Obvod s distribuovanými prvky - Distributed-element circuit

Low-noise block převodník s distribuovanými prvky. Obvody vpravo jsou soustředěné prvky . Obvody s distribuovanými prvky jsou uprostřed a vlevo od středu a jsou konstruovány v mikropásku .

Distribuované obvody jsou elektrické obvody složené z délek přenosových vedení nebo jiných distribuovaných komponent. Tyto obvody plní stejné funkce jako běžné obvody složené z pasivních součástek, jako jsou kondenzátory , tlumivky a transformátory . Používají se většinou na mikrovlnných frekvencích, kde je obtížné (nebo nemožné) implementovat konvenční součásti.

Konvenční obvody se skládají z jednotlivých komponentů vyráběných samostatně, které jsou pak spojeny vodivým médiem. Obvody s distribuovanými prvky jsou vytvářeny formováním samotného média do konkrétních vzorů. Hlavní výhodou obvodů s distribuovanými prvky je, že je lze levně vyrobit jako desku plošných spojů pro spotřební zboží, jako je satelitní televize . Jsou také vyráběny v koaxiálních a vlnovodových formátech pro aplikace, jako je radar , satelitní komunikace a mikrovlnné spoje .

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

Obvody s distribuovanými prvky byly studovány během dvacátých a třicátých let, ale staly se důležitými až po druhé světové válce , kdy byly použity v radaru . Po válce bylo jejich použití omezeno na vojenskou, vesmírnou a vysílací infrastrukturu, ale zlepšení vědy o materiálech v této oblasti brzy vedla k širším aplikacím. Nyní je lze najít v domácích výrobcích, jako jsou satelitní antény a mobilní telefony.

Dolní propust jako konvenční diskrétních zařízení připojených na desce plošných spojů (vlevo), a jako design distribuované prvek, natištěný na desce samotné (vpravo)

Modelování obvodů

Distribuované-prvek obvody jsou navrženy s ohledem na modelu distribuované prvek , alternativou k modelu koncentrovaný-prvek , ve kterém pasivní elektrické prvky z elektrického odporu , kapacity a indukčnosti se předpokládá, že se „koncentrovaný“ na jednom místě v prostoru, v odporu , kondenzátor nebo induktor . Model s distribuovanými prvky se používá, když tento předpoklad již neplatí, a tyto vlastnosti se považují za distribuované v prostoru. Předpoklad se rozpadá, když je značný čas na to, aby elektromagnetické vlny mohly cestovat z jedné svorky součásti na druhou; „významné“ v této souvislosti znamená dostatek času na znatelnou fázovou změnu. Míra fázové změny závisí na frekvenci vlny (a nepřímo závisí na vlnové délce ). Běžným pravidlem mezi inženýry je změna ze soustředěného na distribuovaný model, pokud jsou zahrnuté vzdálenosti větší než jedna desetina vlnové délky (změna fáze 36 °). Soustředěný model zcela selže při vlnové délce jedné čtvrtiny (fázová změna 90 °), přičemž nejen hodnota, ale povaha součásti není taková, jak byla předpovězena. Kvůli této závislosti na vlnové délce se model distribuovaných prvků používá většinou na vyšších frekvencích; při nízkých frekvencích jsou komponenty s distribuovanými prvky příliš objemné. Distribuované návrhy jsou proveditelné nad 300 MHz a jsou technologií volby při mikrovlnných frekvencích nad 1 GHz .

Frekvence, s jakou by tyto modely měly být používány, není jasně vymezena. Přestože přechod je obvykle někde v rozsahu 100 až 500 MHz , významný je také technologický rozsah; miniaturizované obvody mohou používat soustředěný model na vyšší frekvenci. Desky plošných spojů (PCB) využívající technologii průchozích otvorů jsou větší než ekvivalentní konstrukce využívající technologii povrchové montáže . Hybridní integrované obvody jsou menší než technologie desek plošných spojů a monolitické integrované obvody jsou menší než oba. Integrované obvody mohou používat soustředěné konstrukce na vyšších frekvencích než tištěné obvody, a to se děje v některých vysokofrekvenčních integrovaných obvodech. Tato volba je zvláště významná pro ruční zařízení, protože konstrukce se soustředěnými prvky obecně vedou k menšímu produktu.

Konstrukce s přenosovým vedením

Frekvenční odezva Čebyševova filtru pátého řádu konstruovaného z koncentrovaných (nahoře) a distribuovaných komponent (dole)

Drtivá většina obvodů s distribuovanými prvky se skládá z délek přenosového vedení , což je obzvláště jednoduchá forma pro modelování. Průřezové rozměry čáry se nemění podél její délky a jsou malé ve srovnání s vlnovou délkou signálu; je tedy třeba vzít v úvahu pouze rozdělení po délce vedení. Takový prvek distribuovaného obvodu je zcela charakterizován svou délkou a charakteristickou impedancí . K dalšímu zjednodušení dochází v obdobných liniových obvodech , kde jsou všechny prvky stejné délky. U srovnatelných obvodů lze prototyp soustředěného obvodu sestávající z kondenzátorů a tlumivek přímo převést na distribuovaný obvod s korespondencí jedna k jedné mezi prvky každého obvodu.

Odpovídající linkové obvody jsou důležité, protože existuje teorie návrhu pro jejich výrobu; neexistuje žádná obecná teorie pro obvody skládající se z libovolných délek přenosového vedení (nebo libovolných tvarů). Ačkoli lze libovolný tvar analyzovat pomocí Maxwellových rovnic a určit jeho chování, nalezení užitečných struktur je otázkou pokusů a omylů nebo dohadů.

Důležitým rozdílem mezi obvody s distribuovanými prvky a obvody se soustředěnými prvky je to, že frekvenční odezva distribuovaného obvodu se periodicky opakuje, jak je ukázáno v příkladu Čebyševova filtru ; ekvivalentní soustředěný obvod není. To je výsledek přenosu z soustředěnými formy jsou v racionální funkce z komplexní frekvence ; distribuované formy jsou iracionální funkcí. Dalším rozdílem je, že kaskádově spojené délky vedení zavádějí pevné zpoždění na všech frekvencích (za předpokladu ideální linky ). V soustředěných obvodech neexistuje ekvivalent pro pevné zpoždění, i když pro omezený frekvenční rozsah by mohla být vytvořena aproximace.

Výhody a nevýhody

Distribuované obvody jsou v některých formátech levné a snadno se vyrábějí, ale zabírají více místa než obvody se soustředěnými prvky. To je problematické u mobilních zařízení (zejména ručních), kde je místo za špičkovou cenu. Pokud provozní frekvence nejsou příliš vysoké, může návrhář spíše miniaturizovat komponenty než přepínat na distribuované prvky. Nicméně, parazitní prvky a odporové ztráty v koncentrovaný komponenty jsou větší stále častěji v poměru jmenovité hodnoty koncentrovaný prvku impedance. V některých případech si návrháři mohou vybrat design s distribuovanými prvky (i když jsou v dané frekvenci k dispozici soustředěné komponenty), aby mohli těžit ze zlepšené kvality . Distribuované prvky mají tendenci mít větší schopnost manipulace s výkonem; s koncentrovanou složkou je veškerá energie procházející obvodem koncentrována v malém objemu.

Média

Spárované vodiče

Existuje několik typů přenosových vedení a jakýkoli z nich lze použít ke konstrukci obvodů s distribuovanými prvky. Nejstarší (a stále nejpoužívanější) je dvojice vodičů; jeho nejběžnější formou je kroucená dvoulinka používaná pro telefonní linky a připojení k internetu. Pro obvody s distribuovanými prvky se často nepoužívá, protože použité frekvence jsou nižší než bod, kde se stávají výhodnými návrhy distribuovaných prvků. Návrháři však často začínají s designem soustředěných prvků a převádějí jej na design s otevřeným drátem s distribuovanými prvky. Otevřený vodič je dvojice paralelních neizolovaných vodičů používaných například pro telefonní linky na telegrafních sloupech . Návrhář obvykle nemá v úmyslu implementovat obvod v této podobě; jedná se o mezikrok v procesu návrhu. Designy s distribuovanými prvky s dvojicemi vodičů jsou omezeny na několik specializovaných použití, jako jsou linky Lecher a dvojité vedení používané pro napájecí vedení antény .

Koaxiální

Kolekce koaxiálních směrových vazebních členů . Jeden má odstraněný kryt, který ukazuje jeho vnitřní strukturu.

Koaxiální vedení , střední vodič obklopený izolovaným stínícím vodičem, je široce používáno pro propojení jednotek mikrovlnného zařízení a pro přenosy na větší vzdálenosti. Přestože se koaxiální zařízení s distribuovanými prvky běžně vyráběla během druhé poloviny 20. století, byla kvůli mnoha nákladům a velikosti nahrazena v mnoha aplikacích planárními formami. Vzduch- dielektrické koaxiální vedení se používá pro aplikace s nízkými ztrátami a vysokým výkonem. Obvody s distribuovanými prvky v jiných médiích stále běžně přecházejí na koaxiální konektory v portech obvodu pro účely propojení.

Rovinný

Většina moderních obvodů s distribuovanými prvky používá planární přenosová vedení, zejména v hromadně vyráběných spotřebních předmětech. Existuje několik forem rovinných čar, ale nejběžnější je druh známý jako mikropáskový . Může být vyroben stejným způsobem jako desky s plošnými spoji, a proto je levný. Rovněž se hodí k integraci se soustředěnými obvody na stejné desce. Jiné formy tištěných planárních linií zahrnují páskové , finline a mnoho variací. Rovinné linky lze také použít v monolitických mikrovlnných integrovaných obvodech , kde jsou nedílnou součástí čipu zařízení.

Vlnovod

Vlnovodu filtr

Mnoho návrhů distribuovaných prvků lze přímo implementovat do vlnovodu. U vlnovodů však existuje další komplikace v tom, že je možných více režimů . Někdy existují současně a tato situace nemá analogii s vedením vedení. Vlnovody mají výhody nižší ztráty a vyšší kvality rezonátorů oproti vodivým linkám, ale jejich relativní náklady a objem znamenají, že je často preferován mikropáskový. Vlnovod většinou nachází uplatnění ve špičkových produktech, jako jsou vysoce výkonné vojenské radary a horní mikrovlnná pásma (kde jsou planární formáty příliš ztrátové). Vlnovod se stává objemnější s nižší frekvencí, což brání jeho použití v nižších pásmech.

Mechanické

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

Součásti obvodu

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

Pahýl

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

Motýlí pahýlový filtr

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

Spojené linky

Vázaná vedení jsou dvě přenosová vedení, mezi kterými je nějaká elektromagnetická vazba . Spojka může být přímá nebo nepřímá. V nepřímé vazbě jsou obě čáry vedeny těsně vedle sebe na vzdálenost, aniž by mezi nimi došlo ke stínění. Síla spojky závisí na vzdálenosti mezi čarami a průřezem představeným druhé linii. V přímé vazbě odbočky přímo spojují dvě hlavní vedení v určitých intervalech.

Spojená vedení jsou běžnou metodou konstrukce rozdělovačů výkonu a směrových vazebních členů . Další vlastností spojených linek je, že fungují jako dvojice spojených rezonátorů . Tato vlastnost se používá v mnoha filtrech distribuovaných prvků.

Kaskádové čáry

Převodník ORTHOMODE (různé duplexní ) stupňovitým impedanční přizpůsobení

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

Dutinový rezonátor

Dutiny rezonátoru je prázdný (nebo někdy dielektrikem injekční) prostor obklopený provedením stěny. Otvory ve stěnách spojují rezonátor se zbytkem obvodu. Rezonance nastává v důsledku elektromagnetických vln odražených tam a zpět od stěn dutiny, které vytvářejí stojaté vlny . Dutinové rezonátory lze použít v mnoha médiích, ale nejpřirozeněji se tvoří ve vlnovodu z již existujících kovových stěn vodítka.

Dielektrický rezonátor

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

Spirálový rezonátor

Spirálovitý rezonátor je spirála drátu v dutině; jeden konec je nespojený a druhý je spojen se stěnou dutiny. Ačkoli jsou povrchově podobné soustředěným induktorům, spirálové rezonátory jsou komponenty s distribuovanými prvky a používají se v pásmech VHF a nižších UHF .

Fraktály

Tří iterační Hilbertův fraktální rezonátor v mikropásku

Použití fraktálových křivek jako součásti obvodu je objevujícím se polem v obvodech s distribuovanými prvky. Fraktály byly použity k výrobě rezonátorů pro filtry a antény. Jednou z výhod používání fraktálů je jejich vlastnost vyplňování prostoru, díky čemuž jsou menší než jiné designy. Mezi další výhody patří schopnost vytvářet širokopásmové a vícepásmové návrhy, dobrý výkon v pásmu a dobré mimopásmové odmítnutí. V praxi nelze udělat skutečný fraktál, protože při každé iteraci fraktálu se výrobní tolerance zpřísní a jsou nakonec větší, než může konstrukční metoda dosáhnout. Po malém počtu iterací je však výkon blízký výkonu skutečného fraktálu. Tito mohou být nazýváni pre-fraktály nebo fraktály konečného řádu, kde je nutné odlišit od skutečného fraktálu.

Fraktály, které byly použity jako součást obvodu, zahrnují sněhovou vločku Koch , ostrov Minkowski , Sierpińského křivku , Hilbertovu křivku a Peanovu křivku . První tři jsou uzavřené křivky, vhodné pro patch antény. Poslední dvě jsou otevřené křivky s koncovkami na opačných stranách fraktálu. Díky tomu jsou vhodné pro použití tam, kde je vyžadováno kaskádové připojení .

Kužel

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

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

Distribuovaný odpor

Odporové prvky nejsou obecně v obvodu s distribuovanými prvky užitečné. Distribuované odpory však mohou být použity v atenuátorech a zakončeních vedení . V rovinných médiích mohou být implementovány jako meandrující řada vysoce odolného materiálu nebo jako uložená náplast z tenkého filmu nebo silného filmu . Ve vlnovodu může být do vlnovodu vložena karta materiálu absorbujícího mikrovlnné záření.

Bloky obvodů

Filtry a přizpůsobení impedance

Microstrip pásmové vlásenky filtr (vlevo), po kterém následuje dolní propusti pahýl filtr

Filtry představují velké procento obvodů konstruovaných s distribuovanými prvky. K jejich konstrukci se používá široká škála struktur, včetně pahýlů, spojených linií a kaskádových linií. Varianty zahrnují interdigitální filtry, kombinované filtry a vlásenky. Novější vývoj zahrnuje fraktální filtry. Mnoho filtrů je konstruováno ve spojení s dielektrickými rezonátory .

Stejně jako u filtrů se soustředěnými prvky platí, že čím více použitých prvků, tím blíže filtr dosáhne ideální odezvy ; struktura se může stát docela složitou. Pro jednoduché úzkopásmové požadavky může stačit jeden rezonátor (například pahýl nebo spurline filtr ).

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

Rozdělovače výkonu, slučovače a směrové vazební členy

Microstrip sawtooth directional coupler, varianta spojeného vedení směrového vazebního členu

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

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

Designy s distribuovanými prvky se spoléhají na délku prvku jedné čtvrtiny vlnové délky (nebo jiné délky); to bude platit pouze na jedné frekvenci. Jednoduché návrhy proto mají omezenou šířku pásma, nad kterou budou úspěšně fungovat. Stejně jako sítě pro impedanční přizpůsobení vyžaduje širokopásmový design více sekcí a design začíná připomínat filtr.

Hybridy

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

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

Dalším použitím hybridního vazebního členu je produkce součtu a rozdílu dvou signálů. Na obrázku jsou dva vstupní signály přiváděny do portů označených 1 a 2. Součet těchto dvou signálů se objeví na portu označeném Σ a rozdíl na portu označeném Δ. Kromě jejich použití jako vazebních členů a rozdělovačů výkonu mohou být směrové vazební členy použity ve vyvážených směšovačích , frekvenčních diskriminátorech , útlumových prvcích , fázových posuvech a napájecích sítích anténního pole .

Oběhová čerpadla

Koaxiální feritové oběhové čerpadlo pracující na 1 GHz

Cirkulační čerpadlo je obvykle tří- nebo čtyřportové zařízení, ve kterém se síla vstupující do jednoho portu přenáší do dalšího portu v rotaci, jako by byla kolem kruhu. Síla může proudit pouze jedním směrem kolem kruhu (ve směru nebo proti směru hodinových ručiček) a žádná energie se nepřenáší na žádný z ostatních portů. Většina oběhových čerpadel s distribuovanými prvky je založena na feritových materiálech. Použití oběhových čerpadel zahrnuje použití jako izolátoru k ochraně vysílače (nebo jiného zařízení) před poškozením v důsledku odrazů od antény a jako duplexní jednotka spojující anténu, vysílač a přijímač rádiového systému.

Neobvyklý aplikace oběhového čerpadla je v odrazu zesilovači , kde se negativní rezistence na Gunn diody se používá tak, aby odrážely zpět více energie, než je obdržela. Cirkulační čerpadlo se používá k směrování vstupního a výstupního toku energie do samostatných portů.

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

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

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

Aktivní komponenty

Mikropáskový obvod s diskrétními tranzistory v miniaturních pouzdrech pro povrchovou montáž , kondenzátory a rezistory ve formě čipů a předpínací filtry jako distribuované prvky

Distribuované prvky jsou obvykle pasivní, ale většina aplikací bude v určité roli vyžadovat aktivní komponenty. Mikrovlnný hybridní integrovaný obvod používá distribuované prvky pro mnoho pasivních komponent, ale aktivní komponenty (jako diody , tranzistory a některé pasivní komponenty) jsou diskrétní. Aktivní složky mohou být zabaleny nebo mohou být umístěny na substrát ve formě čipu bez individuálního balení, aby se zmenšila velikost a vyloučily parazity způsobené balením .

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

Dějiny

Oliver Heaviside

Modelování distribuovaných prvků bylo poprvé použito při analýze elektrických sítí Oliverem Heavisidem v roce 1881. Heaviside jej použil k nalezení správného popisu chování signálů na transatlantickém telegrafním kabelu . Přenos raného transatlantického telegrafu byl obtížný a pomalý kvůli rozptylu , což byl v té době dobře nepochopený efekt. Heavisideova analýza, nyní známá jako telegrafické rovnice , identifikovala problém a navrhla metody jeho překonání . Zůstává standardní analýzou přenosových linek.

Warren P. Mason jako první zkoumal možnost obvodů s distribuovanými prvky a v roce 1927 podal patent na koaxiální filtr navržený touto metodou. Mason a Sykes publikovali definitivní dokument o této metodě v roce 1937. Mason byl také první, kdo ve své disertační práci z roku 1927 navrhl akustický filtr s distribuovanými prvky a mechanický filtr s distribuovanými prvky v patentu podaném v roce 1941. Masonova práce se týkala s koaxiálním tvarem a jinými vodivými dráty, ačkoli většina z nich by mohla být také upravena pro vlnovod. Akustická práce byla na prvním místě a Masonovi kolegové z rádiového oddělení Bell Labs ho požádali o pomoc s koaxiálními a vlnovodovými filtry.

Před druhou světovou válkou byla po obvodech s distribuovanými prvky malá poptávka; frekvence používané pro rádiové přenosy byly nižší než bod, ve kterém se distribuované prvky staly výhodnými. Nižší frekvence měly větší rozsah, což je primární hledisko pro účely vysílání . Tyto frekvence vyžadují pro efektivní provoz dlouhé antény, což vedlo k práci na vysokofrekvenčních systémech. Klíčovým průlomem bylo zavedení dutinového magnetronu z roku 1940, který pracoval v mikrovlnném pásmu a jehož výsledkem bylo radarové vybavení dostatečně malé na instalaci do letadel. Následoval nárůst vývoje filtrů s distribuovanými prvky, přičemž filtry byly podstatnou součástí radarů. Ztráta signálu v koaxiálních komponentách vedla k prvnímu rozšířenému použití vlnovodu, který rozšířil filtrační technologii z koaxiální domény do domény vlnovodu.

Válečná práce byla z bezpečnostních důvodů většinou nepublikována až po válce, což ztěžovalo zjištění, kdo je za každý vývoj zodpovědný. Důležitým centrem pro tento výzkum byla radiační laboratoř MIT (Rad Lab), ale práce se prováděla i jinde v USA a Británii. Práce Rad Lab publikovali Fano a Lawson. Dalším válečným vývojem byl hybridní prsten. Tato práce byla provedena v laboratořích Bell Labs a po válce ji zveřejnil WA Tyrrell. Tyrrell popisuje hybridní prstence implementované ve vlnovodu a analyzuje je z hlediska známého magického trika vlnovodu . Další vědci brzy zveřejnili koaxiální verze tohoto zařízení.

George Matthaei vedl výzkumnou skupinu ve Stanford Research Institute, která zahrnovala Leo Younga a byl zodpovědný za mnoho návrhů filtrů. Matthaei nejprve popsal interdigitální filtr a kombinovaný filtr. Práce skupiny byla publikována v mezníkové knize z roku 1964, která se zabývala stavem designu obvodů s distribuovanými prvky v té době, která po mnoho let zůstala významným referenčním dílem.

Planární formáty se začaly používat s vynálezem páskového vedení od Roberta M. Barretta . Ačkoli pásková linka byla dalším válečným vynálezem, její podrobnosti byly zveřejněny až v roce 1951. Mikropáska , vynalezená v roce 1952, se stala komerčním soupeřem páskové linky; avšak v mikrovlnných aplikacích se planární formáty nezačaly široce používat, dokud nebyly v 60. letech pro substráty k dispozici lepší dielektrické materiály. Další strukturou, která musela čekat na lepší materiály, byl dielektrický rezonátor. Na jeho výhody (kompaktní rozměry a vysoká kvalita) poprvé upozornil RD Richtmeyer v roce 1939, ale materiály s dobrou teplotní stabilitou byly vyvinuty až v 70. letech. Filtry dielektrického rezonátoru jsou nyní běžné ve filtrech vlnovodů a přenosových vedení.

Důležité teoretické vývoje zahrnuty Paula I. Richardse ' přiměřený teorii linie , která byla zveřejněna v roce 1948, a Kuroda se identity , sadu transformací , která překonala několik praktických omezení Richards teorie, publikoval Kuroda v roce 1955. Podle Nathan Cohen, na log- periodická anténa , kterou vynalezli Raymond DuHamel a Dwight Isbell v roce 1957, by měla být považována za první fraktální anténu. V té době však chyběla jeho podobnost, a tím i její vztah k fraktálům. Stále to není obvykle klasifikováno jako fraktální anténa. Cohen byl první, kdo explicitně identifikoval třídu fraktálových antén poté, co se nechal inspirovat přednáškou Benoita Mandelbrota v roce 1987, ale nemohl dostat článek publikovaný do roku 1995.

Reference

Bibliografie

• Ahn, Hee-Ran, asymetrické pasivní součásti v mikrovlnných integrovaných obvodech , John Wiley & Sons, 2006 ISBN  0470036958 .
• Albánec, VJ; Peyser, WP, „Analýza širokopásmového koaxiálního hybridního kruhu“ , IRE Transaction on Microwave Theory and Techniques , sv. 6, iss. 4, s. 369–373, říjen 1958.
• Awang, Zaiki, Design mikrovlnných systémů , Springer Science & Business Media, 2013 ISBN  981445124X .
• Bahl, Inder J, Základy RF a mikrovlnných tranzistorových zesilovačů , John Wiley & Sons, 2009 ISBN  0470462310 .
• Bahl, Inder J, Control Components using Si, GaAs a GaN Technologies , Artech House, 2014 ISBN  1608077128 .
• Bakshi, UA; Bakshi, AV, Antenna And Wave Propagation , Technical Publications, 2009 ISBN  8184317220 .
• Banerjee, Amal, Automated Electronic Filter Design , Springer, 2016 ISBN  3319434705 .
• Barrett, RM, „Leptané plechy slouží jako mikrovlnné komponenty“, Electronics , sv. 25, str. 114–118, červen 1952.
• Barrett, RM; Barnes, MH, „Mikrovlnné tištěné obvody“, Radio TV News , roč. 46, 16. září 1951.
• Bhat, Bharathi; Koul, Shiban K, páskové přenosové linky pro mikrovlnné integrované obvody , New Age International, 1989, ISBN  8122400523 .
• Borden, Brett, Radar Imaging of Airborne Targets , CRC Press, 1999 ISBN  1420069004 .
• Brittain, James E, „Představení zaváděcí cívky: George A. Campbell a Michael I. Pupin“ , Technology and Culture , sv. 11, č. 1, s. 36–57, leden 1970.
• Chang, Kai; Hsieh, Lung-Hwa, Mikrovlnné prstencové obvody a související struktury , John Wiley & Sons, 2004 ISBN  047144474X .
• Chen, LF; Ong, CK; Neo, CP; Varadan, VV; Varadan, Vijay K, Mikrovlnná elektronika: Měření a charakterizace materiálů , John Wiley & Sons, 2004 ISBN  0470020458 .
• Cohen, Nathan, „Fraktální anténa a fraktální rezonátorový primer“, kap. 8 in, Frame, Michael, Benoit Mandelbrot: A Life In Many Dimensions , World Scientific, 2015 ISBN  9814366064 .
• Craig, Edwin C, Electronics via Waveform Analysis , Springer, 2012 ISBN  1461243386 .
• Doumanis, Efstratios; Goussetis, George; Kosmopoulos, Savvas, Design filtru pro satelitní komunikaci: Helical Resonator Technology , Artech House, 2015 ISBN  160807756X .
• DuHamell, R; Isbell, D, „Broadband logaritmicky periodické anténní struktury“ , 1958 IRE International Convention Record , New York, 1957, str. 119–128.
• Edwards, Terry C; Steer, Michael B, Foundations of Microstrip Circuit Design , John Wiley & Sons, 2016 ISBN  1118936191 .
• Fagen, MD; Millman, S, A History of Engineering and Science in the Bell System: Volume 5: Communications Sciences (1925–1980) , AT&T Bell Laboratories, 1984 ISBN  0932764061 .
• Fano, RM; Lawson, AW, „Návrh mikrovlnných filtrů“, kap. 10 in, Ragan, GL (ed), Microwave Transmission Circuits , McGraw-Hill, 1948 OCLC  2205252 .
• Garg, Ramesh; Bahl, Inder; Bozzi, Maurizio, Microstrip Lines and Slotlines , Artech House, 2013 ISBN  1608075354 .
• Ghione, Giovanni; Pirola, Marco, Microwave Electronics , Cambridge University Press, 2017 ISBN  1107170273 .
• Grieg, DD; Englemann, HF, „Microstrip - nová přenosová technika pro rozsah kilomegacycle“ , Proceedings of the IRE , sv. 40, iss. 12, s. 1644–1650, prosinec 1952.
• Gupta, SK, Teorie elektromagnetického pole , Krishna Prakashan Media, 2010 ISBN  8187224754 .
• Harrel, Bobby, The Cable Television Technical Handbook , Artech House, 1985 ISBN  0890061572 .
• Heaviside, Oliver, Electrical Papers , sv. 1, str. 139–140, Copley Publishers, 1925 OCLC  3388033 .
• Heaviside, Oliver, „Elektromagnetická indukce a její šíření“, The Electrician , str. 79–81, 3. června 1887, OCLC  6884353 .
• Helszajn, J, Ridge Waveguides and Passive Microwave Components , IET, 2000 ISBN  0852967942 .
• Henderson, Bert; Camargo, Edmar, Technologie a aplikace mikrovlnných směšovačů , Artech House, 2013 ISBN  1608074897 .
• Hilty, Kurt, „Attenuation measurement“, s. 422–439, Dyer, Stephen A (ed), Wiley Survey of Instrumentation and Measurement , John Wiley & Sons, 2004, ISBN  0471221651 .
• Hong, Jia-Shen G; Lancaster, MJ, Mikropáskové filtry pro RF / mikrovlnné aplikace , John Wiley & Sons, 2004, ISBN  0471464201 .
• Hunter, Ian, Teorie a design mikrovlnných filtrů , IET, 2001 ISBN  0852967772 .
• Hura, Gurdeep S; Singhal, Mukesh, Data and Computer Communications: Networking and Internetworking , CRC Press, 2001 ISBN  1420041312 .
• Ishii, T Koryu, Handbook of Microwave Technology: Components and devices , Academic Press, 1995 ISBN  0123746965 .
• Janković, Nikolina; Zemlyakov, Kiril; Geschke, Riana Helena; Vendik, Irina; Crnojević-Bengin, Vesna, „Vícepásmové mikropáskové filtry na bázi fraktálů“, kap. 6 in, Crnojević-Bengin, Vesna (ed), Advances in Multi-Band Microstrip Filters , Cambridge University Press, 2015 ISBN  1107081971 .
• Johnson, Robert A, Mechanical Filters in Electronics , John Wiley & Sons Australia, 1983, ISBN  0471089192 .
• Johnson, Robert A; Börner, Manfred; Konno, Masashi, „Mechanické filtry - přehled pokroku“ , IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics , sv. 18, iss. 3, s. 155–170, červenec 1971.
• Kumar, Narendra; Grebennikov, Andrej, Distribuované výkonové zesilovače pro vysokofrekvenční a mikrovlnnou komunikaci , Artech House, 2015, ISBN  1608078329 .
• Lacomme, Philippe; Marchais, Jean-Claude; Hardange, Jean-Philippe; Normant, Eric, Air and Spaceborne Radar Systems , William Andrew, 2001 ISBN  0815516134 .
• Lee, Thomas H, Planar Microwave Engineering , Cambridge University Press, 2004 ISBN  0521835267 .
• Levy, R; Cohn, SB, „Historie výzkumu, designu a vývoje mikrovlnných filtrů“ , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , str. 1055–1067, sv. 32, iss. 9, 1984.
• Linkhart, Douglas K, Návrh mikrovlnného oběhového zařízení , Artech House, 2014 ISBN  1608075834 .
• Magnusson, Philip C; Weisshaar, Andreas; Tripathi, Vijai K; Alexander, Gerald C, Transmission Lines and Wave Propagation , CRC Press, 2000 ISBN  0849302692 .
• Makimoto, M; Yamashita, S, Mikrovlnné rezonátory a filtry pro bezdrátovou komunikaci , Springer, 2013 ISBN  3662043254 .
• Maloratsky, Leo G, Pasivní RF a mikrovlnné integrované obvody , Elsevier, 2004 ISBN  0080492053 .
• Maloratsky, Leo G, Integrované mikrovlnné front-endy s Avionics Applications , Artech House, 2012 ISBN  1608072061 .
• Mason, Warren P, „Wave filter“, patent USA 2 345 491 , podaný 25. června 1927, vydaný 11. listopadu 1930.
• Mason, Warren P, „Wave transmission network“, patent USA 2 345 491 , podaný 25. listopadu 1941, vydaný 28. března 1944.
• Mason, Warren P, „Elektromechanický vlnový filtr“, US patent 2 981 905 , podaný 20. srpna 1958, vydaný 25. dubna 1961.
• Mason, WP; Sykes, RA, „Využití koaxiálních a vyvážených přenosových vedení ve filtrech a širokopásmových transformátorech pro vysoké rádiové frekvence“ , Bell System Technical Journal , sv. 16, str. 275–302, 1937.
• Matthaei, GL, „Interdigital band-pass filters“ , IRE Transaction on Microwave Theory and Techniques , sv. 10, iss. 6, s. 479–491, listopad 1962.
• Matthaei, GL, „Hřebenové pásmové filtry úzké nebo střední šířky pásma“, Microwave Journal , sv. 6, s. 82–91, srpen 1963 ISSN  0026-2897 .
• Matthaei, George L; Young, Leo; Jones, EMT, mikrovlnné filtry, sítě přizpůsobené impedanci a vazební struktury McGraw-Hill 1964 OCLC  830829462 .
• Meikle, Hamish, Modern Radar Systems , Artech House, 2008 ISBN  1596932430 .
• Milligan, Thomas A, Modern Antenna Design , John Wiley & Sons, 2005 ISBN  0471720607 .
• Misra, Devendra K, vysokofrekvenční a mikrovlnné komunikační obvody , John Wiley & Sons, 2004 ISBN  0471478733 .
• Natarajan, Dhanasekharan, Praktický návrh koncentrovaných , částečně koncentrovaných a mikrovlnných dutinových filtrů , Springer Science & Business Media, 2012 ISBN  364232861X .
• Nguyen, Cam, Radio-Frequency Integrated-Circuit Engineering , John Wiley & Sons, 2015 ISBN  0471398209 .
• Ozaki, H; Ishii, J, „Syntéza třídy pásových filtrů“ , IRE Transaction on Circuit Theory , sv. 5, iss. 2, s. 104–109, červen 1958.
• Penn, Stuart; Alford, Neil, „Keramická dielektrika pro mikrovlnné aplikace“, kap. 10 in, Nalwa, Hari Singh (ed), Handbook of Low and High Dielectric Constant Materials and their Applications , Academic Press, 1999 ISBN  0080533531 .
• Polkinghorn, Frank A, „Oral-History: Warren P. Mason“ , rozhovor č. 005 pro IEEE History Center, 3. března 1973, Engineering and Technology History Wiki, vyvoláno 15. dubna 2018.
• Ramadan, Ali; Al-Husseini, Mohammed; Kabalan Karim Y; El-Hajj, Ali, „rekonfigurovatelné antény ve tvaru fraktálu“, kap. 10 in, Nasimuddin, Nasimuddin, Microstrip Antennas , BoD - Books on Demand, 2011 ISBN  9533072474 .
• Richards, Paul I, „Obvody rezistor-přenosové vedení“ , Proceedings of the IRE , sv. 36, iss. 2, s. 217–220, 1948.
• Richtmeyer, RD, „Dielektrické rezonátory“ , Journal of Applied Physics , sv. 10, iss. 6, s. 391–397, červen 1939.
• Roer, TG, Microwave Electronic Devices , Springer, 2012 ISBN  1461525004 .
• Sharma, KK, Fundamental of Microwave and Radar Engineering , S. Chand Publishing, 2011 ISBN  8121935377 .
• Sheingold, LS; Morita, T, „A coaxial magic-T“ , Transaction of IRE Professional Group on Microwave Theory and Techniques , sv. 1, iss. 2, s. 17–23, listopad 1953.
• Sisodia, ML; Raghuvanshi, GS, Basic Microwave Techniques and Laboratory Manual , New Age International, 1987 ISBN  0852268580 .
• Taylor, John; Huang, Qiuting, CRC Handbook of Electrical Filters , CRC Press, 1997 ISBN  0849389518 .
• Tyrrell, WA, „Hybridní obvody pro mikrovlnné trouby“ , Proceedings of the IRE , sv. 35, iss. 11, s. 1294–1306, listopad 1947.
• Vendelin, George D; Pavio, Anthony M; Rohde, Ulrich L, Návrh mikrovlnných obvodů pomocí lineárních a nelineárních technik , John Wiley & Sons, 2005 ISBN  0471715824 .
• Whitaker, Jerry C, The Resource Handbook of Electronics , CRC Press, 2000 ISBN  1420036866 .
• Zhurbenko, Vitaliy, Pasivní mikrovlnné komponenty a antény , BoD - Books on Demand, 2010 ISBN  9533070838 .