Filtr s distribuovanými prvky - Distributed-element filter

Obrázek 1. Obvod představující mnoho struktur filtrů popsaných v tomto článku. Pracovní frekvence filtrů je kolem 11gigahertz (GHz). Tento obvod je popsán v rámečku níže.

Nízkošumový převodník bloků Obvod znázorněný na obrázku 1 je a nízkošumový převodník bloků a je určen k připojení k anténě pro příjem paraboly satelitní televize. Říká se tomu převaděč bloku, protože převádí velké množství satelitních kanálů jako blok bez pokusu o extrakci na konkrétní kanál. Přestože přenos urazil 22 000 mil od oběžné dráhy satelitu, je problém dostat signál posledních pár stop z paraboly do bodu, kde bude použit uvnitř objektu. Potíž je v tom, že signál je přenášen do objektu kabelem (nazývaným downlead) a vysoké frekvence satelitního signálu jsou značně zeslabeny, pokud jsou v kabelu, spíše než ve volném prostoru. Účelem převaděče bloků je převést satelitní signál na mnohem nižší kmitočtové pásmo, které zvládne downlead a uživatel set-top box. Frekvence závisí na satelitním systému a geografické oblasti, ale toto konkrétní zařízení převádí blok frekvencí v pásmu 10,7 GHz na 11,8 GHz. Výstup směřující do downleadu je v pásmu 950 MHz až 1950 MHz. Dva F konektory ve spodní části zařízení jsou pro připojení k downleadům. U tohoto konkrétního modelu jsou k dispozici dva (převaděče bloků mohou mít libovolný počet výstupů od jednoho nahoru), takže dva televizory nebo televize a Videorekordér lze naladit na dva různé kanály současně. Příjem roh by normálně byly namontovány na kruhový otvor ve středu desky, dvě sondy vyčnívající do tohoto prostoru jsou pro příjem horizontálně a vertikálně polarizovaný signály a zařízení lze mezi těmito dvěma přepínat. V obvodu je vidět mnoho filtračních struktur: existují dva příklady filtrů s paralelně spojenými linkami s pásmovým průchodem, které omezují příchozí signál na sledované pásmo. Relativně velká šířka rezonátorů (ve srovnání s příkladem mikropásků na obrázku 2 nebo místní oscilátor filtry pod a napravo od centrálního kovového podlouhlého) odrážejí širokou šířku pásma, kterou musí filtr projít. Existuje také řada příkladů dodávek filtrů pro pahýly DC zkreslení na tranzistory a jiná zařízení, přičemž filtr je nutný k zabránění signálu v cestě ke zdroji energie. Řady děr v některých stopách, tzv přes ploty, nejsou filtrační struktury, ale jsou součástí krytu.[1][2][3] Deska plošných spojů uvnitř spektrálního analyzátoru Agilent N9344C o frekvenci 20 GHz zobrazující různé prvky technologie filtrování mikropáskových filtrů s distribuovanými prvky

A filtr distribuovaných prvků je elektronický filtr ve kterém kapacita, indukčnost, a odpor (dále jen elementy obvodu) nejsou lokalizovány diskrétně kondenzátory, induktory, a rezistory stejně jako v konvenčních filtrech. Jeho účelem je umožnit řadu frekvence signálu projít, ale blokovat ostatní. Konvenční filtry jsou konstruovány z induktorů a kondenzátorů a takto vytvořené obvody jsou popsány v model se soustředěnými prvky, který považuje každý prvek za „soustředěný dohromady“ na jednom místě. Tento model je koncepčně jednoduchý, ale stává se čím dál nespolehlivějším frekvence signálu se zvyšuje nebo ekvivalentně s vlnová délka klesá. The model s distribuovanými prvky platí na všech frekvencích a používá se v přenosové vedení teorie; mnoho komponent s distribuovanými prvky je vyrobeno z krátkých délek přenosového vedení. V distribuovaném pohledu na obvody jsou prvky distribuovány po celé délce vodiče a jsou nerozlučně smíchány. Konstrukce filtru se obvykle týká pouze indukčnosti a kapacity, ale kvůli tomuto smíchání prvků s nimi nelze zacházet jako s oddělenými kondenzátory a tlumivky. Neexistuje přesná frekvence, nad kterou musí být použity filtry s distribuovanými prvky, ale jsou zvláště spojeny s mikrovlnná trouba pásmo (vlnová délka menší než jeden metr).

Filtry s distribuovanými prvky se používají v mnoha stejných aplikacích jako filtry se soustředěnými prvky, například selektivita rozhlasového kanálu, omezování pásma hluku a multiplexování mnoha signálů do jednoho kanálu. Filtry s distribuovanými prvky mohou být konstruovány tak, aby měly jakýkoli z možných tvarů pásma se soustředěnými prvky (dolní propust, pásmový průchod atd.) s výjimkou horní propust, který je obvykle pouze přibližný. Všechny třídy filtrů používané v designech soustředěných prvků (Butterworth, Čebyšev atd.) lze implementovat pomocí přístupu s distribuovanými prvky.

Existuje mnoho formulářů komponent používaných ke konstrukci filtrů distribuovaných prvků, ale všechny mají společnou vlastnost způsobující a diskontinuita na přenosové lince. Tyto diskontinuity představují a reaktivní impedance na vlnoplochu cestující po linii a tyto reaktance lze vybrat záměrně, aby sloužily jako aproximace pro soustředěné induktory, kondenzátory nebo rezonátory, jak to vyžaduje filtr.^[4]

Vývoj filtrů s distribuovanými prvky byl urychlen vojenskou potřebou radar a elektronická protiopatření během druhé světové války. Koncentrovaný prvek analogové filtry byly vyvinuty již dávno předtím, ale tyto nové vojenské systémy fungovaly na mikrovlnných frekvencích a byly vyžadovány nové konstrukce filtrů. Když válka skončila, technologie našla aplikace v mikrovlnné spoje používané telefonními společnostmi a jinými organizacemi s velkými pevnými komunikačními sítěmi, jako jsou televizní vysílání. V dnešní době lze tuto technologii nalézt v několika hromadně vyráběných spotřebních předmětech, jako je například převaděče (obrázek 1 ukazuje příklad) použitý s satelitní TV antény.

Obecné komentáře

Obrázek 2. Filtr paralelně spojených linek v konstrukci mikropásků

Symbol λ se používá k označení vlnová délka signálu přenášeného na vedení nebo jeho části vedení elektrická délka.

Filtry s distribuovanými prvky se většinou používají na frekvencích nad VHF Pásmo (velmi vysoká frekvence) (30 až 300 MHz ). Na těchto frekvencích je fyzická délka pasivní komponenty je významný zlomek vlnové délky pracovní frekvence a je obtížné používat konvenční model se soustředěnými prvky. Přesný bod, ve kterém je modelování distribuovaných prvků nezbytné, závisí na konkrétním uvažovaném návrhu. Běžným pravidlem je použít modelování distribuovaných prvků, pokud jsou rozměry komponent větší než 0,1λ. Rostoucí miniaturizace elektroniky znamená, že konstrukce obvodů jsou ve srovnání s λ stále menší. Frekvence, za kterou je nezbytný přístup distribuovaných prvků k návrhu filtru, jsou v důsledku těchto pokroků stále vyšší. Na druhou stranu, anténa rozměry struktury jsou obvykle srovnatelné s λ ve všech frekvenčních pásmech a vyžadují model s distribuovanými prvky.^[5]

Nejviditelnějším rozdílem v chování mezi filtrem distribuovaných prvků a jeho aproximací soustředěných prvků je, že první bude mít více propustné pásmo repliky koncentrovaného prvku prototyp propustné pásmo, protože charakteristiky přenosu mezi linkami se opakují v harmonických intervalech. Tato podvržená hesla jsou ve většině případů nežádoucí.^[6]

Pro přehlednost prezentace jsou diagramy v tomto článku nakresleny s komponentami implementovanými v páskové vedení formát. To však neznamená preferenci odvětví planární přenosové vedení formáty (tj. formáty, kde se vodiče skládají z plochých pásků) jsou oblíbené, protože je lze implementovat pomocí zavedených tištěný spoj výrobní techniky. Zobrazené struktury lze také implementovat pomocí mikropáskový nebo zakopané páskové techniky (s vhodnými úpravami rozměrů) a lze je přizpůsobit koaxiální kabely, dvojitá vedení a vlnovody, i když některé struktury jsou pro některé implementace vhodnější než jiné. Otevřené drátové implementace, například, mnoha struktur, jsou uvedeny ve druhém sloupci na obrázku 3 a ekvivalenty otevřeného drátu lze najít pro většinu ostatních páskových struktur. Rovinné přenosové linky se také používají v integrovaný obvod vzory.^[7]

Dějiny

Vývoj filtrů s distribuovanými prvky začal v letech před druhou světovou válkou. Warren P. Mason založil obor distribuované obvody.^[8] Hlavní příspěvek na toto téma publikovali Mason a Sykes v roce 1937.^[9] Mason podal patent^[10] mnohem dříve, v roce 1927, a tento patent může obsahovat první publikovaný elektrický design, který se vzdaluje od analýzy soustředěných prvků.^[11] Masonova a Sykesova práce byla zaměřena na formáty koaxiálního kabelu a vyvážených párů vodičů - planární technologie ještě nebyly používány. Během válečných let došlo k velkému rozvoji, který byl poháněn potřebami filtrování radar a elektronická protiopatření. Hodně z toho bylo na Radiační laboratoř MIT,^[12] ale byly zapojeny i další laboratoře v USA a Velké Británii.^[13][14]

Některé důležité pokroky v teorie sítí předtím, než bylo možné filtry postoupit za válečné vzory, bylo zapotřebí. Jedním z nich byla přiměřená teorie linií Paul Richards.^[15] Odpovídající linky jsou sítě, ve kterých mají všechny prvky stejnou délku (nebo v některých případech násobky délky jednotky), i když se mohou lišit v jiných rozměrech, aby poskytly různé charakteristické impedance. Richardsova transformace umožňuje, aby byl návrh soustředěného prvku vzat „tak, jak je“, a transformován přímo do designu s distribuovanými prvky pomocí velmi jednoduché transformační rovnice.^[16]

Potíž s Richardsovou transformací z hlediska vytváření praktických filtrů spočívala v tom, že výsledný design distribuovaných prvků vždy zahrnoval série spojené prvky. To nebylo možné implementovat do planárních technologií a v jiných technologiích to bylo často nepohodlné. Tento problém vyřešil K. Kuroda, který pomocí impedančních transformátorů eliminoval sériové prvky. Publikoval soubor transformací známých jako Kurodovy identity v roce 1955, ale jeho práce byla napsána v japonštině a trvalo několik let, než byly jeho myšlenky začleněny do anglické literatury.^[17]

Po válce se jedna důležitá výzkumná cesta pokusila zvýšit návrhovou šířku pásma širokopásmových filtrů. Přístup používaný v té době (a dodnes používaný) měl začínat soustředěným prvkem prototypový filtr a prostřednictvím různých transformací dospět k požadovanému filtru ve formě distribuovaných prvků. Zdálo se, že tento přístup je zaseknutý na minimu Q z pěti (viz Pásmové filtry níže pro vysvětlení Q). V roce 1957 Leo Young na Stanford Research Institute zveřejnila metodu pro navrhování filtrů, která začal s prototypem distribuovaných prvků.^[18] Tento prototyp byl založen na čtvrtvlnné impedanční transformátory a byl schopen vyrábět designy se šířkou pásma až do oktáva, což odpovídá a Q asi 1,3. Některé Youngovy postupy v této práci byly empirické, ale později,^[19] byla zveřejněna přesná řešení. Youngův článek se konkrétně zaměřuje na přímo spojené dutinové rezonátory, ale postup lze stejně použít i na jiné typy přímo spojených rezonátorů, jako jsou ty, které se nacházejí v moderních planárních technologiích a jsou ilustrovány v tomto článku. Filtr kapacitní mezery (obrázek 8) a filtr paralelně spojených vedení (obrázek 9) jsou příklady přímo vázaných rezonátorů.^[16]

Obrázek 3. Některé jednoduché struktury planárních filtrů jsou zobrazeny v prvním sloupci. Druhý sloupec ukazuje ekvivalentní obvod otevřeného drátu pro tyto struktury. Třetí sloupec je aproximace částečně koncentrovaného prvku, kde byly prvky označeny K. nebo J jsou impedanční nebo přijímací transformátory resp. Čtvrtý sloupec ukazuje aproximaci soustředěných prvků, což vytváří další předpoklad, že impedanční transformátory jsou transformátory λ / 4.

1. Zkratový pahýl paralelně s hlavním vedením.
2. Otevřený vývod paralelně s hlavním vedením.
3. Zkratové vedení připojené k hlavnímu vedení.
4. Spojené zkratované linky.
5. Spojená vedení s volným oběhem.

představuje popruh procházející deskou, který vytváří spojení se zemní rovinou pod ním.

Úvod tištěných planárních technologií značně zjednodušilo výrobu mnoha mikrovlnných komponent včetně filtrů a mikrovlnné integrované obvody byly poté možné. Není známo, kdy vznikly planární přenosové linky, ale experimenty s jejich použitím byly zaznamenány již v roce 1936.^[20] Vynálezce tištěného páskového vedení je však známý; to byl Robert M. Barrett, který tuto myšlenku publikoval v roce 1951.^[21] To se rychle chytilo a Barrettovo páskové vedení brzy měl tvrdou komerční konkurenci konkurenčních rovinných formátů, zejména triplate a mikropáskový. Obecný termín páskové vedení v moderním použití obvykle se odkazuje na formu pak známý jak triplate.^[22]

Rané páskové vedení přímo spojené rezonátorové filtry byly spojeny koncem, ale délka byla snížena a kompaktnost se postupně zvýšila zavedením paralelně propojených síťových filtrů,^[23] interdigitální filtry,^[24] a hřebenové filtry.^[25] Hodně z této práce publikovala skupina ve Stanfordu vedená Georgem Matthaeiem, a to včetně výše zmíněného Lea Younga, v významné knize, která dodnes slouží jako reference pro designéry obvodů.^[26][27] Filtr do vlásenky byl poprvé popsán v roce 1972.^[28][29] V 70. letech byla popsána většina běžně používaných topologií filtrů.^[30] Novější výzkum se soustředil na nové nebo alternativní matematické třídy filtrů, jako jsou pseudo-eliptický, zatímco stále používá stejné základní topologie, nebo s alternativními implementačními technologiemi, jako je zavěšená pásková linka a finline.^[31]

Počáteční nevojenské použití filtrů s distribuovanými prvky bylo v mikrovlnné spoje používané telekomunikačními společnostmi k poskytování páteř jejich sítí. Tyto odkazy používaly také jiná odvětví s velkými pevnými sítěmi, zejména televizní vysílání.^[32] Takové aplikace byly součástí velkých kapitálových investičních programů. Sériová výroba však učinila technologii dostatečně levnou na to, aby ji bylo možné začlenit do domácího prostředí satelitní televize systémy.^[33] Vyvíjející se aplikace je v supravodivé filtry pro použití v mobilní základnové stanice provozované mobilními telefonními společnostmi.^[34]

Základní komponenty

Nejjednodušší struktura, kterou lze implementovat, je krok v charakteristická impedance linky, která zavádí diskontinuitu v charakteristikách přenosu. To se u planárních technologií provádí změnou šířky přenosového vedení. Obrázek 4 (a) ukazuje zvýšení impedance (užší linky mají vyšší impedanci). Krokem dolů v impedanci by byl zrcadlový obraz z obrázku 4 (a). Nespojitost lze reprezentovat přibližně jako sériový induktor, nebo přesněji jako nízkoprůchodový obvod T, jak je znázorněno na obrázku 4 (a).^[35] Několik nespojitostí je často spojeno s impedanční transformátory k vytvoření vyššího filtru objednat. Tyto impedanční transformátory mohou mít jen krátkou (často λ / 4) délku přenosového vedení. Tyto složené struktury mohou implementovat kteroukoli z rodin filtrů (Butterworth, Čebyšev atd.) aproximací Racionální přenosová funkce příslušného filtru se soustředěnými prvky. Tato korespondence není přesná, protože obvody s distribuovanými prvky nemohou být racionální a jsou hlavním důvodem divergence chování soustředěného prvku a chování distribuovaných prvků. Impedanční transformátory se také používají v hybridních směsích koncentrovaných a distribuovaných filtrů (tzv. Semi-koncentrované struktury).^[36]

Obrázek 4. Další prvky páskového vedení a jejich protějšky se soustředěnými prvky.

1. Náhlá stupňovitá impedance.^[35]
2. Řádek se blíží náhlému konci.^[35]
3. Díra nebo štěrbina v řadě.^[37]
4. Příčná poloviční štěrbina přes linii.^[38]
5. Mezera v řadě.^[38]

Další velmi běžnou součástí filtrů s distribuovanými prvky je pahýl. V úzkém rozsahu frekvencí lze pahýl použít jako kondenzátor nebo induktor (jeho impedance je určena jeho délkou), ale v širokém pásmu se chová jako rezonátor. Zkraty, nominálně pahýly čtvrtiny vlnové délky (obrázek 3 (a)) se chovají jako zkrat LC antiresonátory, a otevřený obvod nominálně čtvrtvlnné délky útržku (obrázek 3 (b)) se chová jako řada LC rezonátor. Stubs lze také použít ve spojení s impedančními transformátory k vytvoření složitějších filtrů a, jak by se dalo očekávat z jejich rezonanční povahy, jsou nejužitečnější v pásmových aplikacích.^[39] I když se piny s otevřeným okruhem vyrábějí v planárních technologiích snadněji, mají tu nevýhodu, že se ukončení významně liší od ideálního otevřeného obvodu (viz obrázek 4 (b)), což často vede k preferenci zkratových pahýlů (vždy lze místo toho druhého přidáním nebo odečtením λ / 4 od nebo od délky).^[35]

A šroubovicový rezonátor je podobný útržku v tom, že k jeho reprezentaci vyžaduje model s distribuovanými prvky, ale je ve skutečnosti vytvořen pomocí soustředěných prvků. Jsou postaveny v neplanárním formátu a skládají se z cívky drátu, na dně a jádru, a připojené pouze na jednom konci. Zařízení je obvykle ve stíněné plechovce s otvorem v horní části pro nastavení jádra. Často bude vypadat fyzicky velmi podobně jako koncentrované LC rezonátory používané pro podobný účel. Nejužitečnější jsou v horní části VHF a nižší UHF pásma, zatímco pahýly se častěji používají ve vyšších UHF a SHF kapel.^[40]

Jako filtrační prvky lze také použít spojené linky (obrázky 3 (c-e)); jako pahýly mohou působit jako rezonátory a být také zakončeny zkratem nebo naprázdno. Spojené čáry mají tendenci být preferovány v planárních technologiích, kde jsou snadno implementovatelné, zatímco pahýly bývají preferovány jinde. Realizace skutečného otevřeného obvodu v planární technologii není proveditelná z důvodu dielektrického jevu substrátu, který vždy zajistí, že ekvivalentní obvod obsahuje zkratovou kapacitu. Navzdory tomu se otevřené obvody často používají v rovinných formátech, přednostně před zkraty, protože se snáze implementují. Četné typy prvků lze klasifikovat jako spojené linky a na obrázcích je ukázán výběr těch běžnějších.^[41]

Některé běžné struktury jsou zobrazeny na obrázcích 3 a 4 spolu s jejich protějšky se soustředěnými prvky. Tyto aproximace soustředěných prvků nelze brát jako ekvivalentní obvody, ale spíše jako vodítko pro chování distribuovaných prvků v určitém frekvenčním rozsahu. Obrázky 3 (a) a 3 (b) ukazují zkratový a otevřený pahýl. Když je délka pahýlu λ / 4, chovají se respektive jako antirezonátory a rezonátory, a jsou proto užitečné jako prvky v pásmovém průchodu a band-stop filtry. Obrázek 3 (c) ukazuje zkratovanou linku připojenou k hlavní linii. Toto se také chová jako rezonátor, ale běžně se používá v dolní propust aplikace s rezonanční frekvencí i mimo sledované pásmo. Obrázky 3 (d) a 3 (e) zobrazují struktury spojené linky, které jsou obě užitečné ve filtrech pásmové propusti. Struktury na obrázcích 3 (c) a 3 (e) mají ekvivalentní obvody zahrnující pahýly umístěné v sérii s linkou. Takovou topologii lze snadno implementovat v obvodech s otevřeným drátem, ale ne s planární technologií. Tyto dvě struktury jsou proto užitečné pro implementaci ekvivalentního prvku řady.^[42]

Nízkoprůchodové filtry

Mikropáskový nízkoprůchodový filtr implementovaný s motýlky uvnitř spektrálního analyzátoru Agilent N9344C o frekvenci 20 GHz

Obrázek 5. Nízkoprůchodový filtr se stupňovitou impedancí vytvořený ze střídavých úseků vedení s vysokou a nízkou impedancí

A dolní propust lze implementovat přímo z a topologie žebříku prototyp se soustředěným prvkem se stupňovitým impedančním filtrem zobrazeným na obrázku 5. Toto se také nazývá a kaskádové řádky design. Filtr se skládá ze střídajících se úseků vedení s vysokou a nízkou impedancí, které odpovídají sériovým induktorům a bočním kondenzátorům v implementaci soustředěného prvku. K podávání se běžně používají dolní propusti stejnosměrný proud (DC) zkreslení aktivních komponent. Filtry určené pro tuto aplikaci jsou někdy označovány jako tlumivky. V takových případech má každý prvek filtru délku λ / 4 (kde λ je vlnová délka signálu hlavního vedení, který má být blokován z přenosu do zdroje stejnosměrného proudu) a úseky vedení s vysokou impedancí jsou vytvořeny jako úzké protože výrobní technologie to umožní, aby se maximalizovala indukčnost.^[43] Podle potřeby mohou být přidány další sekce pro výkon filtru, stejně jako pro protějšek se soustředěným prvkem. Kromě zobrazené rovinné formy je tato struktura zvláště vhodná pro koaxiální implementace se střídavými kovovými disky a izolátorem navlečenými na centrální vodič.^[44][45][46]

Obrázek 6. Další forma nízkoprůchodového filtru se stupňovitou impedancí a zabudovanými bočními rezonátory

Složitější příklad návrhu stupňovité impedance je uveden na obrázku 6. Opět se pro implementaci induktorů používají úzké linky a široké linky odpovídají kondenzátorům, ale v tomto případě má protějšek se soustředěnými prvky rezonátory připojené ve zkratu přes hlavní vedení. Tuto topologii lze použít k návrhu eliptické filtry nebo Čebyševovy filtry s póly útlumu v stopband. Výpočet hodnot komponent pro tyto struktury je však zapojený proces a vedl k tomu, že se návrháři často rozhodli je implementovat jako m-odvozené filtry místo toho, které fungují dobře a jejich výpočet je mnohem snazší. Účelem začlenění rezonátorů je zlepšit odmítnutí stopband. Avšak mimo rezonanční frekvenci rezonátoru s nejvyšší frekvencí se odmítnutí zastavovacího pásma začíná zhoršovat, když se rezonátory pohybují směrem k otevřenému obvodu. Z tohoto důvodu mají filtry zabudované do této konstrukce často jako konečný prvek filtru další kondenzátor se stupňovitou impedancí.^[47] To také zajišťuje dobré odmítnutí při vysoké frekvenci.^[48][49][50]

Obrázek 7. Nízkoprůchodové filtry vyrobené z pahýlů.

1. Standardní pahýly na střídavých stranách hlavní linie λ / 4 od sebe.
2. Podobná konstrukce využívající pahýly motýlů.
3. Různé formy pahýlů, respektive zdvojnásobené pahýly paralelně, radiální pahýl, pahýl motýla (paralelní radiální pahýly), jetel-listový pahýl (trojité paralelní radiální pahýly).

Další běžnou dolní propustnou konstrukční technikou je implementace bočních kondenzátorů jako pahýlů s rezonanční frekvencí nastavenou nad pracovní frekvenci, takže impedance pahýlu je v propustném pásmu kapacitní. Tato implementace má protějšek se soustředěným prvkem obecné formy podobný filtru na obrázku 6. Tam, kde to prostor dovolí, mohou být pahýly umístěny na alternativních stranách hlavní linie, jak je znázorněno na obrázku 7 (a). Účelem je zabránit spojování mezi sousedními pahýly, které snižují výkon filtru změnou frekvenční odezvy. Struktura se všemi pahýly na stejné straně je však stále platným návrhem. Pokud je požadováno, aby pahýl byl velmi nízkou impedancí, může být pahýl nevhodně široký. V těchto případech je možné řešení spojit paralelně dva užší pahýly. To znamená, že každá pozice pahýl má pahýl obě strany linky. Nevýhodou této topologie je, že jsou možné další příčné rezonanční režimy podél délky λ / 2 čáry tvořené dvěma pahýly dohromady. U návrhu tlumivky je jednoduše nutné, aby kapacita byla co největší, pro kterou lze použít maximální šířku pahýlu λ / 4 s pahýly paralelně na obou stranách hlavní linky. Výsledný filtr vypadá spíše podobně jako filtr se stupňovitou impedancí na obrázku 5, ale byl navržen na zcela odlišných principech.^[43] Potíž s použitím pahýlů této široké je, že bod, ve kterém jsou připojeny k hlavní lince, je špatně definován. Útržek, který je ve srovnání s λ úzký, lze považovat za spojený s jeho středovou osou a výpočty založené na tomto předpokladu přesně předpovídají odezvu filtru. U širokého pahýlu však výpočty, které předpokládají, že je boční větev připojena v určitém bodě na hlavní lince, vedou k nepřesnostem, protože to již není dobrým modelem vzorce přenosu. Jedním z řešení tohoto problému je použití radiálních pahýlů místo lineárních pahýlů. Dvojice radiálních pahýlů paralelně (jeden na obou stranách hlavní linie) se nazývá motýlí pahýl (viz obrázek 7 (b)). Skupina tří radiálních pahýlů paralelně, kterých lze dosáhnout na konci řádku, se nazývá pahýl čtyřlístku.^[51][52]

Pásmové filtry

A pásmový filtr lze sestavit pomocí jakýchkoli prvků, které mohou rezonovat. Filtry využívající pahýly mohou být jasně vytvořeny jako pásmový průchod; je možné mnoho dalších struktur a některé jsou uvedeny níže.

Důležitým parametrem při diskusi o pásmových filtrech je zlomková šířka pásma. To je definováno jako poměr šířky pásma k geometrické střední frekvenci. Inverzní hodnota této veličiny se nazývá Q-faktor, Q. Pokud ω₁ a ω₂ jsou frekvence okrajů propustného pásma, pak:^[53]

šířka pásma ${ displaystyle Delta omega = omega _ {2} - omega _ {1} ,}$,

frekvence geometrického středu ${ displaystyle omega _ {0} = { sqrt { omega _ {1} omega _ {2}}}}$ a

${ displaystyle Q = { frac { omega _ {0}} { Delta omega}}}$

Kapacitní filtr mezery

Postavení 8. Kapacitní mezipáskový filtr

Struktura kapacitní mezery se skládá z úseků vedení o délce asi λ / 2, které fungují jako rezonátory a jsou spojeny „na konci“ mezerami v přenosovém vedení. Je zvláště vhodný pro planární formáty, lze jej snadno implementovat pomocí technologie tištěných obvodů a má tu výhodu, že nezabírá více místa, než by tomu bylo u obyčejného přenosového vedení. Omezením této topologie je výkon (zejména ztráta vložení ) se zhoršuje s rostoucí zlomkovou šířkou pásma a přijatelné výsledky nejsou dosaženy s a Q méně než asi 5. Další potíže s výrobou nízkoQ designy spočívají v tom, že šířka šířky mezery musí být menší pro širší zlomkové šířky pásma. Minimální šířka mezer, jako je minimální šířka stopy, je omezena rozlišením tiskové technologie.^[46][54]

Filtr paralelně spojených linek

Obrázek 9. Filtr páskových paralelně spojených linek. Tento filtr je běžně vytištěn pod úhlem, jak je znázorněno, aby se minimalizoval prostor na desce, ale to není podstatnou vlastností designu. Je také běžné, že koncový prvek nebo překrývající se poloviny obou koncových prvků mají pro účely párování užší šířku (není znázorněno na tomto diagramu, viz obrázek 1).

Paralelně spojené linky jsou další populární topologií pro desky s plošnými spoji, pro které jsou linky s otevřeným okruhem nejjednodušší, protože výroba se skládá z ničeho jiného než z tištěné dráhy. Konstrukce se skládá z řady paralelních rezonátorů λ / 2, ale spojuje se pouze s λ / 4 s každým ze sousedních rezonátorů, takže vytváří střídavou linii, jak je znázorněno na obrázku 9. U tohoto filtru je možná širší zlomková šířka pásma než u kapacitního mezerový filtr, ale na deskách s plošnými spoji vzniká podobný problém, protože dielektrická ztráta snižuje Q. Dolní-Q řádky vyžadují těsnější spojení a menší mezery mezi nimi, což je omezeno přesností procesu tisku. Jedním z řešení tohoto problému je tisk stopy na více vrstev s překrývajícími se sousedními řádky, ale ne v kontaktu, protože jsou v různých vrstvách. Tímto způsobem mohou být linky spojeny po celé své šířce, což má za následek mnohem silnější spojení, než když jsou od okraje k okraji, a pro stejný výkon je možná větší mezera.^[55] U jiných (netištěných) technologií může být výhodné použít zkratové vedení, protože zkrat poskytuje mechanické místo pro připojení vedení a Q- pro mechanickou podporu nejsou nutné redukční dielektrické izolátory. Jiné než z mechanických a montážních důvodů existuje malá preference pro otevřený obvod před zkratovými spojenými linkami. Obě struktury mohou realizovat stejný rozsah implementací filtrů se stejným elektrickým výkonem. Oba typy paralelně spojených filtrů teoreticky nemají falešná pásma na dvojnásobku střední frekvence, jak je vidět v mnoha jiných topologiích filtrů (např. Pahýlů). Potlačení tohoto rušivého propustného pásma však vyžaduje dokonalé vyladění spojených linek, což se v praxi neuskuteční, takže na této frekvenci nevyhnutelně existuje nějaké zbytkové rušivé propustné pásmo.^[46][56][57]

Mikropáskový vlásenkový filtr PCB implementovaný ve spektrálním analyzátoru Agilent N9344C

Mikropáskový vlásenkový filtr následovaný nízkoprůchodovým filtrem na desce plošných spojů ve spektrálním analyzátoru Agilent N9344C o frekvenci 20 GHz

Obrázek 10. Páskový vlásenka filtr

Filtr na vlásenky je další struktura, která používá paralelně spojené linky. V tomto případě je každá dvojice paralelně spojených linek spojena s další dvojicí krátkým spojem. Takto tvarované tvary „U“ dávají vzniknout jménu sponka do vlasů filtr. V některých provedeních může být spojení delší, což vede k vytvoření široké vlásenky s λ / 4 impedančním transformátorem mezi sekcemi.^[58][59] Úhlové ohyby, které jsou vidět na obrázku 10, jsou běžné u páskových vzorů a představují kompromis mezi ostrým pravým úhlem, který vytváří velkou diskontinuitu, a hladkým ohybem, který zabírá větší plochu desky, což může být u některých produktů výrazně omezeno. Takové ohyby jsou často vidět na dlouhých pahýlech, kde by je jinak nebylo možné umístit do dostupného prostoru. Obvod se soustředěným prvkem ekvivalentního obvodu tohoto druhu diskontinuity je podobný diskontinuitě se stupňovitou impedancí.^[38] Příklady takových útržků lze vidět na vstupech zkreslení několika komponent na fotografii v horní části článku.^[46][60]

Interdigitální filtr

Obrázek 11. Páskový interdigitální filtr

Tři interdigitální filtry spojené linky z desky plošných spojů spektrálního analyzátoru

Interdigitální filtry jsou další formou filtru spojeného vedení. Každá část vedení má délku přibližně λ / 4 a je zakončena zkratem pouze na jednom konci, přičemž druhý konec je ponechán otevřený. Konec, který je zkratován, se střídá na každém úseku vedení. Tuto topologii lze snadno implementovat do planárních technologií, ale zvláště se hodí pro mechanickou montáž linek upevněných uvnitř kovového pouzdra. Linky mohou být buď kruhové tyče, nebo obdélníkové tyče a připojení k lince koaxiálního formátu je snadné. Stejně jako u paralelně propojeného síťového filtru je výhodou mechanického uspořádání, které nevyžaduje podporu izolátorů, že jsou eliminovány dielektrické ztráty. Požadavek na rozestup mezi řádky není tak přísný jako ve struktuře paralelních čar; jako takové lze dosáhnout vyšších zlomků šířky pásma a Q možné jsou pouze hodnoty 1,4.^[61][62]

Hřebenový filtr je podobný interdigitálnímu filtru, protože je vhodný pro mechanickou montáž v kovovém pouzdře bez dielektrické podpory. V případě hřebenové linie jsou všechny linie zkratovány na stejném konci než na alternativních koncích. Druhé konce jsou zakončeny v kondenzátorech na zem a konstrukce je následně klasifikována jako poloviční. Hlavní výhodou tohoto designu je, že horní dorazové pásmo může být vytvořeno velmi široké, to znamená bez rušivých pásem na všech sledovaných frekvencích.^[63]

Pásmové pásmové filtry

Obrázek 12. Páskový páskový filtr složený z λ / 4 zkratových pahýlů

Jak již bylo zmíněno výše, pahýlky se hodí k designům band-pass. Obecné formy jsou podobné nízkoprůchodovým filtrům, kromě toho, že hlavní vedení již není úzkým vedením s vysokou impedancí. Návrháři mají na výběr z mnoha různých topologií filtrů se zakázaným inzerováním, z nichž některé vytvářejí identické odpovědi. Příklad pahýlového filtru je uveden na obrázku 12; Skládá se z řady zkratových vodičů λ / 4 propojených dohromady impedančními transformátory λ / 4. Pahýly v těle filtru jsou dvojité paralelní pahýly, zatímco pahýly na koncových částech jsou pouze jednotlivé, což je uspořádání, které má výhody přizpůsobení impedance. Impedanční transformátory mají za následek transformaci řady bočních antirezonátorů na žebřík sériových rezonátorů a bočních antirezonátorů. Filtr s podobnými vlastnostmi lze zkonstruovat s λ / 4 pahýly s otevřeným obvodem umístěnými v sérii s vedením a spojenými s λ / 4 impedančními transformátory, i když tato struktura není u planárních technologií možná.^[64]

Obrázek 13. Konishi 60 ° motýlí útržek

Ještě další dostupnou strukturou jsou úseky otevřeného obvodu λ / 2 přes linku spojené s impedančními transformátory λ / 4. Tato topologie má charakteristiky low-pass i band-pass. Protože bude procházet stejnosměrným proudem, je možné přenášet předpínací napětí na aktivní komponenty bez nutnosti blokování kondenzátorů. Vzhledem k tomu, že nejsou vyžadovány zkratové spoje, nejsou při provádění páskového vedení vyžadovány žádné jiné montážní operace než tisk na desku. Nevýhody jsou (i) filtr zabere více nemovitostí než odpovídající filtr λ / 4 pahýl, protože pahýly jsou dvakrát delší; ii) první falešné pásmo je na 2ω₀, na rozdíl od 3ω₀ pro filtr λ / 4 pahýl.^[65]

Konishi describes a wideband 12 GHz band-pass filter, which uses 60° butterfly stubs and also has a low-pass response (short-circuit stubs are required to prevent such a response). As is often the case with distributed-element filters, the bandform into which the filter is classified largely depends on which bands are desired and which are considered to be spurious.^[66]

High-pass filtry

Originální high-pass filters are difficult, if not impossible, to implement with distributed elements. The usual design approach is to start with a band-pass design, but make the upper stopband occur at a frequency that is so high as to be of no interest. Such filters are described as pseudo-high-pass and the upper stopband is described as a vestigial stopband. Even structures that seem to have an "obvious" high-pass topology, such as the capacitive gap filter of figure 8, turn out to be band-pass when their behaviour for very short wavelengths is considered.^[67]

Viz také

• RF a mikrovlnný filtr
• Vlnovodný filtr
• Spurline
• Rozdělovače výkonu a směrové vazební členy

Reference

Bibliografie

• Bahl, I. J. Koncentrované prvky pro RF a mikrovlnné obvody, Artech House, 2003 ISBN  1-58053-309-4.
• Barrett, R. M. and Barnes, M. H. "Microwave printed circuits", Radio Telev., vol.46, str. 16, September 1951.
• Barrett, R. M. "Etched sheets serve as microwave components", Elektronika, vol.25, pp. 114–118, June 1952.
• Benoit, Hervé Satellite Television: Techniques of Analogue and Digital Television, Butterworth-Heinemann, 1999 ISBN  0-340-74108-2.
• Bhat, Bharathi and Koul, Shiban K. Stripline-like Transmission Lines for Microwave Integrated Circuits, New Age International, 1989 ISBN  81-224-0052-3.
• Carr, Joseph J. The Technician's Radio Receiver Handbook, Newnes, 2001 ISBN  0-7506-7319-2
• Cohn, S. B. "Parallel-coupled transmission-line resonator filters", IRE Transactions: Microwave Theory and Techniques, vol.MTT-6, pp. 223–231, April 1958.
• Connor, F. R. Přenos vln, Edward Arnold Ltd., 1972 ISBN  0-7131-3278-7.
• Cristal, E. G. and Frankel, S. "Hairpin line/half-wave parallel-coupled-line filters", IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques, vol.MTT-20, pp. 719–728, November 1972.
• Fagen, M. D. and Millman, S. A History of Engineering and Science in the Bell System: Volume 5: Communications Sciences (1925–1980), AT&T Bell Laboratories, 1984.
• Farago, P. S. Úvod do lineární síťové analýzy, English Universities Press, 1961.
• Ford, Peter John and Saunders, G. A. The Rise of the Superconductors, CRC Press, 2005 ISBN  0-7484-0772-3.
• Golio, John Michael The RF and Microwave Handbook, CRC Press, 2001 ISBN  0-8493-8592-X.
• Hong, Jia-Sheng and Lancaster, M. J. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications, John Wiley and Sons, 2001 ISBN  0-471-38877-7.
• Huurdeman, Anton A. Celosvětová historie telekomunikací, Wiley-IEEE, 2003 ISBN  0-471-20505-2.
• Jarry, Pierre and Beneat, Jacques Design and Realizations of Miniaturized Fractal Microwave and RF Filters, John Wiley and Sons, 2009 ISBN  0-470-48781-X.
• Kneppo, Ivan Microwave Integrated Circuits, Springer, 1994 ISBN  0-412-54700-7.
• Konishi, Yoshihiro Microwave Integrated Circuits, CRC Press, 1991 ISBN  0-8247-8199-6.
• Lee, Thomas H. Planar Microwave Engineering: A Practical Guide to Theory, Measurement, and Circuits, Cambridge University Press, 2004 ISBN  0-521-83526-7.
• Levy, R. "Theory of direct coupled-cavity filters", IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques, vol.MTT-15, pp. 340–348, June 1967.
• Levy, R. Cohn, S.B., "A History of microwave filter research, design, and development", IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques, pp. 1055–1067, vol.32, issue 9, 1984.
• Lundström, Lars-Ingemar Understanding Digital Television, Elsevier, 2006 ISBN  0-240-80906-8.
• Makimoto, Mitsuo and Yamashita, Sadahiko "Microwave resonators and filters for wireless communication: theory, design, and application", Springer, 2001 ISBN  3-540-67535-3.
• Mason, W. P. and Sykes, R. A. "The use of coaxial and balanced transmission lines in filters and wide band transformers for high radio frequencies", Bell Syst. Tech. J., sv. 16, pp. 275–302, 1937.
• Matthaei, G. L. "Interdigital band-pass filters", IRE Transactions: Microwave Theory and Techniques, vol.MTT-10, pp. 479–491, November 1962.
• Matthaei, G. L. "Comb-line band-pass filters of narrow or moderate bandwidth", Microwave Journal, vol.6, pp. 82–91, August 1963.
• Matthaei, George L .; Young, Leo a Jones, E. M. T. Mikrovlnné filtry, sítě odpovídající impedanci a vazebné struktury McGraw-Hill 1964 (vydání z roku 1980 je ISBN  0-89006-099-1).
• Niehenke, E. C.; Pucel, R. A. and Bahl, I. J. "Microwave and millimeter-wave integrated circuits", IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques, 'vol.50, Iss.3. března 2002, pp.846–857.
• Di Paolo, Franco Networks and Devices using Planar Transmission Lines, CRC Press, 2000 ISBN  0-8493-1835-1.
• Ragan, G. L. (ed.) Microwave transmission circuits, Massachusetts Institute of Technology Radiation Laboratory, Dover Publications, 1965.
• Richards, P. I. "Obvody odpor-přenos-vedení", Sborník IRE, vol.36, pp. 217–220, Feb. 1948.
• Rogers, John W. M. and Plett, Calvin Návrh vysokofrekvenčního integrovaného obvodu, Artech House, 2003 ISBN  1-58053-502-X.
• Sarkar, Tapan K. Historie bezdrátového připojení, John Wiley and Sons, 2006 ISBN  0-471-71814-9.
• Sevgi, Levent Complex Electromagnetic Problems and Numerical Simulation Approaches, Wiley-IEEE, 2003 ISBN  0-471-43062-5.
• Thurston, Robert N., "Warren P. Mason: 1900-1986", Journal of Acoustical Society of America, sv. 81, iss. 2, pp. 570-571, February 1987.
• Young, L. "Direct-coupled cavity filters for wide and narrow bandwidths" IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques, vol.MTT-11, pp. 162–178, May 1963.