Схема с распределенными элементами

с Малошумящий блочный преобразователь распределенными элементами. Схема справа представляет собой сосредоточенные элементы . Схема с распределенными элементами расположена в центре и слева от центра и построена на микрополосковой схеме .

Цепи с распределенными элементами — это электрические цепи, состоящие из отрезков линий передачи или других распределенных компонентов. Эти схемы выполняют те же функции, что и обычные схемы, состоящие из пассивных компонентов, таких как конденсаторы , катушки индуктивности и трансформаторы . Они используются в основном на микроволновых частотах, где обычные компоненты трудно (или невозможно) реализовать.

Обычные схемы состоят из отдельных компонентов, изготовленных отдельно, а затем соединенных вместе проводящей средой. Схемы с распределенными элементами строятся путем формирования самой среды в виде определенных шаблонов. Основным преимуществом схем с распределенными элементами является то, что их можно дешево производить в виде печатных плат для потребительских товаров, таких как спутниковое телевидение . Они также изготавливаются в коаксиальном и волноводном форматах для таких применений, как радары , спутниковая связь и микроволновые линии связи .

Явление, обычно используемое в схемах с распределенными элементами, заключается в том, что участок линии передачи может вести себя как резонатор . К компонентам распределенных элементов, которые делают это, относятся заглушки , связанные линии и каскадные линии. Схемы, построенные из этих компонентов, включают фильтры , делители мощности, направленные ответвители и циркуляторы .

Схемы с распределенными элементами изучались в 1920-х и 1930-х годах, но не приобрели значения до Второй мировой войны , когда они были использованы в радарах . После войны их использование ограничивалось военной, космической и радиовещательной инфраструктурой, но улучшения в материаловедения области вскоре привели к более широкому применению. Теперь их можно найти в таких отечественных товарах, как спутниковые тарелки и мобильные телефоны.

Фильтр нижних частот в виде обычных дискретных компонентов, подключенных на печатной плате (слева), и в виде конструкции с распределенными элементами, напечатанной на самой плате (справа).

Моделирование цепей

Цепи с распределенными элементами разработаны с использованием модели с распределенными элементами , альтернативы модели с сосредоточенными элементами , в которой пассивные электрические элементы электрического сопротивления , емкости и индуктивности предполагаются «сосредоточенными» в одной точке пространства в резисторе . конденсатор или катушка индуктивности соответственно. Модель распределенных элементов используется, когда это предположение больше не выполняется, и эти свойства считаются распределенными в пространстве. требуется значительное время для Это предположение не работает, когда электромагнитным волнам прохождения от одного вывода компонента к другому; «значительный» в этом контексте подразумевает достаточно времени для заметного изменения фазы . Величина изменения фазы зависит от частоты волны (и обратно пропорционально длине волны ). Распространенным практическим правилом среди инженеров является переход от сосредоточенной модели к распределенной, когда задействованные расстояния составляют более одной десятой длины волны (изменение фазы на 36°). Модель с сосредоточенными параметрами полностью терпит неудачу на четверти длины волны (изменение фазы на 90°), причем не только значение, но и природа компонента не соответствует прогнозам. Из-за этой зависимости от длины волны модель с распределенными элементами используется в основном на более высоких частотах; на низких частотах компоненты с распределенными элементами слишком громоздки. Распределенные проекты возможны выше 300 МГц и являются предпочтительной технологией на микроволновых частотах выше 1 ГГц .

Четкого разграничения по частоте использования этих моделей не существует. Хотя переключение обычно происходит где-то в диапазоне от 100 до 500 МГц , технологический масштаб также значителен; миниатюрные схемы могут использовать модель с сосредоточенными параметрами на более высокой частоте. Печатные платы (PCB), использующие технологию сквозного монтажа, больше, чем аналогичные конструкции, использующие технологию поверхностного монтажа . Гибридные интегральные схемы меньше, чем технологии печатных плат, а монолитные интегральные схемы меньше, чем обе. В интегральных схемах можно использовать конструкции с сосредоточенными параметрами на более высоких частотах, чем в печатных схемах, и это реализовано в некоторых радиочастотных интегральных схемах. Этот выбор особенно важен для портативных устройств, поскольку конструкции с сосредоточенными элементами обычно позволяют получить изделие меньшего размера.

Строительство с линиями электропередачи

пятого порядка, Частотная характеристика фильтра Чебышева построенного из сосредоточенных (вверху) и распределенных составляющих (внизу)

Подавляющее большинство схем с распределенными элементами состоят из отрезков линии передачи , что представляет собой особенно простую форму для моделирования. Размеры поперечного сечения линии неизменны по ее длине и малы по сравнению с длиной волны сигнала; таким образом, необходимо учитывать только распределение по длине линии. Такой элемент распределенной цепи целиком характеризуется своей длиной и характеристическим сопротивлением . Дальнейшее упрощение происходит в соразмерных линейных схемах , где все элементы имеют одинаковую длину. схемы с сосредоточенными параметрами, При использовании соразмерных схем прототип состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, может быть непосредственно преобразован в распределенную схему с взаимно однозначным соответствием между элементами каждой схемы.

Соответствующие линейные цепи важны, поскольку существует теория проектирования для их создания; не существует общей теории цепей, состоящих из линий передачи произвольной длины (или любой произвольной формы). Хотя произвольную форму можно проанализировать с помощью уравнений Максвелла , чтобы определить ее поведение, поиск полезных структур — это вопрос проб и ошибок или догадок.

Важная разница между схемами с распределенными элементами и схемами с сосредоточенными элементами заключается в том, что частотная характеристика схемы с распределенными элементами периодически повторяется, как показано в примере с фильтром Чебышева ; эквивалентная схема с сосредоточенными параметрами этого не делает. Это результат того, что передаточная функция сосредоточенных форм является рациональной функцией комплексной частоты ; распределенные формы — иррациональная функция. Другое отличие состоит в том, что длины линий , соединенных каскадом, вводят фиксированную задержку на всех частотах (при условии идеальной линии ). В схемах с сосредоточенными параметрами нет эквивалента для фиксированной задержки, хотя аппроксимация может быть построена для ограниченного диапазона частот.

Преимущества и недостатки

Схемы с распределенными элементами в некоторых форматах дешевы и просты в изготовлении, но занимают больше места, чем схемы с сосредоточенными элементами. Это проблематично для мобильных устройств (особенно портативных), где пространство ограничено. Если рабочие частоты не слишком высоки, разработчик может миниатюризировать компоненты, а не переходить на распределенные элементы. Однако паразитные элементы и резистивные потери в сосредоточенных компонентах увеличиваются с увеличением частоты как пропорция номинального значения импеданса сосредоточенных элементов. В некоторых случаях проектировщики могут выбрать конструкцию с распределенными элементами (даже если на этой частоте доступны сосредоточенные компоненты), чтобы получить выгоду от повышения качества . Конструкции с распределенными элементами, как правило, обладают большей мощностью; при сосредоточенной составляющей вся передаваемая цепью энергия концентрируется в небольшом объеме.

СМИ

Парные проводники

Существует несколько типов линий передачи, и любой из них можно использовать для построения схем с распределенными элементами. Самым старым (и до сих пор наиболее широко используемым) является пара проводников; его наиболее распространенная форма — витая пара , используемая для телефонных линий и подключений к Интернету. Он не часто используется для схем с распределенными элементами, поскольку используемые частоты ниже точки, где конструкции с распределенными элементами становятся выгодными. Однако проектировщики часто начинают с конструкции с сосредоточенными элементами и преобразуют ее в конструкцию с распределенными элементами с разомкнутой проводкой. Открытый провод — пара параллельных неизолированных проводников, используемых, например, для телефонных линий на телеграфных столбах . Разработчик обычно не собирается реализовывать схему в такой форме; это промежуточный этап в процессе проектирования. Конструкции с распределенными элементами и парами проводников ограничены несколькими специализированными применениями, такими как линии Лехера и двухпроводные линии, используемые для антенн линий питания .

Коаксиальный

Коллекция коаксиальных направленных ответвителей . С одного снята крышка, и видно его внутреннюю структуру.

Коаксиальная линия , центральный проводник, окруженный изолированным экранирующим проводником, широко используется для соединения блоков микроволнового оборудования и для передачи на большие расстояния. Хотя коаксиальные устройства с распределенными элементами обычно производились во второй половине 20-го века, во многих приложениях они были заменены плоскими формами из соображений стоимости и размера. Коаксиальная линия с воздушным диэлектриком используется для приложений с низкими потерями и высокой мощностью. Схемы с распределенными элементами в других средах по-прежнему часто переходят на коаксиальные разъемы схемы на портах для целей межсоединения.

Планарный

Основная статья: Плоская линия передачи

В большинстве современных схем с распределенными элементами используются планарные линии передачи, особенно в потребительских товарах массового производства. Существует несколько форм плоской линии, но наиболее распространенной является микрополосковая . Его можно производить тем же процессом, что и печатные платы , и, следовательно, его производство обходится дешево. Он также допускает интеграцию со схемами с сосредоточенными параметрами на одной плате. Другие формы печатных плоских линий включают полосковые линии , плавники и множество их вариаций. Планарные линии также могут использоваться в монолитных интегральных схемах СВЧ , где они являются неотъемлемой частью кристалла устройства.

Волновод

Основная статья: Волновод (электромагнетизм)

Волноводный фильтр

Многие конструкции с распределенными элементами могут быть реализованы непосредственно в волноводе. Однако с волноводами существует дополнительная сложность, заключающаяся в том, что несколько режимов возможны . Иногда они существуют одновременно, и эта ситуация не имеет аналогов в проводящих линиях. Волноводы имеют преимущества более низких потерь и более высокого качества резонаторов по сравнению с проводящими линиями, но их относительная стоимость и размер означают, что часто предпочтительнее микрополосковые. Волновод в основном находит применение в продуктах высокого класса, таких как мощные военные радары и верхние микроволновые диапазоны (где плоские форматы имеют слишком большие потери). Волновод становится более громоздким с уменьшением частоты, что препятствует его использованию на нижних диапазонах.

Механический

В некоторых специализированных приложениях, таких как механические фильтры в высококлассных радиопередатчиках (морских, военных, любительских), электронные схемы могут быть реализованы как механические компоненты; Это сделано во многом из-за высокого качества механических резонаторов. Они используются в радиочастотном диапазоне (ниже микроволновых частот), где в противном случае можно было бы использовать волноводы. Механические схемы также могут быть реализованы полностью или частично как схемы с распределенными элементами. Частота, с которой переход к проектированию с распределенными элементами становится возможным (или необходимым), гораздо ниже для механических схем. Это связано с тем, что скорость, с которой сигналы проходят через механическую среду, намного ниже, чем скорость электрических сигналов.

Компоненты схемы

Существует несколько структур, которые неоднократно используются в схемах с распределенными элементами. Некоторые из распространенных из них описаны ниже.

Заглушка

Основная статья: Стаб (электроника)

Заглушка — это короткая линия, которая разветвляется в сторону от основной линии. Конец шлейфа часто оставляют разомкнутым или короткозамкнутым, но он также может быть завершен с сосредоточенным компонентом. Шлейф можно использовать отдельно (например, для согласования импедансов ), либо несколько из них можно использовать вместе в более сложной схеме, например в фильтре. Шлейф может быть спроектирован как эквивалент конденсатора с сосредоточенными параметрами, катушки индуктивности или резонатора.

Фильтр-бабочка-заглушка

Отступления от построения однородных линий передачи в схемах с распределенными элементами редки. Одним из таких широко используемых отклонений является радиальная заглушка, имеющая форму сектора круга . Они часто используются парами, по одному с каждой стороны основной линии передачи. Такие пары называются заглушками-бабочками или галстуками-бабочками.

Связанные линии

Связанные линии – это две линии передачи, между которыми существует некоторая электромагнитная связь . Связь может быть прямой или косвенной. При непрямом соединении две линии проходят близко друг к другу на некотором расстоянии без экранирования между ними. Сила связи зависит от расстояния между линиями и сечения, приходящегося на другую линию. При прямом соединении ответвления напрямую соединяют две основные линии через определенные промежутки времени.

Связанные линии — распространенный метод построения делителей мощности и направленных ответвителей . Еще одним свойством связанных линий является то, что они действуют как пара связанных резонаторов . Это свойство используется во многих фильтрах с распределенными элементами.

Каскадные линии

Ортомодовый преобразователь (разновидность дуплексера ) со ступенчатым согласованием импеданса.

Каскадные линии — это участки линии передачи, на которых выход одной линии подключен к входу следующей. Несколько каскадных линий с разными характеристическими импедансами можно использовать для построения фильтра или широкополосной сети согласования импедансов. Это называется ступенчатой ​​структурой импеданса. Одиночная каскадная линия длиной в четверть волны образует четвертьволновой трансформатор импеданса . Это имеет полезное свойство преобразования любой цепи импеданса в ее двойник ; в этой роли его называют инвертором импеданса. Эту структуру можно использовать в фильтрах для реализации прототипа с сосредоточенными элементами в лестничной топологии в виде схемы с распределенными элементами. Для этого четвертьволновые трансформаторы чередуются с резонатором с распределенными элементами. Однако теперь это устаревший дизайн; Вместо этого используются более компактные инверторы, такие как ступенчатые. Ступенькой импеданса называется разрыв, образующийся на стыке двух каскадированных линий передачи с разными характеристическими сопротивлениями.

Резонатор полости

Полый резонатор представляет собой пустое (или иногда заполненное диэлектриком) пространство, окруженное проводящими стенками. Отверстия в стенах соединяют резонатор с остальной частью контура. Резонанс возникает из-за электромагнитных волн, отражающихся взад и вперед от стенок полости, создавая стоячие волны . Резонаторы могут использоваться во многих средах, но наиболее естественно формироваться в волноводе из уже существующих металлических стенок волновода.

Диэлектрический резонатор

Основная статья: Диэлектрический резонатор

Диэлектрический резонатор — это кусок диэлектрического материала, подвергающийся воздействию электромагнитных волн. Чаще всего имеет форму цилиндра или толстого диска. Хотя полостные резонаторы могут быть заполнены диэлектриком, существенное отличие состоит в том, что в полых резонаторах электромагнитное поле полностью содержится внутри стенок полости. Диэлектрический резонатор обладает некоторым полем в окружающем пространстве. Это может привести к нежелательному соединению с другими компонентами. Основное преимущество диэлектрических резонаторов состоит в том, что они значительно меньше эквивалентной полости, заполненной воздухом.

Винтовой резонатор

Основная статья: Спиральный резонатор

Винтовой резонатор представляет собой спираль проволоки в полости; один конец не соединен, а другой прикреплен к стенке полости. Хотя они внешне похожи на сосредоточенные индукторы, спиральные резонаторы представляют собой компоненты с распределенными элементами и используются в диапазонах ОВЧ и нижних диапазонах УВЧ .

Фракталы

См. Также: Фрактальная антенна

Трехитерационный фрактальный резонатор Гильберта в микрополоске

Использование фрактальных кривых в качестве компонента схемы является новой областью в схемах с распределенными элементами. Фракталы использовались для изготовления резонаторов для фильтров и антенн. Одним из преимуществ использования фракталов является их свойство заполнять пространство, что делает их меньше, чем другие конструкции. Другие преимущества включают в себя возможность создавать широкополосные и многополосные конструкции, хорошие внутриполосные характеристики и хорошее подавление внеполосных сигналов . На практике настоящий фрактал создать невозможно, потому что на каждой итерации фрактала производственные допуски становятся все более жесткими и в конечном итоге превышают возможности метода построения. Однако после небольшого количества итераций производительность близка к производительности настоящего фрактала. Их можно назвать префракталами или фракталами конечного порядка, если их необходимо отличить от настоящего фрактала.

Фракталы, которые использовались в качестве компонента схемы, включают снежинку Коха , остров Минковского , кривую Серпинского , кривую Гильберта и кривую Пеано . Первые три представляют собой замкнутые кривые, подходящие для патч-усиков. Последние две представляют собой разомкнутые кривые с окончаниями на противоположных сторонах фрактала. соединение . каскадное Это делает их пригодными для использования там, где требуется

Конус

Конус – это линия передачи с постепенным изменением сечения. Его можно считать предельным случаем ступенчатой ​​импедансной структуры с бесконечным числом ступеней. Конусы — это простой способ соединения двух линий передачи с разным характеристическим сопротивлением. Использование конусов значительно снижает эффекты несоответствия, которые могут возникнуть при прямом соединении. Если изменение поперечного сечения не слишком велико, никакая другая согласующая схема может не потребоваться. Конусы могут обеспечивать переходы между линиями в разных средах, особенно в разных формах плоских сред. Конусы обычно меняют форму линейно, но можно использовать и множество других профилей. Профиль, обеспечивающий заданное соответствие на минимальной длине, известен как конус Клопфенштайна и основан на конструкции фильтра Чебычева .

Конусы можно использовать для согласования линии передачи с антенной. В некоторых конструкциях, таких как рупорная антенна и антенна Вивальди , конус сам по себе является антенной. Роговые усики, как и другие конические, часто имеют линейную форму, но наилучшее соответствие получается при экспоненциальной кривой. Антенна Вивальди представляет собой плоскую (щелевую) версию экспоненциальной конусной антенны.

Распределенное сопротивление

Резистивные элементы обычно бесполезны в схемах с распределенными элементами. Однако распределенные резисторы могут использоваться в аттенюаторах и оконечных устройствах линий . В плоских средах они могут быть реализованы в виде извилистой линии из высокоомного материала или в виде осажденного участка тонкопленочного или толстопленочного материала. В волновод можно вставить карту из материала, поглощающего микроволновое излучение.

Цепи блоков

Фильтры и согласование импеданса

Основная статья: Фильтр с распределенными элементами

Микрополосковый полосовой шпильковый фильтр (слева), за которым следует нижних частот. шлейфовый фильтр

Фильтры представляют собой большой процент схем, построенных из распределенных элементов. Для их построения используется широкий спектр конструкций, включая шлейфы, спаренные линии и каскадные линии. Варианты включают встречно-штыревые фильтры, гребенчатые фильтры и шпильковые фильтры. Более поздние разработки включают фрактальные фильтры. Многие фильтры построены совместно с диэлектрическими резонаторами .

Как и в случае с фильтрами с сосредоточенными элементами, чем больше элементов используется, тем ближе фильтр подходит к идеальному отклику ; структура может стать довольно сложной. Для простых узкополосных требований может быть достаточно одного резонатора (например, шлейфового или ответвительного фильтра ).

Согласование импеданса для узкополосных приложений часто достигается с помощью одного согласующего шлейфа. Однако для широкополосных приложений схема согласования импеданса предполагает конструкцию, подобную фильтру. Разработчик предписывает требуемую частотную характеристику и проектирует фильтр с этой характеристикой. Единственное отличие от стандартной конструкции фильтра заключается в том, что импедансы источника и нагрузки фильтра различаются.

Делители мощности, сумматоры и направленные ответвители

Основная статья: Делители мощности и направленные ответвители

Микрополосковый пилообразный направленный ответвитель, вариант направленного ответвителя со связанными линиями.

Направленный ответвитель — это четырехпортовое устройство, которое передает мощность, идущую в одном направлении от одного пути к другому. Два порта являются входными и выходными портами основной линии. Часть мощности, поступающей во входной порт, подается на третий порт, известный как связанный порт . Никакая мощность, поступающая на входной порт, не подается на четвертый порт, обычно известный как изолированный порт . Для мощности, протекающей в обратном направлении и поступающей в выходной порт, возникает обратная ситуация; некоторая мощность подается на изолированный порт, но никакая мощность не подается на связанный порт.

Делитель мощности часто конструируется как направленный ответвитель с изолированным портом, постоянно подключенным к согласованной нагрузке (что делает его фактически трехпортовым устройством). Принципиальной разницы между этими двумя устройствами нет. Термин «направленный ответвитель» обычно используется, когда коэффициент связи (доля мощности, достигающей связанного порта) низкий, а делитель мощности — когда коэффициент связи высок. Сумматор мощности — это просто делитель мощности, используемый наоборот. В реализациях с распределенными элементами, использующих связанные линии, линии с косвенной связью больше подходят для направленных ответвителей с низкой связью; Ответвители ответвлений с прямым соединением больше подходят для делителей мощности с высокой степенью связи.

В конструкциях с распределенными элементами длина элемента равна четверти длины волны (или какой-либо другой длины); это будет справедливо только для одной частоты. Таким образом, простые конструкции имеют ограниченную полосу пропускания , в которой они будут успешно работать. Подобно сетям согласования импеданса, широкополосная конструкция требует наличия нескольких секций, и конструкция начинает напоминать фильтр.

Гибриды

Гибридное кольцо, используемое для создания сигналов суммы и разности.

Направленный ответвитель, который равномерно распределяет мощность между выходным и связанным портами ( ответвитель 3 дБ ), называется гибридным . Хотя слово «гибрид» первоначально относилось к гибридному трансформатору (устройству с сосредоточенными параметрами, используемому в телефонах), теперь оно имеет более широкое значение. Широко используемым гибридом с распределенными элементами, в котором не используются связанные линии, является гибридное кольцо или соединитель «крысиных бегов» . Каждый из четырех портов подключен к кольцу линии передачи в отдельной точке. Волны движутся по кольцу в противоположных направлениях, образуя стоячие волны . В некоторых точках кольца деструктивное вмешательство приводит к нулю; никакое питание не покинет порт, установленный в этот момент. В других точках конструктивное вмешательство максимизирует передаваемую мощность.

Другое применение гибридного соединителя — создание суммы и разности двух сигналов. На рисунке два входных сигнала подаются в порты, отмеченные 1 и 2. Сумма двух сигналов появляется в порту, отмеченном Σ, а разница — в порту, отмеченном Δ. Помимо использования в качестве ответвителей и делителей мощности, направленные ответвители можно использовать в балансных смесителях , частотных дискриминаторах , аттенюаторах , фазовращателях и сетях антенных решеток питающих .

Циркуляторы

Коаксиальный ферритовый циркулятор, работающий на частоте 1 ГГц.

Основная статья: Циркулятор

Циркуляционный насос обычно представляет собой трех- или четырехпортовое устройство, в котором мощность, поступающая в один порт, передается к следующему порту поочередно, как по кругу. Энергия может течь только в одном направлении по кругу (по часовой стрелке или против часовой стрелки), и никакая энергия не передается ни на один из других портов. Большинство циркуляторов с распределенными элементами основаны на ферритовых материалах. Циркуляторы используются в качестве изолятора для защиты передатчика (или другого оборудования) от повреждений из-за отражений от антенны, а также в качестве дуплексера, соединяющего антенну, передатчик и приемник радиосистемы.

Необычным применением циркулятора является усилитель отражения , где отрицательное сопротивление диода Ганна используется для отражения большей мощности, чем было получено. Циркулятор используется для направления входного и выходного потоков мощности на отдельные порты.

Пассивные схемы, как сосредоточенные, так и распределенные, почти всегда взаимны ; однако циркуляторы являются исключением. Есть несколько эквивалентных способов определить или представить взаимность. Удобным для схем на сверхвысоких частотах (где используются схемы с распределенными элементами) является их S-параметры . Обратная схема будет иметь матрицу S-параметров [ S ], которая является симметричной . Из определения циркулятора ясно, что это не так.

$[S]={\begin{pmatrix}0&0&1\\1&0&0\\0&1&0\end{pmatrix}}$

для идеального трехходового циркулятора, показывая, что циркуляторы невзаимны по определению. Отсюда следует, что построить циркуляционный насос из стандартных пассивных компонентов (сосредоточенных или распределенных) невозможно. Наличие феррита или другого невзаимного материала или системы необходимо для работы устройства.

Активные компоненты

Микрополосковая схема с дискретными транзисторами в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа , конденсаторами и резисторами в форме микросхемы, а также фильтрами смещения в качестве распределенных элементов.

Распределенные элементы обычно пассивны, но большинству приложений в той или иной роли потребуются активные компоненты. СВЧ Гибридная интегральная схема использует распределенные элементы для многих пассивных компонентов, но активные компоненты (такие как диоды , транзисторы и некоторые пассивные компоненты) являются дискретными. Активные компоненты могут быть упакованы или помещены на подложку , вызванных упаковкой в виде чипов без индивидуальной упаковки для уменьшения размера и устранения паразитов .

Распределенные усилители состоят из ряда усилительных устройств (обычно полевых транзисторов ), все их входы подключены через одну линию передачи, а все выходы — через другую линию передачи. Для правильной работы схемы длины двух линий должны быть равны между каждым транзистором, и каждый транзистор увеличивает выходной сигнал усилителя. Это отличается от обычного многокаскадного усилителя , где коэффициент усиления умножается на коэффициент усиления каждого каскада. Хотя распределенный усилитель имеет меньший коэффициент усиления, чем обычный усилитель с тем же количеством транзисторов, он имеет значительно большую полосу пропускания. В обычном усилителе полоса пропускания уменьшается с каждым дополнительным каскадом; в распределенном усилителе общая полоса пропускания такая же, как полоса пропускания одного каскада. Распределенные усилители используются, когда один большой транзистор (или сложный многотранзисторный усилитель) слишком велик, чтобы его можно было рассматривать как сосредоточенный компонент; соединительные линии передачи разделяют отдельные транзисторы.

История

См. также: Фильтр с распределенными элементами § История , Волноводный фильтр § История и Планарная линия передачи § История.

Оливер Хевисайд

Моделирование распределенных элементов было впервые использовано в анализе электрических сетей Оливером Хевисайдом. в 1881 году. Хевисайд использовал его, чтобы найти правильное описание поведения сигналов по трансатлантическому телеграфному кабелю . Передача раннего трансатлантического телеграфа была трудной и медленной из-за дисперсии , эффект, который в то время не был хорошо понят. Анализ Хевисайда, ныне известный как уравнения телеграфиста , выявил проблему и предложил методы ее преодоления . Это остается стандартным анализом линий электропередачи.

Уоррен П. Мейсон был первым, кто исследовал возможность создания схем с распределенными элементами, и подал патент. в 1927 году для коаксиального фильтра, созданного этим методом. Мейсон и Сайкс опубликовали исчерпывающую статью об этом методе в 1937 году. Мейсон также был первым, кто предложил акустический фильтр с распределенными элементами в своей докторской диссертации 1927 года и механический фильтр с распределенными элементами в патенте. поданная в 1941 году. Работа Мейсона была связана с коаксиальной формой и другими проводящими проводами, хотя большая часть ее также могла быть адаптирована для волновода. На первом месте стояли акустические работы, и коллеги Мэйсона из радиоотдела Bell Labs попросили его помочь с коаксиальными и волноводными фильтрами.

До Второй мировой войны спрос на схемы с распределенными элементами был невелик; частоты, используемые для радиопередач, были ниже точки, в которой распределенные элементы стали выгодными. Более низкие частоты имели больший диапазон, что является основным фактором для целей вещания . Эти частоты требуют длинных антенн для эффективной работы, и это привело к работе над более высокочастотными системами. Ключевым прорывом стало появление в 1940 году магнетрона с резонатором , который работал в микроволновом диапазоне и в результате чего было создано радиолокационное оборудование, достаточно маленькое для установки в самолетах. Последовал всплеск разработки фильтров с распределенными элементами, которые стали важным компонентом радаров. Потеря сигнала в коаксиальных компонентах привела к первому широкому использованию волноводов, расширив технологию фильтров из коаксиальной области в область волноводов.

Работы военного времени в основном не публиковались до окончания войны по соображениям безопасности, что затрудняло выяснение того, кто несет ответственность за каждую разработку. Важным центром этих исследований была Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института (Rad Lab), но работы велись и в других местах в США и Великобритании. Опубликована работа Rad Lab Фано и Лоусон. Еще одной разработкой военного времени стало гибридное кольцо. Эта работа была проведена в Bell Labs и опубликована после войны У.А. Тиррелла. Тиррелл описывает гибридные кольца, реализованные в волноводе, и анализирует их с точки зрения известного волноводного волшебного тройника . Другие исследователи вскоре были опубликованы коаксиальные версии этого устройства.

Джордж Маттеи возглавлял исследовательскую группу в Стэнфордском исследовательском институте , в которую входил Лео Янг , и отвечал за разработку многих фильтров. Маттеи впервые описал встречно-штыревой фильтр. и гребенчатый фильтр. Работа группы опубликована. в знаменательной книге 1964 года, посвященной состоянию проектирования схем с распределенными элементами в то время, которая на протяжении многих лет оставалась основным справочным изданием.

Плоские форматы начали использоваться с изобретением линии полосковой Робертом М. Барреттом . Хотя полосковая линия была еще одним изобретением военного времени, подробности о ней не публиковались. до 1951 года. Микрополосковая , изобретенная в 1952 году, стал коммерческим конкурентом стриплайна; однако плоские форматы не начали широко использоваться в микроволновых приложениях до тех пор, пока в 1960-х годах для подложек не стали доступны более качественные диэлектрические материалы. Другой конструкцией, которой пришлось ждать появления более качественных материалов, был диэлектрический резонатор. Впервые были отмечены его преимущества (компактный размер и высокое качество). Р.Д. Рихтмейером в 1939 году, но материалы с хорошей температурной стабильностью не были разработаны до 1970-х годов. Диэлектрические резонаторные фильтры в настоящее время широко используются в волноводных и линейных фильтрах.

Важные теоретические разработки включали Пола И. Ричардса , теорию соразмерных линий которая была опубликована. в 1948 году, а также были опубликованы «личности Куроды» — набор преобразований , которые преодолели некоторые практические ограничения теории Ричардса. Курода в 1955 году. По мнению Натана Коэна, первой фрактальной антенной следует считать логопериодическую антенну , изобретенную Раймоном Дюамелем и Дуайтом Исбеллом в 1957 году. Однако в то время его самоподобная природа и, следовательно, его связь с фракталами были упущены из виду. Ее до сих пор обычно не относят к фрактальной антенне. Коэн был первым, кто четко определил класс фрактальных антенн после того, как его вдохновила лекция Бенуа Мандельброта в 1987 году, но он не смог опубликовать статью до 1995 года.

Библиография

• Ан, Хи-Ран, Асимметричные пассивные компоненты в интегральных схемах СВЧ , John Wiley & Sons, 2006 г. ISBN   0470036958 .
• Альбанезе, виджей; Пейзер, В.П., «Анализ широкополосного коаксиального гибридного кольца» , IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques , vol. 6, вып. 4, стр. 369–373, октябрь 1958 г.
• Аванг, Заики, Проектирование микроволновых систем , Springer Science & Business Media, 2013 г. ISBN   981445124X .
• Бахл, Индер Дж. «Основы ВЧ и микроволновых транзисторных усилителей» , John Wiley & Sons, 2009 г. ISBN   0470462310 .
• Бахл, Индер Дж. Компоненты управления с использованием технологий Si, GaAs и GaN , Artech House, 2014 г. ISBN   1608077128 .
• Бакши, UA; Бакши А.В., Антенна и распространение волн , Технические публикации, 2009. ISBN   8184317220 .
• Банерджи, Амаль, Проектирование автоматического электронного фильтра , Springer, 2016 г. ISBN   3319434705 .
• Барретт, Р.М., «Травленые листы служат компонентами микроволновой печи», Electronics , vol. 25, стр. 114–118, июнь 1952 г.
• Барретт, РМ; Барнс, М.Х., «СВЧ-печатные схемы», Новости радио и телевидения , вып. 46, 16 сентября 1951 г.
• Бхат, Бхарати; Коул, Шибан К., Полосковые линии передачи для микроволновых интегральных схем , New Age International, 1989. ISBN   8122400523 .
• Борден, Бретт, Радиолокационная съемка воздушных целей , CRC Press, 1999. ISBN   1420069004 .
• Бриттен, Джеймс Э., «Представление загрузочной катушки: Джордж А. Кэмпбелл и Майкл И. Пупин» , Technology and Culture , vol. 11, нет. 1, стр. 36–57, январь 1970 г.
• Чанг, Кай; Се, Лунг-Хва, СВЧ-кольцо и связанные с ним структуры , John Wiley & Sons, 2004 г. ISBN   047144474X .
• Чен, Л.Ф.; Онг, СК; Нео, КП; Варадан, В.В.; Варадан, Виджай К., Микроволновая электроника: измерения и характеристика материалов , John Wiley & Sons, 2004 г. ISBN   0470020458 .
• Коэн, Натан, «Фрактальная антенна и учебник по фрактальному резонатору», гл. 8 дюймов, Фрейм, Майкл, Бенуа Мандельброт: жизнь во многих измерениях , World Scientific, 2015 г. ISBN   9814366064 .
• Крейг, Эдвин С., Электроника с помощью анализа сигналов , Springer, 2012 г. ISBN   1461243386 .
• Думанис, Эфстратиос; Гуссетис, Джордж; Космопулос, Саввас, Проектирование фильтров для спутниковой связи: технология спирального резонатора , Artech House, 2015 ISBN   160807756X .
• Дюамелл, Р.; Исбелл, Д., «Широкополосные логарифмически периодические антенные структуры» , 1958 IRE International Convention Record , Нью-Йорк, 1957, стр. 119–128.
• Эдвардс, Терри С; Стир, Майкл Б., Основы проектирования микрополосковых схем , John Wiley & Sons, 2016 г. ISBN   1118936191 .
• Фаген, доктор медицины; Миллман, С., История техники и науки в системе Bell: Том 5: Науки о связи (1925–1980) , AT&T Bell Laboratories, 1984 ISBN   0932764061 .
• Фано, РМ; Лоусон, А.В., «Проектирование микроволновых фильтров», гл. 10 дюймов, Рэган, Г.Л. (редактор), Схемы микроволновой передачи , МакГроу-Хилл, 1948 г. ОСЛК   2205252 .
• Гарг, Рамеш; Бахл, Индер; Боззи, Маурицио, Микрополосковые линии и щелевые линии , Artech House, 2013 г. ISBN   1608075354 .
• Гионе, Джованни; Пирола, Марко, Микроволновая электроника , издательство Кембриджского университета, 2017 г. ISBN   1107170273 .
• Григ, Д.Д.; Энглеманн, Х.Ф., «Микрополосковая технология — новая технология передачи данных в километровомегацикловом диапазоне» , Proceedings of the IRE , vol. 40, вып. 12, стр. 1644–1650, декабрь 1952 г.
• Гупта, С.К., Теория электромагнитного поля , Кришна Пракашан Медиа, 2010 г. ISBN   8187224754 .
• Харрел, Бобби, Технический справочник кабельного телевидения , Artech House, 1985 г. ISBN   0890061572 .
• Хевисайд, Оливер, Электротехническая документация , т. 1, стр. 139–140, Copley Publishers, 1925 г. ОСЛК   3388033 .
• Хевисайд, Оливер, «Электромагнитная индукция и ее распространение», The Electrician , стр. 79–81, 3 июня 1887 г. OCLC   6884353 .
• Хельсайн, Дж. Ридж-волноводы и пассивные микроволновые компоненты , IET, 2000 г. ISBN   0852967942 .
• Хендерсон, Берт; Камарго, Эдмар, Технология и применение микроволновых миксеров , Artech House, 2013 г. ISBN   1608074897 .
• Хилти, Курт, «Измерение затухания», стр. 422–439, Дайер, Стивен А. (редактор), Wiley Survey of Instrumentation and Measurement , John Wiley & Sons, 2004 г. ISBN   0471221651 .
• Хун, Цзя-Шен Г; Ланкастер, М.Дж., Микрополосковые фильтры для ВЧ/СВЧ-приложений , John Wiley & Sons, 2004 г. ISBN   0471464201 .
• Хантер, Ян, Теория и конструкция микроволновых фильтров , ИЭПП, 2001 г. ISBN   0852967772 .
• Хура, Гурдип С; Сингхал, Мукеш, Данные и компьютерные коммуникации: сети и межсетевое взаимодействие , CRC Press, 2001 г. ISBN   1420041312 .
• Исии, Т. Корю, Справочник по микроволновой технике: компоненты и устройства , Academic Press, 1995. ISBN   0123746965 .
• Янкович, Николина; Земляков Кирилл; Гешке, Риана Хелена; Вендик, Ирина; Црноевич-Бенгин, Весна, «Многополосные микрополосковые фильтры на основе фракталов», гл. 6 дюймов, Црноевич-Бенгин, Весна (редактор), Достижения в области многополосных микрополосковых фильтров , Cambridge University Press, 2015 г. ISBN   1107081971 .
• Джонсон, Роберт А., Механические фильтры в электронике , John Wiley & Sons Australia, 1983 г. ISBN   0471089192 .
• Джонсон, Роберт А; Бёрнер, Манфред; Конно, Масаси, «Механические фильтры — обзор прогресса» , IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics , vol. 18, вып. 3, стр. 155–170, июль 1971 г.
• Кумар, Нарендра; Гребенников Андрей, Усилители распределенной мощности для ВЧ и СВЧ связи , Артех Хаус, 2015 ISBN   1608078329 .
• Лакомм, Филипп; Марше, Жан-Клод; Харданж, Жан-Филипп; Нормант, Эрик, Воздушные и космические радиолокационные системы , Уильям Эндрю, 2001 г. ISBN   0815516134 .
• Ли, Томас Х. Планарная микроволновая техника , издательство Кембриджского университета, 2004 г. ISBN   0521835267 .
• Леви, Р; Кон, С.Б., «История исследований, проектирования и разработки микроволновых фильтров» , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , стр. 1055–1067, том. 32, вып. 9, 1984.
• Линхарт, Дуглас К., Проектирование микроволнового циркулятора , Artech House, 2014 г. ISBN   1608075834 .
• Магнуссон, Филип С; Вайсхаар, Андреас; Трипати, Виджай К; Александр, Джеральд С., Линии передачи и распространение волн , CRC Press, 2000 г. ISBN   0849302692 .
• Макимото, М; Ямашита, С., Микроволновые резонаторы и фильтры для беспроводной связи , Springer, 2013 г. ISBN   3662043254 .
• Малорацкий, Лео Дж., Пассивные ВЧ и СВЧ-интегральные схемы , Elsevier, 2004 г. ISBN   0080492053 .
• Малорацкий, Лео Г., Интегрированные микроволновые интерфейсы с приложениями для авионики , Artech House, 2012 г. ISBN   1608072061 .
• Мейсон, Уоррен П., «Волновой фильтр», патент США № 2 345 491 , поданный 25 июня 1927 г., выданный 11 ноября 1930 г.
• Мейсон, Уоррен П., «Сеть передачи волн», патент США № 2 345 491 , поданный 25 ноября 1941 г., выданный 28 марта 1944 г.
• Мейсон, Уоррен П., «Электромеханический волновой фильтр», патент США № 2 981 905 , поданный 20 августа 1958 г., выданный 25 апреля 1961 г.
• Мейсон, WP; Сайкс, Р.А., «Использование коаксиальных и симметричных линий передачи в фильтрах и широкополосных трансформаторах для высоких радиочастот» , Bell System Технический журнал , том. 16, стр. 275–302, 1937.
• Маттеи, Г.Л., «Встречно-цифровые полосовые фильтры» , IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques , vol. 10, вып. 6, стр. 479–491, ноябрь 1962 г.
• Маттеи, Г.Л., «Гребенчатые полосовые фильтры с узкой или умеренной полосой пропускания», Microwave Journal , vol. 6, стр. 82–91, август 1963 г. ISSN   0026-2897 .
• Маттеи, Джордж Л; Янг, Лео; Джонс, ЕМТ, микроволновые фильтры, сети согласования импеданса и структуры связи МакГроу-Хилл, 1964 г. OCLC   830829462 .
• Мейкл, Хэмиш, Современные радиолокационные системы , Artech House, 2008 г. ISBN   1596932430 .
• Миллиган, Томас А., Современный дизайн антенны , John Wiley & Sons, 2005 г. ISBN   0471720607 .
• Мисра, Девендра К., Радиочастотные и микроволновые схемы связи , John Wiley & Sons, 2004 г. ISBN   0471478733 .
• Натараджан, Дханасекхаран, Практическая конструкция фильтров с сосредоточенными, полусосредоточенными и микроволновыми полостями , Springer Science & Business Media, 2012 г. ISBN   364232861X .
• Нгуен, Кэм, Радиочастотная разработка интегральных схем , John Wiley & Sons, 2015 г. ISBN   0471398209 .
• Одзаки, Х; Исии, Дж., «Синтез класса полосковых фильтров» , IRE Transactions on Circuit Theory , vol. 5, вып. 2, стр. 104–109, июнь 1958 г.
• Пенн, Стюарт; Алфорд, Нил, «Керамические диэлектрики для микроволнового применения», гл. 10 дюймов, Налва, Хари Сингх (редактор), Справочник по материалам с низкой и высокой диэлектрической постоянной и их применениям , Academic Press, 1999 г. ISBN   0080533531 .
• Полкингхорн, Фрэнк А., «Устная история: Уоррен П. Мейсон» , интервью №. 005 для Исторического центра IEEE, 3 марта 1973 г., Wiki по истории техники и технологий, получено 15 апреля 2018 г.
• Рамадан, Али; Аль-Хусейни, Мохаммед; Кабалан Карим Ю; Эль-Хадж, Али, «Реконфигурируемые антенны фрактальной формы», гл. 10 дюймов, Насимуддин, Насимуддин, Микрополосковые антенны , Совет директоров - Книги по запросу, 2011 г. ISBN   9533072474 .
• Ричардс, Павел I, «Резисторно-линейные цепи» , Труды ИРЭ , вып. 36, вып. 2, стр. 217–220, 1948.
• Рихтмайер Р.Д., «Диэлектрические резонаторы» , Журнал прикладной физики , вып. 10, вып. 6, стр. 391–397, июнь 1939 г.
• Роер, Т.Г., СВЧ-электронные устройства , Springer, 2012 г. ISBN   1461525004 .
• Шарма, К.К., Основы микроволновой и радиолокационной техники , S. Chand Publishing, 2011 г. ISBN   8121935377 .
• Шейнгольд, Л.С.; Морита, Т., «Коаксиальная магия-Т» , Труды профессиональной группы IRE по теории и технике микроволнового излучения , том. 1, вып. 2, стр. 17–23, ноябрь 1953 г.
• Сисодиа, ML; Рагуванши, Г.С., Основные микроволновые методы и лабораторное руководство , New Age International, 1987. ISBN   0852268580 .
• Тейлор, Джон; Хуан, Цютин, Справочник CRC по электрическим фильтрам , CRC Press, 1997 г. ISBN   0849389518 .
• Тиррелл, Вашингтон, «Гибридные схемы для микроволн» , Труды IRE , вып. 35, вып. 11, стр. 1294–1306, ноябрь 1947 г.
• Венделин, Джордж Д.; Павио, Энтони М; Роде, Ульрих Л., Проектирование микроволновых схем с использованием линейных и нелинейных методов , John Wiley & Sons, 2005 г. ISBN   0471715824 .
• Уитакер, Джерри С., Справочник по электронике , CRC Press, 2000 г. ISBN   1420036866 .
• Журбенко Виталий, Пассивные СВЧ-компоненты и антенны , Совет директоров – Книги по запросу, 2010 ISBN   9533070838 .