Схема с распределенными элементами - Distributed-element circuit

Печатная плата блок-преобразователя спутникового телевидения
А малошумящий блочный преобразователь с распределенными элементами. Схема справа сосредоточенные элементы. Схема с распределенными элементами находится по центру и слева от центра и построена в микрополоска.

Схемы с распределенными элементами находятся электрические схемы состоит из длин линии передачи или другие распределенные компоненты. Эти схемы выполняют те же функции, что и обычные схемы, состоящие из пассивный компоненты, такие как конденсаторы, индукторы, и трансформаторы. Они используются в основном в микроволновая печь частоты, где обычные компоненты сложно (или невозможно) реализовать.

Обычные схемы состоят из отдельных компонентов, изготовленных отдельно, а затем соединенных вместе с проводящей средой. Цепи с распределенными элементами создаются путем формирования самой среды в виде определенных шаблонов. Основным преимуществом схем с распределенными элементами является то, что их можно дешево производить как печатная плата для потребительских товаров, таких как спутниковое телевидение. Они также сделаны в коаксиальный и волновод форматы для таких приложений, как радар, спутниковая связь, и микроволновые каналы.

Явление, обычно используемое в схемах с распределенными элементами, заключается в том, что можно заставить линию передачи вести себя как резонатор. Компоненты с распределенными элементами, которые делают это, включают 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 течение 1920-х и 1930-х годов, но не стали важными до тех пор, пока Вторая Мировая Война, когда они использовались в радар. После войны их использование было ограничено военными, космическими и вещание инфраструктуры, но улучшения в материаловедение в этой области вскоре привело к более широкому применению. Теперь их можно найти в отечественных продуктах, таких как спутниковые тарелки и мобильные телефоны.

А фильтр нижних частот как обычные дискретные компоненты, связанные на печатная плата (слева) и как дизайн с распределенными элементами, напечатанный на самой плате (справа)

Схемное моделирование

Схемы с распределенными элементами разработаны с учетом модель с распределенными элементами, альтернатива модель с сосредоточенными элементами в котором пассивный электрические элементы из электрическое сопротивление, емкость и индуктивность предполагается, что они «сосредоточены» в одной точке пространства в резистор, конденсатор или же индуктор, соответственно. Модель с распределенными элементами используется, когда это предположение больше не выполняется, и эти свойства считаются распределенными в пространстве. Это предположение не работает, когда есть значительное время для электромагнитные волны перемещаться от одного терминала компонента к другому; "значительный" в данном контексте означает достаточно времени для заметного фаза изменять. Величина изменения фазы зависит от волны частота (и обратно зависит от длина волны ). Общее практическое правило среди инженеров - переход от сосредоточенной к распределенной модели, когда задействованные расстояния составляют более одной десятой длины волны (изменение фазы на 36 °). Сосредоточенная модель полностью не работает на четверти длины волны (изменение фазы на 90 °), причем не только значение, но и природа компонента не соответствуют прогнозируемым. 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 конструкции возможны выше 300 МГц, и являются технологией выбора в микроволновая печь частоты выше 1 ГГц.[1]

Нет четкого разграничения частоты, с которой следует использовать эти модели. Хотя переход обычно происходит где-то в диапазоне от 100 до 100%.500 МГц ассортимент, значительный технологический масштаб; миниатюрные схемы могут использовать сосредоточенную модель на более высокой частоте. Печатные платы (Печатные платы) с использованием сквозная технология больше, чем эквивалентные конструкции, использующие технология поверхностного монтажа. Гибридные интегральные схемы меньше, чем технологии печатных плат, и монолитные интегральные схемы меньше обоих. Интегральные схемы могут использовать сосредоточенные конструкции на более высоких частотах, чем печатные схемы, и это делается в некоторых радиочастота интегральные схемы. Этот выбор особенно важен для портативных устройств, поскольку конструкция с сосредоточенными элементами обычно приводит к уменьшению размера продукта.[2]

Строительство с линиями электропередачи

График двух фильтрованных волн
Амплитудно-частотная характеристика пятого порядка Фильтр Чебышева построены из сосредоточенных (вверху) и распределенных компонентов (внизу)

Подавляющее большинство схем с распределенными элементами состоит из отрезков линия передачи, особенно простая форма 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 полностью характеризуется своей длиной и характеристическое сопротивление. Дальнейшее упрощение происходит в соразмерные линейные цепи, где все элементы одинаковой длины. При соразмерных схемах конструкция схем с сосредоточенными параметрами прототип состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, можно напрямую преобразовать в распределенную цепь с взаимно однозначным соответствием между элементами каждой цепи.[3]

Соответствующие линейные цепи важны, потому что существует теория проектирования для их производства; не существует общей теории для цепей, состоящих из линий передачи произвольной длины (или любых форм). Хотя произвольную форму можно проанализировать с помощью Уравнения Максвелла Чтобы определить его поведение, поиск полезных структур - это вопрос проб и ошибок или догадок.[4]

Важное различие между схемами с распределенными элементами и схемами с сосредоточенными элементами заключается в том, что частотная характеристика распределенной схемы периодически повторяется, как показано на Фильтр Чебышева пример; эквивалентная схема с сосредоточенными параметрами - нет. Это результат функция передачи сосредоточенных форм, являющихся рациональная функция из комплексная частота; распределенные формы - иррациональная функция. Другое отличие в том, что каскадное соединение длины линии вводят фиксированную задержку на всех частотах (при условии, что идеальная линия ). В схемах с сосредоточенными параметрами нет эквивалента для фиксированной задержки, хотя может быть построено приближение для ограниченного частотного диапазона.[5]

Преимущества и недостатки

Схемы с распределенными элементами дешевы и просты в производстве в некоторых форматах, но занимают больше места, чем схемы с сосредоточенными элементами. Это проблематично для мобильных устройств (особенно портативных), где пространство в дефиците. Если рабочие частоты не слишком высоки, разработчик может уменьшить компоненты, а не переключаться на распределенные элементы. Тем не мение, паразитические элементы а резистивные потери в сосредоточенных компонентах тем больше, чем больше частота, чем номинальное значение импеданса сосредоточенного элемента. В некоторых случаях дизайнеры могут выбрать дизайн с распределенными элементами (даже если сосредоточенные компоненты доступны на этой частоте), чтобы извлечь выгоду из улучшенных качественный. Конструкции с распределенными элементами, как правило, обладают большей мощностью управления; с сосредоточенным компонентом вся энергия, передаваемая цепью, сосредоточена в небольшом объеме.[6]

Средства массовой информации

Парные проводники

Существует несколько типов линий передачи, и любой из них может использоваться для построения схем с распределенными элементами. Самый старый (и до сих пор наиболее широко используемый) - это пара проводников; его наиболее распространенная форма витая пара, используется для телефонных линий и подключения к Интернету. Он не часто используется для схем с распределенными элементами, поскольку используемые частоты ниже точки, в которой схемы с распределенными элементами становятся выгодными. Однако дизайнеры часто начинают с проекта с сосредоточенными элементами и конвертируют его в проект с распределенными элементами с открытой связью. Открытый провод - это пара параллельных неизолированных проводов, используемых, например, для телефонные линии на телеграфные столбы. Разработчик обычно не намеревается реализовывать схему в таком виде; это промежуточный этап в процессе проектирования. Конструкции с распределенными элементами с парами проводников ограничены несколькими специализированными применениями, такими как Линии Лечера и двойной свинец используется для антенна линии подачи.[7]

Коаксиальный

Фотография
Коллекция коаксиальных направленные ответвители. У одного снята крышка, показывая его внутреннюю структуру.

Коаксиальная линия, центральный провод, 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, они были заменены во многих приложениях планарными формами из-за соображений стоимости и размера. Воздуха-диэлектрик коаксиальная линия используется для приложений с низким уровнем потерь и высокой мощности. Схемы с распределенными элементами в других средах все еще обычно переходят на коаксиальные разъемы на трассе порты для целей межсетевого взаимодействия.[8]

Планарный

Основная статья: Планарная линия передачи

В большинстве современных схем с распределенными элементами используются планарные линии передачи, особенно в массовых потребительских товарах. Есть несколько форм плоских линий, но вид, известный как микрополоска самый распространенный. Его можно изготовить тем же способом, что и печатные платы и, следовательно, дешево в изготовлении. Он также подходит для интеграции с сосредоточенными схемами на одной плате. Другие формы печатных плоских линий включают: полоса, плавник и множество вариаций. Плоские линии также можно использовать в монолитные СВЧ интегральные схемы, где они являются неотъемлемой частью микросхемы устройства.[9]

Волновод

Основная статья: Волновод (электромагнетизм)
Прямоугольный волноводный фильтр с пятью настроечными винтами
А волноводный фильтр

Многие конструкции с распределенными элементами могут быть непосредственно реализованы в волноводе. Однако есть дополнительная сложность с волноводами в этом множестве режимы возможны. Иногда они существуют одновременно, и эта ситуация не имеет аналогов с проводящими линиями. Волноводы имеют преимущества меньших потерь и более высокого качества. резонаторы по сравнению с проводящими линиями, но их относительная стоимость и объем делают микрополосковые. Волновод в основном находит применение в продуктах высокого класса, таких как мощные военные радары и верхние микроволновые диапазоны (где плоские форматы слишком с потерями). Волновод становится более громоздким с более низкой частотой, что препятствует его использованию на нижних диапазонах.[10]

Механический

В некоторых специализированных приложениях, таких как механические фильтры в высокотехнологичных радиопередатчиках (морских, военных, любительских) электронные схемы могут быть реализованы в виде механических компонентов; Во многом это сделано из-за высокого качества механических резонаторов. Они используются в радиочастота диапазон (ниже микроволновых частот), где в противном случае могли бы использоваться волноводы. Механические схемы также могут быть реализованы полностью или частично как схемы с распределенными элементами. Частота, при которой переход к проектированию с распределенными элементами становится возможным (или необходимым), намного ниже для механических схем. Это связано с тем, что скорость, с которой сигналы проходят через механическую среду, намного ниже, чем скорость электрических сигналов.[11]

Компоненты схемы

Есть несколько структур, которые многократно используются в схемах с распределенными элементами. Некоторые из наиболее распространенных описаны ниже.

Заглушка

Основная статья: Заглушка (электроника)

Заглушка - это короткая линия, которая разветвляется в сторону от основной линии. Конец шлейфа часто оставляют разомкнутым или закорачивают, но он также может заканчиваться компонентом с сосредоточенными параметрами. Заглушку можно использовать отдельно (например, для согласование импеданса ), или несколько из них могут использоваться вместе в более сложной схеме, такой как фильтр. Шлейф может быть выполнен как эквивалент сосредоточенного конденсатора, индуктора или резонатора.[12]

Пять заглушек в форме бабочек в фильтре
Фильтр-бабочка

Отходы от построения с едиными линиями передачи в схемах с распределенными элементами встречаются редко. Одним из таких широко используемых отклонений является радиальная заглушка, имеющая форму сектор круга. Они часто используются парами, по одному с каждой стороны главной линии передачи. Такие пары называются «бабочки» или «бабочки».[13]

Связанные линии

Связанные линии - это две линии передачи, между которыми есть электромагнитное поле. связь. Связь может быть прямой или косвенной. При непрямом соединении две линии проложены близко друг к другу на расстоянии без экранирования между ними. Прочность связи зависит от расстояния между линиями и поперечного сечения другой линии. При прямом соединении ответвления напрямую соединяют две основные линии через определенные интервалы.[14]

Связанные линии - распространенный метод построения делители мощности и направленные ответвители. Еще одно свойство связанных линий состоит в том, что они действуют как пара связанных линий. резонаторы. Это свойство используется во многих фильтрах с распределенными элементами.[15]

Каскадные линии

Устройство с тремя прямоугольными портами
An датчик ортофотоплана (разнообразие дуплексер ) со ступенчатым согласованием импеданса

Каскадные линии - это отрезки линии передачи, где выход одной линии соединен с входом следующей. Несколько каскадных линий с разным характеристическим сопротивлением можно использовать для создания фильтра или широкополосной схемы согласования импеданса. Это называется ступенчатой ​​структурой импеданса.[16] Одиночная каскадная линия длиной в четверть длины волны образует четвертьволновой трансформатор импеданса. Это имеет полезное свойство превращать любую сеть импеданса в ее двойной; в этой роли он называется инвертором импеданса. Эта структура может использоваться в фильтрах для реализации прототипа сосредоточенных элементов в лестничная топология как схема с распределенными элементами. Для этого четвертьволновые трансформаторы чередуются с резонатором с распределенными элементами. Однако теперь это устаревший дизайн; Вместо них используются более компактные инверторы, такие как ступенчатые. Шаг импеданса - это неоднородность, образованная на стыке двух каскадных линий передачи с разными характеристическими сопротивлениями.[17]

Полостной резонатор

А объемный резонатор представляет собой пустое (или иногда заполненное диэлектриком) пространство, окруженное проводящими стенками. Отверстия в стенках соединяют резонатор с остальной частью схемы. Резонанс возникает из-за электромагнитных волн, отраженных назад и вперед от стенок полости, создавая стоячие волны. Полостные резонаторы могут использоваться во многих средах, но наиболее естественно они образуются в волноводе из уже существующих металлических стенок волновода.[18]

Диэлектрический резонатор

Основная статья: Диэлектрический резонатор

Диэлектрический резонатор - это кусок диэлектрического материала, подверженный воздействию электромагнитных волн. Чаще всего он имеет форму цилиндра или толстого диска. Хотя объемные резонаторы могут быть заполнены диэлектриком, существенное отличие состоит в том, что в объемных резонаторах электромагнитное поле полностью содержится внутри стенок полости. Диэлектрический резонатор имеет некоторое поле в окружающем пространстве. Это может привести к нежелательному сцеплению с другими компонентами. Основное преимущество диэлектрических резонаторов заключается в том, что они значительно меньше, чем эквивалентная полость, заполненная воздухом.[19]

Винтовой резонатор

Основная статья: Винтовой резонатор

Винтовой резонатор - это спираль проволоки в полости; один конец не подсоединен, а другой прикреплен к стенке полости. Хотя они внешне похожи на сосредоточенные индукторы, спиральные резонаторы представляют собой компоненты с распределенными элементами и используются в УКВ и ниже УВЧ группы.[20]

Фракталы

Смотрите также: Фрактальная антенна
диаграмма
Трехполосковый фрактальный резонатор Гильберта на микрополосках[21]

Использование фрактал -подобные кривые в качестве компонента схемы - это новая область в схемах с распределенными элементами.[22] Из фракталов делают резонаторы для фильтров и антенн. Одним из преимуществ использования фракталов является их способность заполнять пространство, что делает их меньше, чем другие конструкции.[23] Среди других преимуществ - возможность производить широкополосный и многодиапазонный дизайн, хорошая производительность внутри диапазона и хорошая из группы отказ.[24] На практике настоящий фрактал не может быть получен, потому что на каждом фрактальная итерация производственные допуски становятся более жесткими и, в конечном итоге, больше, чем может обеспечить метод строительства. Однако после небольшого количества итераций производительность близка к характеристикам настоящего фрактала. Их можно назвать пре-фракталы или же фракталы конечного порядка где нужно отличать фрактал от настоящего.[25]

Фракталы, которые использовались в качестве компонента схемы, включают Коха снежинка, Остров Минковского, Кривая Серпинского, Кривая Гильберта, и Кривая Пеано.[26] Первые три являются замкнутыми кривыми, подходящими для патч-антенн. Последние две - открытые кривые с окончаниями на противоположных сторонах фрактала. Это делает их подходящими для использования там, где соединение в каскад необходимо.[27]

Конус

Конус - это линия передачи с постепенным изменением поперечного сечения. Его можно рассматривать как предельный случай ступенчатой ​​импедансной структуры с бесконечным числом ступеней.[28] Конусы - это простой способ соединения двух линий передачи с разным волновым сопротивлением. Использование конусов значительно снижает эффекты несоответствия, которые может вызвать прямое соединение. Если изменение поперечного сечения не слишком велико, никакая другая согласующая схема может не понадобиться.[29] Конусы могут обеспечить переходы между строками в разных средах, особенно в разных формах плоских сред.[30] Конусы обычно изменяют форму линейно, но можно использовать множество других профилей. Профиль, который обеспечивает заданное совпадение по наименьшей длине, известен как конус Клопфенштейна и основан на Фильтр Чебычева дизайн.[31]

Конусы можно использовать для согласования линии передачи с антенной. В некоторых дизайнах, таких как рупорная антенна и Антенна Вивальди, конус сам по себе является антенной. Роговые антенны, как и другие конусообразные антенны, часто бывают линейными, но наилучшее совпадение достигается с помощью экспоненциальной кривой. Антенна Вивальди представляет собой плоскую (щелевую) версию экспоненциального конуса.[32]

Распределенное сопротивление

Резистивные элементы обычно не используются в схеме с распределенными элементами. Однако распределенные резисторы могут использоваться в аттенюаторы и линия прекращения. В плоских средах они могут быть реализованы в виде меандрирующей линии из высокоомного материала или в виде отложенного участка тонкая пленка или же толстопленочный материал.[33] В волноводе в волновод можно вставить карту материала, поглощающего микроволновое излучение.[34]

Блоки схемы

Фильтры и согласование импеданса

Основная статья: Фильтр с распределенными элементами
См. Подпись
Микрополоска полоса пропускания фильтр-шпилька (слева), за которым следует НЧ заглушка фильтра

Фильтры - это большой процент схем, построенных с использованием распределенных элементов. Для их построения используется широкий спектр конструкций, включая заглушки, соединенные линии и каскадные линии. Варианты включают встречно-штыревые фильтры, гребенчатые фильтры и шпильки. Более свежие разработки включают фрактал фильтры.[35] Многие фильтры построены вместе с диэлектрические резонаторы.[36]

Как и в случае фильтров с сосредоточенными элементами, чем больше используется элементов, тем ближе фильтр идеальный ответ; структура может стать довольно сложной.[37] Для простых узкополосных требований может быть достаточно одного резонатора (например, шлейфа или спурлайн фильтр ).[38]

Согласование импеданса для узкополосных приложений часто достигается с помощью одного согласующего шлейфа. Однако для широкополосных приложений сеть согласования импеданса имеет конструкцию, подобную фильтру. Разработчик предписывает требуемую частотную характеристику и проектирует фильтр с этой характеристикой. Единственное отличие от стандартной конструкции фильтра состоит в том, что сопротивление источника и нагрузки фильтра различаются.[39]

Делители мощности, сумматоры и направленные ответвители

Основная статья: Делители мощности и направленные ответвители
Пилообразный соединитель на печатной плате
Микрополосковый пилообразный ответвитель, вариант ответвителя на связанных линиях[40]

Направленный ответвитель - это четырехпортовое устройство, которое передает мощность, протекающую 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 подключается к четвертому порту, обычно известному 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 не подключается к связанному порту.[41]

Делитель мощности часто выполнен в виде направленного ответвителя с изолированным портом, постоянно подключенным к согласованной нагрузке (что фактически делает его трехпортовым устройством). Между двумя устройствами нет существенной разницы. Период, термин направленный ответвитель обычно используется, когда коэффициент связи (доля мощности, поступающей на связанный порт) низка, и делитель мощности при высоком коэффициенте связи. Сумматор мощности - это просто делитель мощности, используемый в обратном направлении. В реализациях с распределенными элементами, использующими связанные линии, косвенно связанные линии больше подходят для направленных ответвителей с низким уровнем связи; ответвители с прямым подключением больше подходят для делителей мощности с высокой степенью связи.[42]

Конструкции с распределенными элементами основаны на длине элемента в четверть длины волны (или какой-либо другой длины); это будет справедливо только для одной частоты. Поэтому простые конструкции имеют ограниченный пропускная способность над которыми они будут успешно работать. Подобно сетям согласования импеданса, широкополосная конструкция требует нескольких секций, и конструкция начинает напоминать фильтр.[43]

Гибриды

Чертеж четырехпортового кольца
Гибридное кольцо, используемое для генерации суммарных и разностных сигналов

Направленный ответвитель, который поровну распределяет мощность между выходным и связанным портами ( 3 дБ ответвитель) называется гибридный.[44] Хотя «гибрид» первоначально назывался гибридный трансформатор (устройство с сосредоточенными параметрами, используемое в телефонах), теперь оно имеет более широкое значение. Широко используемый гибрид с распределенными элементами, не использующий связанные линии, - это гибридное кольцо или же сцепка для гонок. Каждый из его четырех портов подключен к кольцу линии передачи в разных точках. Волны движутся по кольцу в противоположных направлениях, создавая стоячие волны. В некоторых точках кольца разрушительные вмешательство приводит к нулю; в этот момент питание не выйдет из порта. В других случаях конструктивная интерференция максимизирует передаваемую мощность.[45]

Другой вариант использования гибридного ответвителя - получение суммы и разности двух сигналов. На рисунке два входных сигнала подаются на порты, обозначенные 1 и 2. Сумма двух сигналов отображается на порте, обозначенном Σ, а разность - на порте, обозначенном Δ.[46] В дополнение к их использованию в качестве ответвителей и делителей мощности, направленные ответвители могут использоваться в сбалансированные смесители, частотные дискриминаторы, аттенюаторы, фазовращатели, и антенная решетка подача сети.[47]

Циркуляторы

Квадратное, серое, трехпортовое устройство с идентификационной наклейкой
Коаксиальный ферритовый циркулятор, работающий при 1 ГГц
Основная статья: Циркулятор

Циркуляционный насос обычно представляет собой устройство с тремя или четырьмя портами, в котором мощность, поступающая на один порт, передается на следующий порт по очереди, как если бы 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 циркуляционных насосов с распределенными элементами основаны на феррит материалы.[48] Циркуляторы используются в качестве изолятор для защиты передатчика (или другого оборудования) от повреждений из-за отражений от антенны, а также в качестве дуплексер подключение антенны, передатчика и приемника радиосистемы.[49]

Необычное применение циркулятора находится в усилитель отражения, где отрицательное сопротивление из Диод Ганна используется для отражения большей мощности, чем было получено. Циркуляционный насос используется для направления входных и выходных потоков мощности к отдельным портам.[50]

Пассивные схемы, как сосредоточенные, так и распределенные, почти всегда взаимный; однако циркуляционные насосы являются исключением. Есть несколько эквивалентных способов определить или представить взаимность. Удобно для схем на СВЧ (где используются схемы с распределенными элементами) с точки зрения их S-параметры. Обратная схема будет иметь матрицу S-параметров, [S], который симметричный. Из определения циркулятора ясно, что это не так,

для идеального трехходового циркуляционного насоса, показывая, что циркуляторы по определению не являются взаимными. Отсюда следует, что невозможно построить циркулятор из стандартных пассивных компонентов (сосредоточенных или распределенных). Присутствие феррита или другого невзаимного материала или системы важно для работы устройства.[51]

Активные компоненты

Транзисторы, конденсаторы и резисторы на печатной плате
Микрополосковая схема с дискретными транзисторами в миниатюре поверхностный монтаж корпуса, конденсаторы и резисторы в форме микросхемы, и смещение фильтры как распределенные элементы

Распределенные элементы обычно пассивны, но для большинства приложений требуются активные компоненты в той или иной роли. Микроволновка гибридная интегральная схема использует распределенные элементы для многих пассивных компонентов, но активные компоненты (такие как диоды, транзисторы, и некоторые пассивные компоненты) дискретны. Активные компоненты могут быть упакованы или помещены на субстрат в форме чипов без индивидуальной упаковки, чтобы уменьшить размер и исключить необходимость упаковки паразиты.[52]

Распределенные усилители состоят из ряда усилительных устройств (обычно Полевые транзисторы ), причем все их входы подключены через одну линию передачи, а все их выходы - через другую линию передачи. Для правильной работы схемы длины двух линий должны быть равны между каждым транзистором, и каждый транзистор добавляет к выходу усилителя. Это отличается от обычного многокаскадный усилитель, где прирост умножается на коэффициент усиления каждой ступени. Хотя распределенный усилитель имеет меньшее усиление, 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 рассматривать его как сосредоточенный компонент; соединительные линии передачи разделяют отдельные транзисторы.[53]

История

Смотрите также: Фильтр с распределенными элементами § История, Волноводный фильтр § История, и Планарная линия передачи § История
Фотография бородатого Оливера Хевисайда средних лет.
Оливер Хевисайд

Моделирование распределенных элементов было впервые использовано в анализе электрических сетей Оливер Хевисайд[54] в 1881 году. Хевисайд использовал его, чтобы найти правильное описание поведения сигналов на трансатлантический телеграфный кабель. Передача раннего трансатлантического телеграфа была трудной и медленной из-за разброс Эффект, который в то время не был хорошо изучен. Анализ Хевисайда, теперь известный как уравнения телеграфа, выявил проблему и предложил[55] методы его преодоления. Остается стандартный анализ линий электропередачи.[56]

Уоррен П. Мейсон был первым, кто исследовал возможность схем с распределенными элементами, и подал патент.[57] в 1927 г. для созданного этим методом коаксиального фильтра. Мейсон и Сайкс опубликовали окончательную 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.[58] подана в 1941 г.Работа Мейсона была связана с коаксиальной формой и другими проводящими проводами, хотя многое из этого также можно было адаптировать для волновода. На первом месте стояла акустическая работа, и коллеги Мэйсона по Bell Labs Радиотдел попросил его помочь с коаксиальными и волноводными фильтрами.[59]

Перед Вторая Мировая Война был небольшой спрос на схемы с распределенными элементами; частоты, используемые для радиопередач, были ниже точки, в которой распределенные элементы становились выгодными. Более низкие частоты имеют больший диапазон, что является основным соображением для транслировать целей. Эти частоты требуют длинных антенн для эффективной работы, и это привело к работе с высокочастотными системами. Ключевым прорывом стало введение в 1940 г. резонаторный магнетрон которые работали в микроволновом диапазоне и привели к созданию радиолокационного оборудования, достаточно компактного для установки на самолетах.[60] Последовал всплеск разработки фильтров с распределенными элементами, которые являются важным компонентом радаров. Потеря сигнала в коаксиальных компонентах привела к первому широкому использованию волновода, расширив технологию фильтрации от коаксиальной области до области волновода.[61]

Работа военного времени в основном не публиковалась до окончания войны по соображениям безопасности, что затрудняло определение того, кто отвечал за каждую разработку. Важным центром этого исследования был Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института (Rad Lab), но работа велась и в других местах в США и Великобритании. Опубликована работа Rad Lab[62] Фано и Лоусон.[63] Еще одной разработкой военного времени стало гибридное кольцо. Эта работа проводилась на Bell Labs, и был опубликован[64] после войны У. А. Тирреллом. Тиррелл описывает гибридные кольца, реализованные в волноводе, и анализирует их в терминах хорошо известного волновода. волшебная футболка. Другие исследователи[65] вскоре вышли коаксиальные версии этого устройства.[66]

Джордж Маттай возглавлял исследовательскую группу в Стэнфордский исследовательский институт который включал Лео Янг и был ответственным за многие конструкции фильтров. Маттеи впервые описал встречно-штыревой фильтр[67] и гребенчатый фильтр.[68] Работа группы опубликована[69] в знаменательной книге 1964 года, описывающей состояние проектирования схем с распределенными элементами в то время, которая оставалась основной справочной работой в течение многих лет.[70]

Планарные форматы начали использоваться с изобретением полоса к Роберт М. Барретт. Хотя полосковая линия была еще одним изобретением военного времени, ее подробности не публиковались.[71] до 1951 г. Микрополоска, изобретенный в 1952 г.,[72] стал коммерческим конкурентом полосковой линии; однако плоские форматы не стали широко использоваться в микроволновых приложениях, пока в 1960-х годах для подложек не стали доступны лучшие диэлектрические материалы.[73] Другой конструкцией, которой пришлось ждать лучших материалов, был диэлектрический резонатор. Впервые были отмечены его преимущества (компактный размер и высокое качество).[74] Р. Д. Рихтмейером в 1939 году, но материалы с хорошей температурной стабильностью не были разработаны до 1970-х годов. Диэлектрические резонаторные фильтры теперь широко используются в волноводных и линейных фильтрах.[75]

Важные теоретические разработки включали Пол I. Ричардс ' теория соразмерных линий, который был опубликован[76] в 1948 г. и Личности Куроды, набор трансформирует которые преодолели некоторые практические ограничения теории Ричардса, опубликованы[77] Курода в 1955 году.[78] По словам Натана Коэна, логопериодическая антенна, изобретенный Раймоном Дюамелем и Дуайт Исбелл в 1957 году следует считать первую фрактальную антенну. Однако его самоподобная природа и, следовательно, его связь с фракталами в то время были упущены. Его до сих пор обычно не относят к фрактальной антенне. Коэн был первым, кто явно идентифицировал класс фрактальных антенн после того, как его вдохновила лекция Бенуа Мандельброт в 1987 году, но он не мог опубликовать статью до 1995 года.[79]

Рекомендации

  1. ^ Vendelin и другие., стр. 35–37
  2. ^ Нгуен, стр. 28
    • Vendelin и другие., стр. 35–36
  3. ^ Хантер, стр. 137–138.
  4. ^ Хантер, стр. 137
  5. ^ Хантер, стр. 139–140.
  6. ^ Doumanis и другие., стр. 45–46
    • Нгуен, стр. 27–28.
  7. ^ Хура и Сингхал, стр. 178–179.
    • Магнуссон и другие., п. 240
    • Гупта, стр. 5.5
    • Крейг, стр. 291–292.
    • Хендерсон и Камарго, стр. 24–25.
    • Чен и другие., п. 73
  8. ^ Натараджан, стр. 11–12.
  9. ^ Гион и Пирола, стр. 18–19.
  10. ^ Гион и Пирола, стр. 18
  11. ^ Тейлор и Хуанг, стр. 353–358.
    • Джонсон (1983), стр. 102
    • Мейсон (1961)
    • Джонсон и другие. (1971), стр.155, 169
  12. ^ Эдвардс и Стир, стр. 78, 345–347.
    • Банерджи, стр. 74
  13. ^ Эдвардс и Стир, стр. 347–348.
  14. ^ Магнуссон и другие., п. 199
    • Гарг и другие., п. 433
    • Chang & Hsieh, стр. 227–229.
    • Бхат и Коул, стр. 602–609.
  15. ^ Бхат и Коул, стр. 10, 602, 622.
  16. ^ Ли, стр. 787
  17. ^ Helszajn, p. 189
  18. ^ Хантер, стр. 209–210.
  19. ^ Penn & Alford, стр. 524–530.
  20. ^ Уитакер, стр. 227
    • Doumanis и другие., стр. 12–14
  21. ^ Янкович и другие., п. 197
  22. ^ Рамадан и другие., п. 237
  23. ^ Янкович и другие., п. 191
  24. ^ Янкович и другие., стр. 191–192
  25. ^ Янкович и другие., п. 196
  26. ^ Янкович и другие., п. 196
  27. ^ Янкович и другие., п. 196
  28. ^ Журбенко, с. 310
  29. ^ Гарг и другие., стр. 180–181
  30. ^ Гарг и другие., стр. 404–406, 540
    • Эдвардс и Стир, стр. 493
  31. ^ Журбенко, с. 311
    • Мисра, стр. 276
    • Ли, стр. 100
  32. ^ Бакши и Бакши
    • стр. 3-68–3-70
    • Миллиган, стр. 513
  33. ^ Малорацкий (2012), с. 69
    • Хилти, стр. 425
    • Бахл (2014), стр. 214
  34. ^ Hilty, стр. 426–427.
  35. ^ Коэн, стр. 220
  36. ^ Хонг и Ланкастер, стр.109, 235
    • Макимото и Ямасита, стр. 2
  37. ^ Харрелл, стр. 150
  38. ^ Аванг, стр. 296
  39. ^ Бахл (2009), стр. 149
  40. ^ Малорацкий (2004), с. 160
  41. ^ Сисодия и Рагхуванш, стр. 70
  42. ^ Исии, стр. 226
  43. ^ Bhat & Khoul, стр. 622–627.
  44. ^ Малорацкий (2004), с. 117
  45. ^ Чанг и Се, стр. 197–198.
  46. ^ Гион и Пирола, стр. 172–173.
  47. ^ Чанг и Се, стр. 227
    • Малорацкий (2004), с. 117
  48. ^ Шарма, стр. 175–176.
    • Linkhart, стр. 29
  49. ^ Meikle, стр. 91
    • Lacomme и другие., стр. 6–7
  50. ^ Роер, стр. 255–256.
  51. ^ Малорацкий (2004), с. 285–286.
  52. ^ Бхат и Кхул, стр. 9–10, 15.
  53. ^ Кумар и Гребенников, стр. 153–154.
  54. ^ Хевисайд (1925)
  55. ^ Хевисайд (1887), стр. 81 год
  56. ^ Бриттен, стр. 39
  57. ^ Мейсон (1930)
  58. ^ Мейсон (1961)
  59. ^ Джонсон и другие. (1971), стр. 155
    • Фейген и Миллман, стр. 108
    • Леви и Кон, стр. 1055
    • Полкингхорн (1973)
  60. ^ Борден, стр. 3
  61. ^ Леви и Кон, стр. 1055
  62. ^ Фано и Лоусон (1948)
  63. ^ Леви и Кон, стр. 1055
  64. ^ Тиррелл (1947)
  65. ^ Шейнголд и Морита (1953)
    • Альбанезе и Пейсер (1958)
  66. ^ Ан, с. 3
  67. ^ Маттеи (1962)
  68. ^ Маттеи (1963)
  69. ^ Matthaei и другие. (1964)
  70. ^ Леви и Кон, стр. 1057–1059.
  71. ^ Барретт и Барнс (1951)
  72. ^ Григ и Энглеманн (1952)
  73. ^ Бхат и Коул, стр. 3
  74. ^ Рихтмейер (1939)
  75. ^ Макимото и Ямасита, стр. 1-2.
  76. ^ Ричардс (1948)
  77. ^ Первая публикация на английском языке:
    • Одзаки и Исии (1958)
  78. ^ Леви и Кон, стр. 1056–1057.
  79. ^ Коэн, стр. 210–211

Библиография

  • Ан, Хи-Ран, Асимметричные пассивные компоненты в интегральных схемах СВЧ, Джон Уайли и сыновья, 2006 г. ISBN  0470036958.
  • Albanese, VJ; Пейзер, В. П., «Анализ широкополосного коаксиального гибридного кольца», Труды IRE по теории и методам микроволнового излучения, т. 6, вып. 4. С. 369–373, октябрь 1958 г.
  • Аванг, Заики, Проектирование микроволновых систем, Springer Science & Business Media, 2013 г. ISBN  981445124X.
  • Бахл, Индер Дж., Основы транзисторных усилителей ВЧ и СВЧ, Джон Уайли и сыновья, 2009 г. ISBN  0470462310.
  • Бахл, Индер Дж., Компоненты управления с использованием технологий Si, GaAs и GaN, Artech House, 2014 г. ISBN  1608077128.
  • Бакши, УА; Бакши, А.В., Антенна и распространение волн, Технические публикации, 2009 г. ISBN  8184317220.
  • Банерджи, Амаль, Автоматизированная разработка электронных фильтров, Springer, 2016 ISBN  3319434705.
  • Барретт Р. М., «Протравленные листы служат в качестве компонентов для микроволновых печей», Электроника, т. 25, стр. 114–118, июнь 1952 г.
  • Барретт, Р. М.; Барнс, М. Х, "Микроволновые печатные схемы", Радио ТВ Новости, т. 46, 16 сентября 1951 г.
  • Бхат, Бхарати; Коул, Шибан К., Полосковые линии передачи для интегральных схем СВЧ, "Нью Эйдж Интернэшнл", 1989 г. ISBN  8122400523.
  • Борден, Бретт, Радиолокационная съемка воздушных целей, CRC Press, 1999 г. ISBN  1420069004.
  • Бриттен, Джеймс Э., «Введение в загрузочную катушку: Джордж А. Кэмпбелл и Майкл И. Пупин», Технологии и культура, т. 11, вып. 1. С. 36–57, январь 1970 г.
  • Чанг, Кай; Се, Лунг-Хва, Кольцевые СВЧ-схемы и родственные конструкции, John Wiley & Sons, 2004 г. ISBN  047144474X.
  • Чен, Л. Ф .; Онг, C K; Neo, C P; Варадан, V V; Варадан, Виджай К., СВЧ-электроника: измерение и характеристика материалов, John Wiley & Sons, 2004 г. ISBN  0470020458.
  • Коэн, Натан, "Фрактальная антенна и праймер фрактального резонатора", гл. 8 дюймов, Рамка, Михаил, Бенуа Мандельброт: жизнь во многих измерениях, World Scientific, 2015 ISBN  9814366064.
  • Крейг, Эдвин С, Электроника через анализ формы волны, Springer, 2012 г. ISBN  1461243386.
  • Думанис, Эфстратиос; Гуссетис, Джордж; Космопулос, Саввас, Дизайн фильтров для спутниковой связи: технология спирального резонатора, Artech House, 2015 г. ISBN  160807756X.
  • DuHamell, R; Исбелл, Д, «Широкополосные логарифмически периодические антенные структуры», Рекорд Международной конвенции IRE 1958 года, Нью-Йорк, 1957, стр. 119–128.
  • Эдвардс, Терри С; Стир, Майкл Б., Основы проектирования микрополосковых схем, Джон Уайли и сыновья, 2016 ISBN  1118936191.
  • Фаген, доктор медицины; Миллман, С, История инженерии и науки в системе Bell: Том 5: Коммуникационные науки (1925–1980), AT&T Bell Laboratories, 1984 г. ISBN  0932764061.
  • Фано, Р. М.; Лоусон, AW, "Дизайн микроволновых фильтров", гл. 10 дюймов, Рэган, Г. Л. (ред), Цепи передачи микроволн, Макгроу-Хилл, 1948 г. OCLC  2205252.
  • Гарг, Рамеш; Бахл, Индер; Боцци, Маурицио, Микрополосковые линии и линии слотов, Artech House, 2013 г. ISBN  1608075354.
  • Гионе, Джованни; Пирола, Марко, СВЧ электроника, Cambridge University Press, 2017 г. ISBN  1107170273.
  • Григ, Д. Д.; Энглеманн, H F, «Микрополосковый - новый метод передачи для диапазона киломегациклов», Труды IRE, т. 40, вып. 12. С. 1644–1650, декабрь 1952 г.
  • Гупта, С. К., Теория электромагнитного поля, Кришна Пракашан Медиа, 2010 г. ISBN  8187224754.
  • Харрел, Бобби, Технический справочник по кабельному телевидению, Artech House, 1985 г. ISBN  0890061572.
  • Хевисайд, Оливер, Электротехнические документы, т. 1. С. 139–140, Издательство Копли, 1925 г. OCLC  3388033.
  • Хевисайд, Оливер, "Электромагнитная индукция и ее распространение", Электрик, стр. 79–81, 3 июня 1887 г. OCLC  6884353.
  • Helszajn, J, Гребневые волноводы и пассивные СВЧ компоненты, ИЭПП, 2000 г. ISBN  0852967942.
  • Хендерсон, Берт; Камарго, Эдмар, Технология и применение микроволновых смесителей, Artech House, 2013 г. ISBN  1608074897.
  • Хилти, Курт, «Измерение затухания», стр. 422–439 в, Дайер, Стивен А. (редактор), Wiley Survey of Instruments 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.
  • Hura, Gurdeep S; Сингхал, Мукеш, Данные и компьютерные коммуникации: сети и межсетевое взаимодействие, CRC Press, 2001 г. ISBN  1420041312.
  • Исии, Т. Корю, Справочник по микроволновым технологиям: компоненты и устройства, Academic Press, 1995 г. ISBN  0123746965.
  • Янкович, Николина; Земляков, Кирилл; Гешке, Риана Хелена; Вендик Ирина; Црноевич-Бенгин, Весна, "Многополосные микрополосковые фильтры на фрактальной основе", гл. 6 в, Црноевич-Бенгин, Весна (ред), 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», Транзакции IEEE по акустике и ультразвуку, т. 18, вып. 3. С. 155–170, июль 1971 г.
  • Кумар, Нарендра; Гребенников Андрей, Распределенные усилители мощности для ВЧ и СВЧ связи, Artech House, 2015 г. ISBN  1608078329.
  • Лакомм, Филипп; Марше, Жан-Клод; Харданж, Жан-Филипп; Норман, Эрик, Радиолокационные системы воздушного и космического базирования, Уильям Эндрю, 2001 ISBN  0815516134.
  • Ли, Томас Х, Планарная микроволновая техника, Cambridge University Press, 2004 г. ISBN  0521835267.
  • Леви, Р; Кон, С. Б., «История исследований, проектирования и разработки микроволновых фильтров», IEEE Transactions: теория и методы микроволнового излучения, стр. 1055–1067, т. 32, вып. 9, 1984.
  • Линкхарт, Дуглас К., Конструкция СВЧ-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 ISBN  0849302692.
  • Макимото, М; Ямасита, S, Микроволновые резонаторы и фильтры для беспроводной связи, Springer, 2013 г. ISBN  3662043254.
  • Малорацкий Лев Г, Пассивные интегральные схемы ВЧ и СВЧ, Эльзевир, 2004 ISBN  0080492053.
  • Малорацкий Лев Г, Интегрированные микроволновые интерфейсы с приложениями авионики, Artech House, 2012 г. ISBN  1608072061.
  • Мейсон, Уоррен П., «Волновой фильтр», Патент США 2345491 , подана 25 июня 1927 г., выдана 11 ноября 1930 г.
  • Мейсон, Уоррен П., «Сеть передачи волн», Патент США 2345491 , подано 25 ноября 1941 г., выдано 28 марта 1944 г.
  • Мейсон, Уоррен П., "Электромеханический волновой фильтр", Патент США 2,981,905 , подана 20 августа 1958 г., выдана 25 апреля 1961 г.
  • Мейсон, W P; Сайкс, Р. А., «Использование коаксиальных и симметричных линий передачи в фильтрах и широкополосных трансформаторах для высоких радиочастот», Технический журнал Bell System, т. 16. С. 275–302, 1937.
  • Matthaei, G L, «Встречно-штыревые полосовые фильтры», Труды IRE по теории и методам микроволнового излучения, т. 10, вып. 6. С. 479–491, ноябрь 1962 г.
  • Matthaei, GL, "Гребенчатые полосовые фильтры узкой или средней полосы пропускания", Микроволновый журнал, т. 6. С. 82–91, август 1963 г. ISSN  0026-2897.
  • Matthaei, George L; Янг, Лев; Джонс, E M T, Микроволновые фильтры, сети согласования импеданса и структуры связи Макгроу-Хилл 1964 OCLC  830829462.
  • Мейкл, Хэмиш, Современные радиолокационные системы, Artech House, 2008 г. ISBN  1596932430.
  • Миллиган, Томас А, Современный дизайн антенны, Джон Уайли и сыновья, 2005 г. ISBN  0471720607.
  • Мисра, Девендра К., Радиочастотные и микроволновые схемы связи, John Wiley & Sons, 2004 г. ISBN  0471478733.
  • Натараджан, Дханасекхаран, Практичная конструкция фильтров с сосредоточенными параметрами, полуфабрикатов и микроволновых резонаторов, Springer Science & Business Media, 2012 г. ISBN  364232861X.
  • Нгуен, Кэм, Радиочастотная интегральная схемотехника, John Wiley & Sons, 2015 г. ISBN  0471398209.
  • Одзаки, H; Исии, Дж. «Синтез класса полосовых фильтров», IRE-транзакции по теории цепей, т. 5, вып. 2. С. 104–109, июнь 1958 г.
  • Пенн, Стюарт; Алфорд, Нил, "Керамические диэлектрики для микроволновых приложений", гл. 10 ин, Налва, Хари Сингх (ред), 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 нет. 005 для Центра истории IEEE, 3 марта 1973 г., Engineering and Technology History Wiki, получено 15 апреля 2018 г.
  • Рамадан, Али; Аль-Хусейни, Мохаммед; Кабалан Карим Й; Эль-Хадж Али, "Фрактальные реконфигурируемые антенны", гл. 10 в, Насимуддин, Насимуддин, Микрополосковые антенны, Совет директоров - Книги по запросу, 2011 г. ISBN  9533072474.
  • Ричардс, Павел I, «Резисторно-линейные цепи», Труды IRE, т. 36, вып. 2. С. 217–220, 1948.
  • Richtmeyer, R D, «Диэлектрические резонаторы», Журнал прикладной физики, т. 10, вып. 6. С. 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, L S; Морита, Т, «Коаксиальный магический-Т», Труды профессиональной группы IRE по теории и методам микроволнового излучения, т. 1, вып. 2. С. 17–23, ноябрь 1953 г.
  • Sisodia, M L; Рагхуванши, G S, Основные микроволновые методы и лабораторное руководство, "Нью Эйдж Интернэшнл", 1987 г. ISBN  0852268580.
  • Тейлор, Джон; Хуан, Цютин, Справочник CRC по электрическим фильтрам, CRC Press, 1997 ISBN  0849389518.
  • Тиррелл, Вашингтон, «Гибридные схемы для микроволн», Труды IRE, т. 35, вып. 11. С. 1294–1306, ноябрь 1947 г.
  • Венделин, Джордж Д; Павио, Энтони М; Роде, Ульрих Л., Проектирование микроволновых схем с использованием линейных и нелинейных методов, Джон Уайли и сыновья, 2005 г. ISBN  0471715824.
  • Уитакер, Джерри К., Справочник по электронике, CRC Press, 2000 ISBN  1420036866.
  • Журбенко, Виталий, Пассивные СВЧ компоненты и антенны, Совет директоров - Книги по запросу, 2010 г. ISBN  9533070838.