Port (teoria obwodów) - Port (circuit theory)
W elektrycznej teorii obwodów , A portu jest para końcówek łączących jest siecią elektryczną lub obwodu z obwodem zewnętrznym, a punkt wejścia lub wyjścia dla energii elektrycznej . Port składa się z dwóch węzłów (zacisków) podłączonych do obwodu zewnętrznego spełniającego warunek portu - prądy dopływające do obu węzłów muszą być równe i przeciwne.
Wykorzystanie portów pozwala zredukować złożoność analizy obwodów . Wiele popularnych urządzeń elektronicznych i bloków obwodów, takich jak tranzystory , transformatory , filtry elektroniczne i wzmacniacze , jest analizowanych pod kątem portów. W analizie sieci wieloportowej obwód jest traktowany jako „ czarna skrzynka ” połączona ze światem zewnętrznym poprzez swoje porty. Porty to punkty, w których podawane są sygnały wejściowe lub odbierane są sygnały wyjściowe. Jego zachowanie jest całkowicie określone przez macierz parametrów odnoszących się do napięcia i prądu w jego portach, więc wewnętrzna budowa lub konstrukcja obwodu nie muszą być brane pod uwagę, a nawet znane, przy określaniu odpowiedzi obwodu na przyłożone sygnały.
Koncepcję portów można rozszerzyć na falowody , ale definicja pod względem prądu nie jest odpowiednia i należy wziąć pod uwagę możliwe istnienie wielu modów falowodowych .
Stan portu
Każdy węzeł obwodu, który jest dostępny do połączenia z obwodem zewnętrznym, nazywany jest biegunem (lub terminalem, jeśli jest to obiekt fizyczny). Warunkiem portu jest to, że para biegunów obwodu jest uważana za port wtedy i tylko wtedy, gdy prąd płynący do jednego bieguna z zewnątrz obwodu jest równy prądowi płynącemu z drugiego bieguna do obwodu zewnętrznego. Równoważnie suma algebraiczna prądów płynących do dwóch biegunów z obwodu zewnętrznego musi wynosić zero.
Nie można określić, czy para węzłów spełnia warunek portu, analizując wewnętrzne właściwości samego obwodu. Stan portu jest całkowicie zależny od zewnętrznych połączeń obwodu. To, czym są porty w jednym zestawie okoliczności zewnętrznych, może nie być portami w innym. Rozważmy na przykład obwód czterech rezystorów na rysunku. Jeśli generatory są podłączone do par biegunów (1, 2) i (3, 4) to te dwie pary są portami, a obwód jest tłumikiem skrzynkowym . Z drugiej strony, jeśli generatory są podłączone do par biegunów (1, 4) i (2, 3) to te pary są portami, pary (1, 2) i (3, 4) nie są już portami, a obwód to obwód mostkowy .
Możliwe jest nawet takie ustawienie wejść, aby żadna para biegunów nie spełniała warunku portu. Można jednak poradzić sobie z takim obwodem, dzieląc jeden lub więcej biegunów na kilka oddzielnych biegunów połączonych w tym samym węźle. Jeśli tylko jeden zewnętrzny zacisk generatora jest podłączony do każdego bieguna (czy to biegun dzielony, czy w inny sposób), wówczas obwód można ponownie przeanalizować pod kątem portów. Najczęstszym układem tego typu jest wyznaczenie jednego bieguna obwodu n -biegunowego jako wspólnego i podzielenie go na n -1 biegunów. Ta ostatnia forma jest szczególnie przydatna w przypadku topologii obwodów niesymetrycznych, a powstały obwód ma n -1 portów.
W najogólniejszym przypadku możliwe jest podłączenie generatora do każdej pary biegunów, czyli n generatorów C 2 , wtedy każdy biegun musi być podzielony na n -1 biegunów. Na przykład na rysunku przykład (c), jeśli każdy z biegunów 2 i 4 jest podzielony na dwa bieguny, obwód można opisać jako 3-portowy. Możliwe jest jednak również podłączenie generatorów do par biegunów (1, 3) , (1, 4) i (3, 2) dając w sumie 4 C 2 = 6 generatorów, a obwód należy traktować jako 6- Port.
Jeden port
Każdy obwód dwubiegunowy gwarantuje spełnienie warunku portu na mocy obecnego prawa Kirchhoffa, a zatem są one bezwarunkowo jednoportowe. Wszystkie podstawowe elementy elektryczne ( indukcyjności , rezystancji , pojemności , źródło napięcia , źródła prądu ) są z jednego wejścia, ponieważ jest ogólnie impedancji .
Badanie pojedynczych portów jest ważną częścią fundamentu syntezy sieci , zwłaszcza w projektowaniu filtrów . Dwuelementowe jednoporty (czyli obwody RC , RL i LC ) są łatwiejsze do zsyntetyzowania niż przypadek ogólny. W przypadku dwuelementowej jednoportowej formy kanonicznej Fostera lub formy kanonicznej Cauera . W szczególności badane są obwody LC, ponieważ są one bezstratne i są powszechnie stosowane w projektowaniu filtrów .
Dwa porty
Liniowe sieci dwuportowe były szeroko badane i opracowano wiele sposobów ich reprezentacji. Jedną z tych reprezentacji są parametry z, które można opisać w postaci macierzy przez;
gdzie V n i I n to odpowiednio napięcia i prądy w porcie n . Większość pozostałych opisów dwuportów można również opisać podobną macierzą, ale z innym układem wektorów kolumn napięcia i prądu .
Wspólne bloki obwodów, które są dwuportowe, obejmują wzmacniacze , tłumiki i filtry .
Multiporty
Ogólnie rzecz biorąc, obwód może składać się z dowolnej liczby portów — multiport. Niektóre, ale nie wszystkie, dwuportowe reprezentacje parametrów można rozszerzyć na dowolne wieloporty. Spośród macierzy opartych na napięciu i prądzie, te, które można rozszerzyć, to parametry z i parametry y . Żaden z nich nie nadaje się do stosowania przy częstotliwościach mikrofalowych, ponieważ napięcia i prądy nie są wygodne do pomiaru w formatach wykorzystujących przewodniki i nie mają żadnego znaczenia w formatach falowodowych . Zamiast tego na tych częstotliwościach używane są parametry s , które również można rozszerzyć na dowolną liczbę portów.
Bloki obwodów , które mają więcej niż dwa porty , obejmują sprzęgacze kierunkowe , rozdzielacze mocy , cyrkulatory , dipleksery , dupleksery , multipleksery , hybrydy i filtry kierunkowe .
RF i mikrofala
Topologie obwodów RF i mikrofalowych są zwykle niesymetrycznymi topologiami obwodów, takimi jak współosiowe lub mikropaskowe . W tych formatach jeden biegun każdego portu w obwodzie jest podłączony do wspólnego węzła, takiego jak płaszczyzna uziemienia . W analizie obwodu zakłada się, że wszystkie te wspólne bieguny mają ten sam potencjał, a prąd jest dostarczany do płaszczyzny uziemienia, która jest równa i przeciwna do tego, który płynie do drugiego bieguna dowolnego portu. W tej topologii port jest traktowany jako pojedynczy biegun. Wyobraża się, że odpowiedni drążek równoważący jest wbudowany w płaszczyznę uziemienia.
Jednobiegunowa reprezentacja portu zacznie zawodzić, jeśli wystąpią znaczne prądy pętli uziemienia. W modelu założono, że płaszczyzna uziemienia doskonale przewodzi i nie ma różnicy potencjałów między dwoma lokalizacjami na płaszczyźnie uziemienia. W rzeczywistości płaszczyzna uziemienia nie jest doskonale przewodząca, a prądy w niej występujące w pętli spowodują różnice potencjałów. Jeśli istnieje różnica potencjałów między wspólnymi biegunami dwóch portów, stan portu jest zepsuty i model jest nieważny.
Falowód
Idea portów może być (i jest) rozszerzona na urządzenia falowodowe , ale portu nie można już definiować w kategoriach biegunów obwodu, ponieważ w falowodach fale elektromagnetyczne nie są prowadzone przez przewodniki elektryczne. Zamiast tego są prowadzone przez ścianki falowodu. W związku z tym koncepcja bieguna przewodu obwodu nie istnieje w tym formacie. Porty w falowodach składają się z szczeliny lub przerwy w falowodzie, przez którą mogą przechodzić fale elektromagnetyczne. Ograniczona płaszczyzna, przez którą przechodzi fala, jest definicją portu.
Falowody mają dodatkową komplikację w analizie portów, ponieważ możliwe jest (a czasami pożądane) istnienie więcej niż jednego trybu falowodu w tym samym czasie. W takich przypadkach dla każdego portu fizycznego do modelu analitycznego należy dodać osobny port dla każdego z trybów obecnych w tym porcie fizycznym.
Inne dziedziny energii
Koncepcję portów można rozszerzyć na inne dziedziny energii. Uogólniona definicja portu to miejsce, w którym energia może przepływać z jednego elementu lub podsystemu do innego elementu lub podsystemu. To uogólnione spojrzenie na koncepcję portu pomaga wyjaśnić, dlaczego stan portu jest tak zdefiniowany w analizie elektrycznej. Jeżeli suma algebraiczna prądów nie jest równa zeru, jak na przykładowym wykresie (c), to energia dostarczona z zewnętrznego generatora nie jest równa energii wchodzącej do pary biegunów obwodu. Transfer energii w tym miejscu jest zatem bardziej złożony niż prosty przepływ z jednego podsystemu do drugiego i nie spełnia uogólnionej definicji portu.
Koncepcja portu jest szczególnie przydatna, gdy wiele domen energii jest zaangażowanych w ten sam system i wymagana jest ujednolicona, spójna analiza, na przykład w przypadku analogii mechaniczno-elektrycznych lub analizy wykresu wiązań . Połączenie pomiędzy domenami energetycznymi odbywa się za pomocą przetworników . Przetwornik może być jednoportowy z punktu widzenia domeny elektrycznej, ale przy bardziej uogólnionej definicji portu jest to dwuportowy. Na przykład siłownik mechaniczny ma jeden port w domenie elektrycznej i jeden port w domenie mechanicznej. Przetworniki można analizować jako sieci dwuportowe w taki sam sposób, jak dwuportowe elektryczne. Oznacza to, że za pomocą pary liniowych równań algebraicznych lub macierzy transmitancji 2×2 . Jednak zmienne na dwóch portach będą różne, a parametry dwóch portów będą mieszanką dwóch domen energii. Na przykład w przykładzie siłownika parametry z będą obejmować jedną impedancję elektryczną, jedną impedancję mechaniczną i dwie transimpedancje, które są stosunkami jednej zmiennej elektrycznej i jednej zmiennej mechanicznej.
Bibliografia
Bibliografia
- Won Y. Yang, Seung C. Lee, Circuit Systems z MATLAB i PSpice , John Wiley & Sons, 2008 ISBN 0470822406 .
- Frank Gustrau, Inżynieria RF i mikrofalowa: Podstawy komunikacji bezprzewodowej , John Wiley & Sons, 2012 ISBN 111834958X .
- Peter Russer, Elektromagnetyka, projektowanie obwodów mikrofalowych i anten dla inżynierii komunikacyjnej , Artech House, 2003 ISBN 1580535321 .
- Herbert J. Carlin, Pier Paolo Civalleri, Projektowanie obwodów szerokopasmowych , CRC Press, 1997 ISBN 0849378974 .
- Dean Karnopp, Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, Dynamika systemu , Wiley, 2000 ISBN 0471333018 .
- Wolfgang Borutzky, Metodologia wykresów Bonda , Springer 2009 ISBN 1848828829 .
- Leo Leroy Beranek, Tim Mellow, Akustyka: pola dźwiękowe i przetworniki , Academic Press, 2012 ISBN 0123914213 .
