Порт (теория цепей)

Сеть N имеет порт, соединяющий ее с внешней цепью. Порт соответствует условию порта, поскольку ток I , входящий в один терминал порта, равен току, выходящему из другого.

В теории электрических цепей порт соединяющих — это пара клемм, электрическую сеть или цепь с внешней цепью в качестве точки входа или выхода электрической энергии . Порт состоит из двух узлов (терминалов), подключенных к внешней цепи, которая удовлетворяет условию порта – токи, протекающие в два узла, должны быть равны и противоположны.

Использование портов помогает снизить сложность анализа схемы . Многие распространенные электронные устройства и схемные блоки, такие как транзисторы , трансформаторы , электронные фильтры и усилители , анализируются с точки зрения портов. При анализе многопортовой сети схема рассматривается как « черный ящик », подключенный к внешнему миру через свои порты. Порты — это точки, куда подаются входные сигналы или принимаются выходные сигналы. Его поведение полностью определяется матрицей параметров , связанных с напряжением и током на его портах, поэтому нет необходимости учитывать или даже знать внутреннюю структуру или конструкцию схемы при определении реакции схемы на приложенные сигналы.

Понятие портов можно распространить на волноводы , но определение в терминах тока неприемлемо, и возможное существование нескольких волноводных мод необходимо учитывать .

Состояние порта

Простая резистивная сеть с тремя возможными расположениями портов: (a) пары полюсов (1, 2) и (3, 4) являются портами; (б) пары полюсов (1, 4) и (2, 3) являются портами; (c) ни одна пара полюсов не является портами

Любой узел цепи, доступный для подключения к внешней цепи, называется полюсом (или клеммой, если это физический объект). Условие порта заключается в том, что пара полюсов цепи считается портом тогда и только тогда, когда ток, текущий в один полюс извне цепи, равен току, текущему из другого полюса во внешнюю цепь. Эквивалентно, алгебраическая сумма токов, текущих в два полюса из внешней цепи, должна быть равна нулю.

Невозможно определить, соответствует ли пара узлов условию порта, путем анализа внутренних свойств самой схемы. Состояние порта полностью зависит от внешних соединений схемы. То, что является портами при одном наборе внешних обстоятельств, вполне может не быть портами при других. Рассмотрим для примера схему из четырех резисторов на рисунке. Если генераторы подключены к парам полюсов (1, 2) и (3, 4), то эти две пары являются портами, а схема представляет собой коробчатый аттенюатор . С другой стороны, если генераторы подключены к парам полюсов (1, 4) и (2, 3), то эти пары являются портами, пары (1, 2) и (3, 4) больше не являются портами, и схема представляет собой мостовую схему .

Можно даже расположить входы так, чтобы ни одна пара полюсов не соответствовала условию порта. Однако с такой цепью можно справиться, разделив один или несколько полюсов на несколько отдельных полюсов, соединенных в один и тот же узел. Если к каждому полюсу подключена только одна клемма внешнего генератора (независимо от того, разделенный полюс или нет), то цепь снова можно проанализировать с точки зрения портов. Наиболее распространенная схема этого типа - обозначить один полюс n -полюсной цепи как общий и разделить его на n -1 полюсов. Эта последняя форма особенно полезна для топологий несбалансированных схем , и результирующая схема имеет n -1 портов.

В самом общем случае к каждой паре полюсов можно подключить генератор, т. е. ^н C ₂ генераторов, то каждый полюс необходимо разбить на n −1 полюсов. Например, в примере на рисунке (c), если каждый полюс 2 и 4 разделен на два полюса, тогда схему можно описать как 3-портовую. Однако также можно подключить генераторы к парам полюсов (1, 3) , (1, 4) и (3, 2) , сделав ⁴ C ₂ = всего 6 генераторов, и схему следует рассматривать как 6-портовую.

Один порт

Любая двухполюсная цепь гарантированно соответствует условию порта в соответствии с действующим законом Кирхгофа , и поэтому они безоговорочно являются однополюсными. Все основные электрические элементы ( индукторы , резисторы , конденсаторы , источники напряжения , источники тока ) являются однопортовыми устройствами.

Исследование однопортовых устройств является важной частью основы синтеза сетей , особенно при проектировании фильтров . Двухэлементные однопортовые (то есть RC , RL и цепи LC ) синтезировать проще, чем общий случай. Для двухэлементной однопортовой каноническую форму Фостера или каноническую форму Кауэра можно использовать . В частности, LC-цепи изучаются , поскольку они не содержат потерь и обычно используются при проектировании фильтров .

Два порта

Основная статья: двухпортовая сеть

Линейные двухпортовые сети широко изучены и разработано большое количество способов их представления. Одним из таких представлений являются z-параметры , которые можно описать в матричной форме с помощью:

${\begin{bmatrix}V_{1}\\V_{2}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}z_{11}&z_{12}\\z_{21}&z_{22}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}I_{1}\\I_{2}\end{bmatrix}}$

где V _n и I _n — напряжения и токи соответственно на порте n . Большинство других описаний двухпортовых устройств также можно описать с помощью аналогичной матрицы, но с другим расположением векторов-столбцов напряжения и тока .

Общие двухпортовые блоки схемы включают усилители , аттенюаторы и фильтры .

Мультипорты

Коаксиальные циркуляторы. Циркуляторы имеют как минимум три порта.

В общем, схема может состоять из любого количества портов — мультипорта. Некоторые, но не все, двухпортовые представления параметров могут быть расширены до произвольных многопортовых. Из матриц, основанных на напряжении и токе, можно расширить z-параметры и y-параметры . Ни один из них не подходит для использования на микроволновых частотах, поскольку напряжения и токи неудобно измерять в форматах, использующих проводники, и вообще не применимы в форматах волноводов . Вместо этого s-параметры , которые также можно распространить на произвольное количество портов. на этих частотах используются

Схемные блоки, имеющие более двух портов, включают направленные ответвители , делители мощности , циркуляторы , диплексеры , дуплексеры , мультиплексоры , гибриды и направленные фильтры .

РФ и СВЧ

Топологии радиочастотных и микроволновых схем обычно представляют собой топологии несбалансированных схем, например коаксиальные или микрополосковые . В этих форматах один полюс каждого порта в цепи подключен к общему узлу, например, к земле . При анализе схемы предполагается, что все эти общие полюса имеют одинаковый потенциал и что ток поступает в заземляющую пластину или впадает в нее, равный и противоположный току, идущему на другой полюс любого порта. В этой топологии порт рассматривается как один полюс. Предполагается, что соответствующий балансировочный полюс встроен в заземляющую пластину.

Однополюсное представление порта начнет давать сбой при наличии значительных токов в контуре заземления. В модели предполагается, что заземляющий слой является идеально проводящим и что между двумя точками на заземляющем слое нет разности потенциалов. В действительности заземляющий слой не является идеально проводящим, и токи в нем будут вызывать разность потенциалов. Если между общими полюсами двух портов существует разность потенциалов, то условие порта нарушается и модель недействительна.

Волновод

Ответвитель Морено — разновидность волноводного направленного ответвителя. Направленные ответвители имеют четыре порта. У этого есть один порт, постоянно терминированный внутри с согласованной нагрузкой , поэтому видны только три порта. Порты представляют собой отверстия в центрах фланцев волновода.

Идея портов может быть распространена (и распространена) на волноводные устройства, но порт больше нельзя определять с точки зрения полюсов цепи, поскольку в волноводах электромагнитные волны не направляются электрическими проводниками. Вместо этого они направляются стенками волновода. Таким образом, понятия полюса проводника цепи в этом формате не существует. Порты в волноводах представляют собой отверстие или разрыв в волноводе, через который могут проходить электромагнитные волны. Ограниченная плоскость, через которую проходит волна, является определением порта.

Волноводы имеют дополнительную сложность при анализе портов, поскольку возможно (а иногда и желательно) существование более чем одной моды волновода одновременно. В таких случаях для каждого физического порта в модель анализа необходимо добавить отдельный порт для каждого из режимов, присутствующих на этом физическом порту.

Другие области энергетики

Концепция портов может быть распространена на другие области энергетики. Обобщенное определение порта — это место, где энергия может течь от одного элемента или подсистемы к другому элементу или подсистеме. Этот обобщенный взгляд на концепцию порта помогает объяснить, почему состояние порта так определяется в электрическом анализе. Если алгебраическая сумма токов не равна нулю, как, например, в примере диаграммы (c), то энергия, передаваемая от внешнего генератора, не равна энергии, поступающей в пару полюсов цепи. Таким образом, передача энергии в этом месте более сложна, чем простой поток из одной подсистемы в другую, и не соответствует обобщенному определению порта.

Концепция порта особенно полезна, когда в одной и той же системе участвует несколько энергетических областей и требуется единый, последовательный анализ, например, с помощью механо-электрических аналогий или анализа графа связей . Связь между энергетическими доменами осуществляется посредством преобразователей . Преобразователь может быть однопортовым с точки зрения электрической области, но в более обобщенном определении порта он является двухпортовым. Например, механический привод имеет один порт в электрической области и один порт в механической области. Датчики можно анализировать как двухпортовые сети так же, как и электрические двухпортовые сети. То есть с помощью пары линейных алгебраических уравнений или матрицы передаточной функции 2×2 . Однако переменные в двух портах будут разными, а параметры двух портов будут представлять собой смесь двух энергетических областей. Например, в примере с приводом z-параметры будут включать в себя один электрический импеданс, один механический импеданс и два трансимпеданса , которые представляют собой отношения одной электрической и одной механической переменной.

Библиография

• Вон Ю. Ян, Сын С. Ли, Схемные системы с MATLAB и PSpice , John Wiley & Sons, 2008 г. ISBN   0470822406 .
• Фрэнк Густрау, Радиочастотная и микроволновая техника: основы беспроводной связи , John Wiley & Sons, 2012 г. ISBN   111834958X .
• Питер Рассер, Электромагнетизм, микроволновые схемы и проектирование антенн для техники связи , Artech House, 2003 г. ISBN   1580535321 .
• Герберт Дж. Карлин, Пьер Паоло Чиваллери, Проектирование широкополосных схем , CRC Press, 1997 г. ISBN   0849378974 .
• Дин Карнопп, Дональд Л. Марголис, Рональд К. Розенберг, Системная динамика , Wiley, 2000 г. ISBN   0471333018 .
• Вольфганг Боруцкий, Методология графов облигаций , Springer, 2009 г. ISBN   1848828829 .
• Лео Лерой Беранек, Тим Меллоу, Акустика: звуковые поля и преобразователи , Academic Press, 2012 г. ISBN   0123914213 .