výkon blízký výkonu skutečného fraktálu. Mohou být voláni pre-fraktály nebo fraktály konečného řádu kde je nutné odlišit od skutečného fraktálu.^[25]

Fraktály, které byly použity jako součást obvodu, zahrnují Sněhová vločka Koch, Ostrov Minkowski, Sierpiński křivka, Hilbertova křivka, a Peanoova křivka.^[26] První tři jsou uzavřené křivky, vhodné pro patch antény. Poslední dvě jsou otevřené křivky s koncovkami na opačných stranách fraktálu. Díky tomu jsou vhodné pro použití tam, kde je připojení v kaskáda je požadováno.^[27]

Kužel

Kužel je přenosové vedení s postupnou změnou průřezu. Lze jej považovat za limitující případ stupňovité impedanční struktury s nekonečným počtem kroků.^[28] Zúžení představují jednoduchý způsob spojení dvou přenosových vedení s různými charakteristickými impedancemi. Použití zúžení výrazně snižuje neshody, které by přímé spojení způsobilo. Pokud změna průřezu není příliš velká, nemusí být zapotřebí žádné jiné odpovídající obvody.^[29] Zúžení může poskytnout přechody mezi řádky v různých médiích, zejména v různých formách rovinných médií.^[30] Zúžení obvykle mění tvar lineárně, ale lze použít celou řadu dalších profilů. Profil, který dosahuje zadané shody v nejkratší délce, je známý jako Klopfensteinův úkos a je založen na Chebychevův filtr design.^[31]

Zúžení lze použít k přizpůsobení přenosového vedení k anténě. V některých provedeních, například klaksonová anténa a Vivaldiho anténa, kužel je sám o sobě anténou. Horn antény, stejně jako ostatní zužující se, jsou často lineární, ale nejlepší shoda se získá s exponenciální křivkou. Anténa Vivaldi je plochá (slotová) verze exponenciálního zúžení.^[32]

Distribuovaný odpor

Odporové prvky nejsou obecně v obvodu s distribuovanými prvky užitečné. V systému však lze použít distribuované odpory tlumiče a řádek ukončení. V rovinných médiích mohou být implementovány jako meandrující řada vysoce odolného materiálu nebo jako deponovaná záplata tenký film nebo tlustý film materiál.^[33] Ve vlnovodu může být do vlnovodu vložena karta materiálu absorbujícího mikrovlnné záření.^[34]

Bloky obvodů

Filtry a přizpůsobení impedance

Mikropáskový pásmový průchod vlásenka filtr (vlevo), následovaný a dolní propust pahýlový filtr

Filtry představují velké procento obvodů konstruovaných s distribuovanými prvky. K jejich konstrukci se používá široká škála struktur, včetně pahýlů, spojených linií a kaskádových linií. Varianty zahrnují interdigitální filtry, kombinované filtry a vlásenky. Mezi nejnovější vývoj patří fraktální filtry.^[35] Mnoho filtrů je konstruováno ve spojení s dielektrické rezonátory.^[36]

Stejně jako u filtrů se soustředěnými prvky platí, že čím více použitých prvků, tím blíže se filtr blíží k ideální reakce; struktura se může stát docela složitou.^[37] Pro jednoduché úzkopásmové požadavky může stačit jeden rezonátor (například pahýl nebo spurline filtr ).^[38]

Impedanční přizpůsobení pro úzkopásmové aplikace se často dosahuje pomocí jediného přizpůsobovacího pahýl. Pro širokopásmové aplikace však síť přizpůsobující impedanci předpokládá design podobný filtru. Návrhář předepíše požadovanou frekvenční odezvu a navrhne filtr s touto odezvou. Jediným rozdílem od standardní konstrukce filtru je to, že se liší zdroj filtru a impedance zátěže.^[39]

Rozdělovače výkonu, slučovače a směrové vazební členy

Microstrip sawtooth directional coupler, varianta sdružených linek směrového vazebního členu^[40]

Směrový vazební člen je zařízení se čtyřmi porty, které spojuje energii proudící v jednom směru z jedné cesty do druhé. Dva z portů jsou vstupní a výstupní porty hlavní linky. Část energie vstupující do vstupního portu je připojena ke třetímu portu, známému jako spojený port. Žádná ze sil vstupujících do vstupního portu není spojena se čtvrtým portem, obvykle známým jako izolovaný port. U energie proudící v opačném směru a vstupující do výstupního portu dochází k vzájemné situaci; část energie je spojena s izolovaným portem, ale žádná není spojena s propojeným portem.^[41]

Rozdělovač výkonu je často konstruován jako směrový vazební člen, přičemž izolovaný port je trvale zakončen shodnou zátěží (což z něj ve skutečnosti činí zařízení se třemi porty). Mezi těmito dvěma zařízeními není podstatný rozdíl. Termín směrový vazební člen se obvykle používá, když je vazební faktor (podíl výkonu dosahující spojený port) nízký a dělič síly když je spojovací faktor vysoký. Silovač výkonu je jednoduše rozdělovač výkonu používaný opačně. V implementacích s distribuovanými prvky používajících spojené linky jsou nepřímo spojené linky vhodnější pro směrové vazební členy s nízkou vazbou; přímo dělené odbočné spojky jsou vhodnější pro děliče výkonu s vysokou vazbou.^[42]

Designy s distribuovanými prvky se spoléhají na délku prvku jedné čtvrtiny vlnové délky (nebo jiné délky); to bude platit pouze na jedné frekvenci. Jednoduché designy proto mají omezený šířka pásma na kterých budou úspěšně pracovat. Stejně jako sítě pro impedanční přizpůsobení vyžaduje širokopásmový design více sekcí a design začíná připomínat filtr.^[43]

Hybridy

Hybridní prsten, který se používá k výrobě součtových a rozdílových signálů

Směrový vazební člen, který rozděluje výkon rovnoměrně mezi výstupní a spojené porty (a 3 dB vazební člen) se nazývá a hybridní.^[44] Ačkoli „hybrid“ původně odkazoval na a hybridní transformátor (koncentrované zařízení používané v telefonech), má nyní širší význam. Široce používaný hybrid s distribuovanými prvky, který nepoužívá spojené linky, je hybridní prsten nebo krysí závod. Každý z jeho čtyř portů je připojen k prstenci přenosového vedení v jiném bodě. Vlny se pohybují v opačných směrech kolem prstence a nastavují se stojaté vlny. V některých bodech prstenu destruktivní rušení má za následek null; žádná energie nezanechá port nastavený v tomto bodě. V ostatních bodech konstruktivní interference maximalizuje přenášený výkon.^[45]

Dalším využitím hybridního vazebního členu je produkce součtu a rozdílu dvou signálů. Na obrázku jsou dva vstupní signály přiváděny do portů označených 1 a 2. Součet těchto dvou signálů se objeví v portu označeném Σ a rozdíl v portu označeném Δ.^[46] Kromě jejich použití jako vazebních členů a rozdělovačů výkonu lze použít směrové vazební členy vyvážené mixéry, frekvenční diskriminátory, tlumiče, fázové měniče, a anténní pole krmit sítí.^[47]

Oběhová čerpadla

Koaxiální feritové oběhové čerpadlo pracující v 1 GHz

Cirkulační čerpadlo je obvykle tří- nebo čtyřportové zařízení, ve kterém se síla vstupující do jednoho portu přenáší rotací na další port, jako by byla kolem kruhu. Síla může proudit pouze jedním směrem kolem kruhu (ve směru nebo proti směru hodinových ručiček) a žádná energie se nepřenáší na žádný z ostatních portů. Většina oběhových čerpadel s distribuovanými prvky je založena na ferit materiály.^[48] Použití oběhových čerpadel zahrnuje jako izolátor k ochraně vysílače (nebo jiného zařízení) před poškozením v důsledku odrazů od antény a jako duplexní jednotka připojení antény, vysílače a přijímače rádiového systému.^[49]

Neobvyklá aplikace oběhového čerpadla je v odrazový zesilovač, Kde negativní odpor a Gunnova dioda se používá k odrážení zpět většího výkonu, než kolik obdržel. Oběhové čerpadlo se používá k směrování vstupního a výstupního toku energie do samostatných portů.^[50]

Pasivní obvody, soustředěné i distribuované, jsou téměř vždy reciproční; oběhová čerpadla jsou však výjimkou. Existuje několik ekvivalentních způsobů, jak definovat nebo reprezentovat vzájemnost. Vhodný pro obvody na mikrovlnných frekvencích (kde se používají obvody s distribuovanými prvky) je z hlediska jejich S-parametry. Reciproční obvod bude mít matici S-parametrů, [S], který je symetrický. Z definice oběhového čerpadla je zřejmé, že tomu tak nebude,

${ displaystyle [S] = { začátek {pmatrix} 0 & 0 & 1 1 & 0 & 0 0 & 1 & 0 end {pmatrix}}}$

pro ideální tříportový oběhový systém, který ukazuje, že oběhová čerpadla jsou ze své podstaty nereciproční. Z toho vyplývá, že je nemožné sestavit oběhové čerpadlo ze standardních pasivních komponent (koncentrovaných nebo distribuovaných). Pro fungování zařízení je nezbytná přítomnost feritu nebo jiného nerecipročního materiálu nebo systému.^[51]

Aktivní komponenty

Mikropáskový obvod s diskrétními miniaturními tranzistory pro povrchovou montáž - balíčky, kondenzátory a rezistory ve formě čipů a - předpětí filtry jako distribuované prvky

Distribuované prvky jsou obvykle pasivní, ale většina aplikací bude vyžadovat aktivní součásti v určité roli. Mikrovlnná trouba hybridní integrovaný obvod používá distribuované prvky pro mnoho pasivních komponent, ale aktivní komponenty (např diody, tranzistory a některé pasivní součásti) jsou diskrétní. Aktivní složky mohou být zabaleny nebo mohou být umístěny na Podklad ve formě čipu bez individuálního balení, aby se zmenšila velikost a eliminovalo se balení paraziti.^[52]

Distribuované zesilovače se skládají z řady zesilovacích zařízení (obvykle FET ), přičemž všechny jejich vstupy jsou připojeny prostřednictvím jednoho přenosového vedení a všechny jejich výstupy přes jiné přenosové vedení. Aby mohl obvod správně fungovat, musí být délky obou linek mezi každým tranzistorem stejné a každý tranzistor zvyšuje výstup zesilovače. To se liší od konvenčních vícestupňový zesilovač, Kde získat se vynásobí ziskem každé fáze. Přestože má distribuovaný zesilovač nižší zisk než konvenční zesilovač se stejným počtem tranzistorů, má výrazně větší šířku pásma. V konvenčním zesilovači je šířka pásma snížena o každý další stupeň; v distribuovaném zesilovači je celková šířka pásma stejná jako šířka pásma jednoho stupně. Distribuované zesilovače se používají, když by jeden velký tranzistor (nebo komplexní multi-tranzistorový zesilovač) byl příliš velký na to, aby se s ním dalo zacházet jako s koncentrovanou složkou; spojovací přenosové linky oddělují jednotlivé tranzistory.^[53]

Dějiny

Oliver Heaviside

Modelování distribuovaných prvků bylo poprvé použito v analýze elektrických sítí společností Oliver Heaviside^[54] v roce 1881. Heaviside ho použil k nalezení správného popisu chování signálů na internetu transatlantický telegrafní kabel. Přenos časného transatlantického telegrafu byl kvůli tomu obtížný a pomalý disperze, účinek, který nebyl v té době dobře pochopen. Heavisideova analýza, nyní známá jako telegrafické rovnice, identifikoval problém a navrhl^[55] metody jeho překonání. Zůstává standardní analýzou přenosových linek.^[56]

Warren P. Mason jako první prošetřil možnost obvodů s distribuovanými prvky a podal patent^[57] v roce 1927 pro koaxiální filtr navržený touto metodou. Mason a Sykes publikovali definitivní dokument o této metodě v roce 1937. Mason byl také první, kdo ve své disertační práci z roku 1927 navrhl akustický filtr s distribuovanými prvky a patentovaný filtr s distribuovanými prvky v patentu^[58] podána v roce 1941. Masonova práce se týkala koaxiálního tvaru a dalších vodivých drátů, i když většina z nich mohla být upravena také pro vlnovod. Akustická práce byla na prvním místě a Masonovi kolegové v Bell Labs rádiové oddělení ho požádalo o pomoc s koaxiálními a vlnovodovými filtry.^[59]

Před druhá světová válka, po obvodech s distribuovanými prvky byla malá poptávka; frekvence používané pro rádiové přenosy byly nižší než bod, ve kterém se distribuované prvky staly výhodnými. Nižší frekvence měly větší rozsah, což bylo primárně zvažováno přenos účely. Tyto frekvence vyžadují pro efektivní provoz dlouhé antény, což vedlo k práci na vysokofrekvenčních systémech. Klíčovým průlomem bylo zavedení dutinový magnetron které fungovaly v mikrovlnném pásmu a vedly k tomu, že radarové vybavení bylo dostatečně malé na to, aby se instalovalo do letadel.^[60] Následoval nárůst vývoje filtrů s distribuovanými prvky, přičemž filtry byly podstatnou součástí radarů. Ztráta signálu v koaxiálních součástech vedla k prvnímu rozšířenému použití vlnovodu, který rozšířil filtrační technologii z koaxiální domény do domény vlnovodu.^[61]

Válečná práce byla z bezpečnostních důvodů většinou nepublikována až po válce, což ztěžovalo zjištění, kdo je za každý vývoj zodpovědný. Důležitým centrem pro tento výzkum byl Radiační laboratoř MIT (Rad Lab), ale pracovalo se i jinde v USA a Británii. Práce Rad Lab byla zveřejněna^[62] Fano a Lawson.^[63] Dalším válečným vývojem byl hybridní prsten. Tato práce byla provedena v Bell Labs, a byla zveřejněna^[64] po válce W. A. ​​Tyrrella. Tyrrell popisuje hybridní prstence implementované ve vlnovodu a analyzuje je z hlediska známého vlnovodu magické tričko. Další vědci^[65] brzy zveřejněny koaxiální verze tohoto zařízení.^[66]

George Matthaei vedl výzkumnou skupinu v Stanford Research Institute který zahrnoval Leo Young a byl zodpovědný za mnoho návrhů filtrů. Matthaei nejprve popsal interdigitální filtr^[67] a kombinovaný filtr.^[68] Práce skupiny byla zveřejněna^[69] v mezníkové knize z roku 1964 pojednávající o stavu návrhu obvodů s distribuovanými prvky v té době, který po mnoho let zůstal významným referenčním dílem.^[70]

Planární formáty se začaly používat s vynálezem páskové vedení podle Robert M. Barrett. Ačkoli pásková linka byla dalším válečným vynálezem, její podrobnosti nebyly zveřejněny^[71] do roku 1951. Mikropáskový, vynalezený v roce 1952,^[72] stal se obchodním soupeřem páskového vedení; avšak v mikrovlnných aplikacích se planární formáty nezačaly široce používat, dokud nebyly v 60. letech pro substráty k dispozici lepší dielektrické materiály.^[73] Další strukturou, která musela čekat na lepší materiály, byl dielektrický rezonátor. Nejprve byly zdůrazněny jeho výhody (kompaktní velikost a vysoká kvalita)^[74] R. D. Richtmeyerem v roce 1939, ale materiály s dobrou teplotní stabilitou byly vyvinuty až v 70. letech. Filtry dielektrického rezonátoru jsou nyní běžné ve filtrech vlnovodů a přenosových vedení.^[75]

Zahrnut důležitý teoretický vývoj Paul I. Richards ' teorie úměrné linii, který byl zveřejněn^[76] v roce 1948 a Kurodovy identity, sada transformuje který překonal některá praktická omezení Richardsovy teorie, publikoval^[77] Kuroda v roce 1955.^[78] Podle Nathana Cohena logicko-periodická anténa, vynalezli Raymond DuHamel a Dwight Isbell v roce 1957 by měla být považována za první fraktální anténu. V té době však chyběla jeho sebepodobná povaha, a tedy i její vztah k fraktálům. Stále to není obvykle klasifikováno jako fraktální anténa. Cohen byl první, kdo výslovně identifikoval třídu fraktálních antén poté, co se nechal inspirovat přednáškou Benoit Mandelbrot v roce 1987, ale nemohl dostat článek publikovaný až do roku 1995.^[79]

Reference

Bibliografie

• Ahn, Hee-Ran, Asymetrické pasivní součásti v mikrovlnných integrovaných obvodech, John Wiley & Sons, 2006 ISBN  0470036958.
• Albánec, V J; Peyser, W P, „Analýza širokopásmového koaxiálního hybridního kruhu“, Transakce IRE na mikrovlnné teorii a technikách, sv. 6, iss. 4, s. 369–373, říjen 1958.
• Awang, Zaiki, Návrh mikrovlnných systémů, Springer Science & Business Media, 2013 ISBN  981445124X.
• Bahl, Inder J, Základy RF a mikrovlnných tranzistorových zesilovačů, John Wiley & Sons, 2009 ISBN  0470462310.
• Bahl, Inder J, Ovládejte komponenty pomocí technologií Si, GaAs a GaN, Artech House, 2014 ISBN  1608077128.
• Bakshi, USA; Bakshi, A V, Anténa a šíření vln, Technické publikace, 2009 ISBN  8184317220.
• Banerjee, Amal, Automatizovaný návrh elektronického filtru, Springer, 2016 ISBN  3319434705.
• Barrett, RM, „Leptané plechy slouží jako mikrovlnné komponenty“, Elektronika, sv. 25, str. 114–118, červen 1952.
• Barrett, RM; Barnes, M H, "Mikrovlnné tištěné obvody", Rozhlasové televizní zprávy, sv. 46, 16. září 1951.
• Bhat, Bharathi; Koul, Shiban K, Přenosové linky podobné páskovým linkám pro mikrovlnné integrované obvody, New Age International, 1989 ISBN  8122400523.
• Borden, Brett, Radarové zobrazování vzdušných cílů, CRC Press, 1999 ISBN  1420069004.
• Brittain, James E, „Představení zaváděcí cívky: George A. Campbell a Michael I. Pupin“, Technologie a kultura, sv. 11, č. 1, s. 36–57, leden 1970.
• Chang, Kai; Hsieh, Lung-Hwa, Mikrovlnné kruhové obvody a související struktury, John Wiley & Sons, 2004 ISBN  047144474X.
• Chen, L F; Ong, CK; Neo, CP; Varadan, V V; Varadan, Vijay K, Mikrovlnná elektronika: Měření a charakterizace materiálů, John Wiley & Sons, 2004 ISBN  0470020458.
• Cohen, Nathan, „Fraktální anténa a fraktální rezonátorový primer“, kap. 8 palců, rám, Michael, Benoit Mandelbrot: Život v mnoha dimenzích, World Scientific, 2015 ISBN  9814366064.
• Craig, Edwin C, Electronics via Waveform Analysis, Springer, 2012 ISBN  1461243386.
• Doumanis, Efstratios; Goussetis, George; Kosmopoulos, Savvas, Filter Design for Satellite Communications: Helical Resonator Technology, Artech House, 2015 ISBN  160807756X.
• DuHamell, R; Isbell, D, "Broadband logarithmically periodic antenna structures", 1958 IRE International Convention Record, New York, 1957, pp. 119–128.
• Edwards, Terry C; Steer, Michael B, Foundations of Microstrip Circuit Design, John Wiley & Sons, 2016 ISBN  1118936191.
• Fagen, M D; Millman, S, Historie inženýrství a vědy v systému Bell: Svazek 5: Komunikační vědy (1925–1980), AT&T Bell Laboratories, 1984 ISBN  0932764061.
• Fano, R M; Lawson, A W, "Design of microwave filters", ch. 10 in, Ragan, G L (ed), Microwave Transmission Circuits, McGraw-Hill, 1948 OCLC  2205252.
• Garg, Ramesh; Bahl, Inder; Bozzi, Maurizio, Microstrip Lines and Slotlines, Artech House, 2013 ISBN  1608075354.
• Ghione, Giovanni; Pirola, Marco, Microwave Electronics, Cambridge University Press, 2017 ISBN  1107170273.
• Grieg, D D; Englemann, H F, "Microstrip—a new transmission technique for the kilomegacycle range", Proceedings of the IRE, sv. 40, iss. 12, pp. 1644–1650, December 1952.
• Gupta, S K, Electro Magnetic Field Theory, Krishna Prakashan Media, 2010 ISBN  8187224754.
• Harrel, Bobby, The Cable Television Technical Handbook, Artech House, 1985 ISBN  0890061572.
• Heaviside, Oliver, Electrical Papers, sv. 1, pp. 139–140, Copley Publishers, 1925 OCLC  3388033.
• Heaviside, Oliver, "Electromagnetic induction and its propagation", Elektrikář, pp. 79–81, 3 June 1887 OCLC  6884353.
• Helszajn, J, Ridge Waveguides and Passive Microwave Components, IET, 2000 ISBN  0852967942.
• Henderson, Bert; Camargo, Edmar, Microwave Mixer Technology and Applications, Artech House, 2013 ISBN  1608074897.
• Hilty, Kurt, "Attenuation measurement", pp. 422–439 in, Dyer, Stephen A (ed), Wiley Survey of Instrumentation and Measurement, John Wiley & Sons, 2004 ISBN  0471221651.
• Hong, Jia-Shen G; Lancaster, M J, Mikropáskové filtry pro RF / mikrovlnné aplikace, John Wiley & Sons, 2004 ISBN  0471464201.
• Hunter, Iane, Theory and Design of Microwave Filters, IET, 2001 ISBN  0852967772.
• Hura, Gurdeep S; Singhal, Mukesh, Data and Computer Communications: Networking and Internetworking, CRC Press, 2001 ISBN  1420041312.
• Ishii, T Koryu, Handbook of Microwave Technology: Components and devices, Academic Press, 1995 ISBN  0123746965.
• Janković, Nikolina; Zemlyakov, Kiril; Geschke, Riana Helena; Vendik, Irina; Crnojević-Bengin, Vesna, "Fractal-based multi-band microstrip filters", ch. 6 in, Crnojević-Bengin, Vesna (ed), Advances in Multi-Band Microstrip Filters, Cambridge University Press, 2015 ISBN  1107081971.
• Johnson, Robert A, Mechanical Filters in Electronics, John Wiley & Sons Australia, 1983 ISBN  0471089192.
• Johnson, Robert A; Börner, Manfred; Konno, Masashi, "Mechanical filters—a review of progress", Transakce IEEE na sonice a ultrazvuku, sv. 18, iss. 3, pp. 155–170, July 1971.
• Kumar, Narendra; Grebennikov, Andrei, Distribuované výkonové zesilovače pro vysokofrekvenční a mikrovlnnou komunikaci, Artech House, 2015 ISBN  1608078329.
• Lacomme, Philippe; Marchais, Jean-Claude; Hardange, Jean-Philippe; Normant, Eric, Air and Spaceborne Radar Systems, William Andrew, 2001 ISBN  0815516134.
• Lee, Thomas H, Planar Microwave Engineering, Cambridge University Press, 2004 ISBN  0521835267.
• Levy, R; Cohn, S B, „Historie výzkumu, designu a vývoje mikrovlnných filtrů“, Transakce IEEE: Mikrovlnná teorie a techniky, pp. 1055–1067, vol. 32, iss. 9, 1984.
• Linkhart, Douglas K, Návrh mikrovlnného oběhového zařízení, Artech House, 2014 ISBN  1608075834.
• Magnusson, Philip C; Weisshaar, Andreas; Tripathi, Vijai K; Alexander, Gerald C, Transmission Lines and Wave Propagation, CRC Press, 2000 ISBN  0849302692.
• Makimoto, M; Yamashita, S, Microwave Resonators and Filters for Wireless Communication, Springer, 2013 ISBN  3662043254.
• Maloratsky, Leo G, Passive RF and Microwave Integrated Circuits, Elsevier, 2004 ISBN  0080492053.
• Maloratsky, Leo G, Integrated Microwave Front-ends with Avionics Applications, Artech House, 2012 ISBN  1608072061.
• Mason, Warren P, "Wave filter", U.S. Patent 2,345,491 , filed 25 June 1927, issued 11 November 1930.
• Mason, Warren P, "Wave transmission network", U.S. Patent 2,345,491 , filed 25 November 1941, issued 28 March 1944.
• Mason, Warren P, "Electromechanical wave filter", U.S. Patent 2,981,905 , filed 20 August 1958, issued 25 April 1961.
• Mason, W P; Sykes, R A, „Použití koaxiálních a vyvážených přenosových linek ve filtrech a širokopásmových transformátorech pro vysoké rádiové frekvence“, Technický deník Bell System, sv. 16, s. 275–302, 1937.
• Matthaei, G L, "Interdigital band-pass filters", Transakce IRE na mikrovlnné teorii a technikách, sv. 10, iss. 6, pp. 479–491, November 1962.
• Matthaei, G L, "Comb-line band-pass filters of narrow or moderate bandwidth", Microwave Journal, sv. 6, pp. 82–91, August 1963 ISSN  0026-2897.
• Matthaei, George L; Young, Leo; Jones, E M T, Mikrovlnné filtry, sítě odpovídající impedanci a vazebné struktury McGraw-Hill 1964 OCLC  830829462.
• Meikle, Hamish, Moderní radarové systémy, Artech House, 2008 ISBN  1596932430.
• Milligan, Thomas A, Modern Antenna Design, John Wiley & Sons, 2005 ISBN  0471720607.
• Misra, Devendra K, Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits, John Wiley & Sons, 2004 ISBN  0471478733.
• Natarajan, Dhanasekharan, A Practical Design of Lumped, Semi-lumped & Microwave Cavity Filters, Springer Science & Business Media, 2012 ISBN  364232861X.
• Nguyen, Cam, Radio-Frequency Integrated-Circuit Engineering, John Wiley & Sons, 2015 ISBN  0471398209.
• Ozaki, H; Ishii, J, "Synthesis of a class of strip-line filters", Transakce IRE na základě teorie obvodu, sv. 5, iss. 2, pp. 104–109, June 1958.
• Penn, Stuart; Alford, Neil, "Ceramic dielectrics for microwave applications", ch. 10 in, Nalwa, Hari Singh (ed), Handbook of Low and High Dielectric Constant Materials and Their Applications, Academic Press, 1999 ISBN  0080533531.
• Polkinghorn, Frank A, „Oral-History: Warren P. Mason“, rozhovor č. 005 pro IEEE History Center, 3. března 1973, Engineering and Technology History Wiki, vyvoláno 15. dubna 2018.
• Ramadan, Ali; Al-Husseini, Mohammed; Kabalan Karim Y; El-Hajj, Ali, "Fractal-shaped reconfigurable antennas", ch. 10 in, Nasimuddin, Nasimuddin, Microstrip Antennas, BoD – Books on Demand, 2011 ISBN  9533072474.
• Richards, Paul I, "Resistor-transmission-line circuits", Proceedings of the IRE, sv. 36, iss. 2, pp. 217–220, 1948.
• Richtmeyer, R D, "Dielectric resonators", Journal of Applied Physics, sv. 10, iss. 6, pp. 391–397, June 1939.
• Roer, T G, Microwave Electronic Devices, Springer, 2012 ISBN  1461525004.
• Sharma, K K, Fundamental of Microwave and Radar Engineering, S. Chand Publishing, 2011 ISBN  8121935377.
• Sheingold, L S; Morita, T, "A coaxial magic-T", Transactions of the IRE Professional Group on Microwave Theory and Techniques, sv. 1, iss. 2, pp. 17–23, November 1953.
• Sisodia, M L; Raghuvanshi, G S, Basic Microwave Techniques and Laboratory Manual, New Age International, 1987 ISBN  0852268580.
• Taylor, John; Huang, Qiuting, CRC Handbook of Electrical Filters, CRC Press, 1997 ISBN  0849389518.
• Tyrrell, W A, "Hybrid circuits for microwaves", Proceedings of the IRE, sv. 35, iss. 11, pp. 1294–1306, November 1947.
• Vendelin, George D; Pavio, Anthony M; Rohde, Ulrich L, Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques, John Wiley & Sons, 2005 ISBN  0471715824.
• Whitaker, Jerry C, The Resource Handbook of Electronics, CRC Press, 2000 ISBN  1420036866.
• Zhurbenko, Vitaliy, Passive Microwave Components and Antennas, BoD – Books on Demand, 2010 ISBN  9533070838.