Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Печатная плата блок-преобразователя спутникового телевидения
Блок преобразователя с низким уровнем шума с распределенными элементами. Схема справа - это сосредоточенные элементы . Схема с распределенными элементами расположена по центру и слева от центра и выполнена в виде микрополосков .

Цепи с распределенными элементами - это электрические цепи, состоящие из отрезков линий передачи или других распределенных компонентов. Эти схемы выполняют те же функции, что и обычные схемы, состоящие из пассивных компонентов, таких как конденсаторы , катушки индуктивности и трансформаторы . Они используются в основном на сверхвысоких частотах, 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. Основное преимущество схем с распределенными элементами состоит в том, что их можно дешево производить в виде печатных плат для потребительских товаров, таких как спутниковое телевидение . Они также изготавливаются в коаксиальном и волноводном форматах для таких приложений, как радары , спутниковая связь и микроволновые каналы .

Явление, обычно используемое в схемах с распределенными элементами, заключается в том, что часть линии передачи может работать как резонатор . Компоненты с распределенными элементами, которые делают это, включают заглушки , связанные линии и каскадные линии. Цепи, 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 Второй мировой войны , когда они использовались в радарах . После войны их использование было ограничено военной, космической и вещательной инфраструктурой, но улучшения в области материаловедения в этой области вскоре привели к более широкому применению. Теперь их можно найти в отечественных продуктах, таких как спутниковые тарелки и мобильные телефоны.

Фильтр низких частот , как и обычные дискретные компоненты , подключенных на печатную плате (слева), а также конструкции распределенного элемента , напечатанных на самой плате (справа)

Схемное моделирование [ править ]

Схемы Распределенная-элементные разработаны с моделью распределенных элементов , альтернативой модели с сосредоточенными элементами , в которых пассивные электрические элементы из электрического сопротивления , емкости и индуктивности считаются «сосредоточенных» в одной точке пространства в резисторе , конденсатор или 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 для электромагнитных волн есть значительное время.перемещаться от одного терминала компонента к другому; «значительный» в данном контексте означает достаточно времени для заметного изменения фазы . Величина изменения фазы зависит от частоты волны (и обратно зависит от длины 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 на частотах выше 300 МГц и являются предпочтительной технологией на микроволновых частотах выше 1 ГГц . [1]

Нет четкого разграничения по частоте, с которой следует использовать эти модели. Хотя переключение обычно происходит где-то в диапазоне от 100 до 500 МГц , технологический масштаб также имеет значение; миниатюрные схемы могут использовать сосредоточенную модель на более высокой частоте. Печатные платы (PCB), использующие технологию сквозных отверстий , больше, чем эквивалентные конструкции, использующие технологию поверхностного монтажа . Гибридные интегральные схемы меньше, чем технологии печатных плат, а монолитные интегральные схемы меньше обоих. Интегральные схемы могут использовать сосредоточенные конструкции на более высоких частотах, чем печатные схемы, и это делается в некоторыхрадиочастотные 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 [ править ]

Амплитудно-частотная характеристика фильтра Чебышева пятого порядка, построенного из сосредоточенных (вверху) и распределенных компонентов (внизу)

Подавляющее большинство схем с распределенными элементами состоит из отрезков линии передачи , что особенно просто для моделирования. Размеры поперечного сечения линии неизменны по 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 волновым сопротивлением . Дальнейшее упрощение происходит в соразмерных линейных цепях , где все элементы имеют одинаковую длину. С соизмеримыми схемами прототип конструкции сосредоточенной схемысостоящие из конденсаторов и катушек индуктивности, могут быть напрямую преобразованы 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 уравнений Максвелла, чтобы определить ее поведение, поиск полезных структур - это вопрос проб и ошибок или догадок. [4]

Важное различие между схемами с распределенными элементами и схемами с сосредоточенными элементами состоит в том, что частотная характеристика распределенной схемы периодически повторяется, как показано в примере фильтра Чебышева ; эквивалентная схема с сосредоточенными параметрами - нет. Это результат передаточной функции сосредоточенных форм будучи рациональной функцией от комплексной частоты ; распределенные формы - иррациональная функция. Другое отличие состоит в том, что каскадно соединенные отрезки линии создают фиксированную задержку на всех частотах (при условии идеальной линии ). В схемах с сосредоточенными параметрами нет эквивалента для фиксированной задержки, хотя можно построить приближение для ограниченного диапазона частот. [5]

Преимущества и недостатки [ править ]

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 ограничено. Если рабочие частоты не слишком высоки, разработчик может миниатюризировать компоненты, а не переключаться на распределенные элементы. Однако паразитные элементы и 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 получить преимущество улучшенного качества.. Конструкции с распределенными элементами, как правило, обладают большей мощностью управления; с сосредоточенным компонентом вся энергия, передаваемая цепью, сосредоточена в небольшом объеме. [6]

СМИ [ править ]

Парные проводники [ править ]

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 , используемая для телефонных линий и подключений к Интернету. Он не часто используется для схем с распределенными элементами, потому что используемые частоты ниже, чем точка, в которой конструкции с распределенными элементами становятся выгодными. Однако дизайнеры часто начинают с проекта с сосредоточенными элементами и конвертируют его в проект с распределенными элементами с открытым проводом. Открытый провод - это пара параллельных неизолированных проводов, используемых, например, для телефонных линий на телеграфных столбах.. Разработчик обычно не намеревается реализовывать схему в таком виде; это промежуточный этап в процессе проектирования. Конструкции с распределенными элементами с парами проводов ограничены несколькими специализированными применениями, такими как линии Лечера и сдвоенные выводы, используемые для линий антенного питания . [7]

Коаксиальный [ править ]

Набор коаксиальных направленных ответвителей . У одного снята крышка, показывая его внутреннюю структуру.

Коаксиальная линия , центральный проводник, окруженный изолированным экранирующим проводником, широко используется для соединения блоков микроволнового оборудования и для передачи на большие расстояния. Хотя коаксиальные устройства с распределенными элементами обычно производились во второй половине 20-го века, они были заменены во многих приложениях планарными формами из-за соображений стоимости и размера. Коаксиальная линия с воздушным диэлектриком используется для приложений с малыми потерями и высокой мощностью. Схемы с распределенными элементами в других средах все еще обычно переходят на коаксиальные разъемы на портах схемы для целей межсоединения. [8]

Планар [ править ]

Основная статья: Планарная линия передачи

В большинстве современных схем с распределенными элементами используются планарные линии передачи, особенно в массовых потребительских товарах. Существует несколько форм плоских линий, но наиболее распространена микрополосковая линия. Его можно изготавливать тем же способом, что и печатные платы, и, следовательно, его изготовление дешево. Он также подходит для интеграции с сосредоточенными схемами на одной плате. Другие формы печатных плоских линий включают полоску , плавниковую линию и множество вариаций. Планарные линии также могут использоваться в монолитных СВЧ интегральных схемах , где они являются неотъемлемой частью микросхемы устройства. [9]

Волновод [ править ]

Основная статья: Волновод (электромагнетизм)
Волноводный фильтр

Многие конструкции с распределенными элементами могут быть непосредственно реализованы в волноводе. Однако существует дополнительная сложность с волноводами, заключающаяся в том, что возможно несколько режимов . Иногда они существуют одновременно, и эта ситуация не имеет аналогов с проводящими линиями. Волноводы обладают преимуществами меньших потерь и более высокого качества резонаторов по сравнению с проводящими линиями, но их относительная стоимость и размер означают, что часто предпочтительнее микрополосковые. Волновод в основном находит применение в высокопроизводительных продуктах, 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 [ править ]

В некоторых специализированных приложениях, таких как механические фильтры в высокопроизводительных радиопередатчиках (морские, военные, радиолюбительские), электронные схемы могут быть реализованы в виде механических компонентов; Во многом это связано с высоким качеством механических резонаторов. Они используются в радиочастотном диапазоне (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 скорости электрических сигналов. [11]

Компоненты схемы [ править ]

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

Заглушка [ править ]

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. Шлейф может использоваться отдельно (например, для согласования импеданса ), или несколько из них могут использоваться вместе в более сложной схеме, такой как фильтр. Шлейф может быть выполнен как эквивалент сосредоточенного конденсатора, катушки индуктивности или резонатора. [12]

Фильтр-бабочка

Отходы от построения с единообразными линиями передачи в схемах с распределенными элементами встречаются редко. Одним из таких широко используемых отклонений является радиальная заглушка, имеющая форму сектора круга . Они часто используются парами, по одному по обе стороны от основной линии передачи. Такие пары называются окурками бабочки или бабочки. [13]

Связанные линии [ править ]

Связанные линии - это две линии передачи, между которыми существует некоторая электромагнитная связь . Связь может быть прямой или косвенной. При непрямом соединении две линии проходят близко друг к другу на определенном 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 делителей мощности и направленных ответвителей . Еще одно свойство связанных линий состоит в том, что они действуют как пара связанных резонаторов . Это свойство используется во многих фильтрах с распределенными элементами. [15]

Каскадные линии [ править ]

Ортогональные моды преобразователь (разновидность дуплексера ) 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 четверть волны образует четвертьволновой трансформатор импеданса . Это имеет полезное свойство превращать любую импедансную сеть в двойную ; в этой роли он называется инвертором импеданса. Эта структура может использоваться в фильтрах для реализации прототипа с сосредоточенными элементами в лестничной топологии.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]

Полость резонатора [ править ]

Резонатор является пустым (или иногда диэлектрическим заполненные) пространством , окруженным проводящими стенок. Отверстия в стенках соединяют резонатор с остальной частью схемы. Резонанс возникает из-за того, что электромагнитные волны отражаются назад и вперед от стенок полости, создавая стоячие волны . Полостные резонаторы могут использоваться во многих средах, но наиболее естественно они формируются в волноводе из уже существующих металлических стенок волновода. [18]

Диэлектрический резонатор [ править ]

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 состоит в том, что они значительно меньше, чем эквивалентная полость, заполненная воздухом. [19]

Винтовой резонатор [ править ]

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 диапазонах ОВЧ и нижних УВЧ . [20]

Фракталы [ править ]

Смотрите также: Фрактальная антенна
Трехполосковый фрактальный резонатор Гильберта с тремя итерациями [21]

Использование фрактальных кривых в качестве компонента схемы - новая область в схемах с распределенными элементами. [22] Фракталы использовались для изготовления резонаторов для фильтров и антенн. Одним из преимуществ использования фракталов является их способность заполнять пространство, что делает их меньше, чем в других конструкциях. [23] Другие преимущества включают возможность создания широкополосных и многополосных схем, хорошие рабочие характеристики внутри полосы и хорошее подавление внеполосных сигналов. [24] На практике настоящий фрактал не может быть получен, потому что на каждой итерации фракталапроизводственные допуски становятся более жесткими и, в конечном итоге, больше, чем может обеспечить метод строительства. Однако после небольшого количества итераций производительность приближается к истинному фракталу. Их можно назвать пре-фракталами или фракталами конечного порядка, где необходимо отличать от истинного фрактала. [25]

Фрактал , которые были использованы в качестве компонента схем включают снежинку Коха , остров Минковского , кривой Серпинский , Гильберт кривой и кривой Пеано . [26] Первые три являются замкнутыми кривыми, подходящими для патч-антенн. Последние две - открытые кривые с окончаниями на противоположных сторонах фрактала. Это делает их пригодными для использования там, где требуется каскадное подключение . [27]

Конус [ править ]

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] Конусность может обеспечивать переходы между линиями в различных средах, особенно в различных 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 конструкции фильтра Чебычева . [31]

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

Распределенное сопротивление [ править ]

Резистивные элементы обычно не используются в схемах с распределенными элементами. Однако распределенные резисторы можно использовать в аттенюаторах и оконечных устройствах линии . В плоских средах они могут быть реализованы в виде извилистой линии из высокопрочного материала или в виде нанесенного пятна из тонкопленочного или толстопленочного материала. [33] В волноводе карта из материала, поглощающего микроволновое излучение, может быть вставлена ​​в волновод. [34]

Блоки схемы [ править ]

Фильтры и согласование импеданса [ править ]

Основная статья: Фильтр с распределенными элементами
Микрополосковый полосовой фильтр - шпилька (слева), за которым следует заглушка фильтра нижних частот

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 поздние разработки включают фрактальные фильтры. [35] Многие фильтры сконструированы вместе с диэлектрическими резонаторами . [36]

Как и в случае фильтров с сосредоточенными элементами, чем больше элементов используется, тем ближе фильтр к идеальному отклику ; структура может стать довольно сложной. [37] Для простых узкополосных требований может быть достаточно одного резонатора (например, шлейфового или ответвительного фильтра ). [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 [ править ]

Основная статья: Делители мощности и направленные ответвители
Микрополосковый направленный ответвитель с пилообразными зубьями, вариант направленного ответвителя связанных линий [40]

Направленный ответвитель - это четырехпортовое устройство, которое передает мощность, протекающую в одном направлении от одного пути к другому. Два порта являются портами ввода и вывода 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 энергии, 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 строится как направленный ответвитель с изолированным портом, постоянно подключенным к согласованной нагрузке (что фактически делает его трехпортовым устройством). Между двумя устройствами нет существенной разницы. Термин направленный ответвитель обычно используется, когда коэффициент связи (доля мощности, поступающей на связанный порт) низкий, и делитель мощности, когда коэффициент связи высокий. 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 низкой степенью связи; ответвители с прямым подключением больше подходят для делителей мощности с высокой степенью связи. [42]

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

Гибриды [ править ]

Гибридное кольцо, используемое для генерации суммарных и разностных сигналов

Направленный ответвитель, который равномерно распределяет мощность между выходным и связанным портами ( ответвитель 3 дБ ), называется гибридным . [44] Хотя «гибрид» первоначально относился к гибридному трансформатору (устройство с сосредоточенными параметрами, используемое в телефонах), теперь оно имеет более широкое значение. Широко используемым гибридом с распределенными элементами, в котором не используются спаренные линии, является гибридное кольцо или связующее звено крысиных рас . 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 на ринге деструктивная интерференцияприводит к нулю; в этот момент питание не будет выходить из установленного порта. В других случаях конструктивная интерференция максимизирует передаваемую мощность. [45]

Другой вариант использования гибридного ответвителя - создание 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 сбалансированных смесителях , частотных дискриминаторах , аттенюаторах , фазовращателях и схемах питания антенных решеток . [47]

Циркуляторы [ править ]

Коаксиальный ферритовый циркулятор, работающий на частоте 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 или против часовой стрелки), и никакая энергия не передается ни на один из других портов. Большинство циркуляторов с распределенными элементами основаны на ферритовых материалах. [48] Циркуляторы используются в качестве изолятора для защиты передатчика (или другого оборудования) от повреждений из-за отражений от антенны, а также в качестве дуплексера, соединяющего антенну, передатчик и приемник радиосистемы. [49]

Необычное применение циркулятора находится в усилителе отражения , где отрицательное сопротивление из диода Ганны используется для отражения обратно больше энергии , чем он получил. Циркуляционный насос используется для направления входных и выходных потоков мощности к отдельным портам. [50]

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

для идеального трехпортового 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 очень важно для работы устройства. [51]

Активные компоненты [ править ]

Микрополосковая схема с дискретными транзисторами в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа , конденсаторами и резисторами в форме микросхем и смещающими фильтрами в качестве распределенных элементов

Распределенные элементы обычно пассивны, но для большинства приложений требуются активные компоненты в той или иной роли. Гибридная интегральная схема СВЧ-диапазона использует распределенные элементы для многих пассивных компонентов, но активные компоненты (такие как диоды , транзисторы и некоторые пассивные компоненты) являются дискретными. Активные компоненты могут быть упакованы, или они могут быть помещены на подложку в форме чипа без индивидуальной упаковки для уменьшения размера и устранения паразитов, вызываемых упаковкой . [52]

Распределенные усилители состоят из ряда усилительных устройств (обычно полевых транзисторов ), 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 выходному сигналу усилителя. Это отличается от обычного многокаскадного усилителя , где коэффициент усиленияумножается 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 одиночного каскада. Распределенные усилители используются, когда один большой транзистор (или сложный многотранзисторный усилитель) слишком велик, чтобы его можно было рассматривать как сосредоточенный компонент; соединительные линии передачи разделяют отдельные транзисторы. [53]

История [ править ]

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

Моделирование распределенных элементов было впервые использовано в анализе электрических сетей Оливером Хевисайдом [54] в 1881 году. Хевисайд использовал его, чтобы найти правильное описание поведения сигналов на трансатлантическом телеграфном кабеле . Передача раннего трансатлантического телеграфа была трудной и медленной из-за рассеивания - эффекта, который в то время еще не был хорошо понят. Анализ Хевисайда, теперь известный как уравнения телеграфа , выявил проблему и предложил [55] методы ее решения . Остается стандартный анализ ЛЭП. [56]

Уоррен П. Мейсон был первым, кто исследовал возможность схем с распределенными элементами, и в 1927 году подал патент [57] на коаксиальный фильтр, разработанный этим методом. 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], поданном в 1941 году. Работа была связана с коаксиальной формой и другими проводящими проводами, хотя большая часть из них также могла быть адаптирована для волновода. На первом месте были акустические работы, и коллеги Мэйсона из отдела радио Bell Labs попросили его помочь с коаксиальными и волноводными фильтрами. [59]

До Второй мировой войны спрос на схемы с распределенными элементами был невелик; частоты, используемые для радиопередач, были ниже точки, в которой распределенные элементы становились выгодными. Более низкие частоты имеют больший диапазон, что является основным соображением для целей вещания . Эти частоты требуют длинных антенн для эффективной работы, и это привело к работе с более высокочастотными системами. Ключевым прорывом стало введение в 1940 году резонаторного магнетрона, работающего в микроволновом диапазоне, в результате чего радиолокационное оборудование было достаточно компактным, чтобы его можно было установить 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 волноводной области. [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 была Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института (Rad Lab), но работа велась и в других местах в США и Великобритании. Работа Rad Lab была опубликована [62] Фано и Лоусоном. [63] Еще одной разработкой военного времени стало гибридное кольцо. Эта работа была выполнена в Bell Labs и была опубликована [64] после войны У. А. Тирреллом. Тиррелл описывает гибридные кольца, реализованные в волноводе, и анализирует их с точки зрения хорошо известного волноводного волшебного тройника . Другие исследователи [65]вскоре вышли коаксиальные версии этого устройства. [66]

Джордж Маттеи возглавлял исследовательскую группу в Стэнфордском исследовательском институте, в которую входил Лео Янг, и отвечал за многие конструкции фильтров. Маттей первым описал встречно-штыревой фильтр [67] и гребенчатый фильтр. [68] Работа группы была 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]

Форматы Planar стали использоваться с изобретением полосковой по Robert M. Barrett . Хотя полосковая линия была еще одним изобретением военного времени, ее подробности не публиковались [71] до 1951 года. Микрополосковая линия , изобретенная в 1952 году [72], стала коммерческим конкурентом полосковой линии; однако планарные форматы не стали широко использоваться в микроволновых приложениях до тех пор, 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]RD Richtmeyer 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 включены Павла I. Ричардс " соразмерная теория линий , которая была опубликована [76] в 1948 году, и тождества Курода , набор преобразований , которые преодолели некоторые практические ограничения теории Richards, опубликованную [77] Курод в 1955 году [78 ] По словам Натана Коэна, логопериодическая антенна , изобретенная Рэймондом Дуамелем и Дуайтом Исбеллом.в 1957 году следует считать первую фрактальную антенну. Однако его самоподобная природа и, следовательно, связь с фракталами в то время были упущены. Ее до сих пор обычно не относят к фрактальной антенне. Коэн был первым, кто явно идентифицировал класс фрактальных антенн после лекции Бенуа Мандельброта в 1987 году, но он не смог опубликовать статью до 1995 года [79].

Ссылки [ править ]

  1. ^ Vendelin et al. , стр. 35–37
  2. ^ Нгуен, стр. 28 год
    • Vendelin et al. , стр. 35–36
  3. ^ Hunter, стр. 137-138
  4. ^ Хантер, стр. 137
  5. Перейти ↑ Hunter, pp. 139–140
  6. ^ Doumanis et al. , стр. 45–46
    • Нгуен, стр. 27–28.
  7. ^ Hura & Singhal, стр. 178-179
    • Магнуссон и др. , п. 240
    • Гупта, стр. 5.5
    • Крейг, стр. 291–292.
    • Хендерсон и Камарго, стр. 24–25.
    • Chen et al. , п. 73
  8. ^ Натараян, с. 11-12
  9. ^ Ghione и Pirola, стр. 18-19
  10. ^ Ghione & Pirola, стр. 18
  11. ^ Тэйлор и Хуанг стр. 353-358
    • Джонсон (1983), стр. 102
    • Мейсон (1961)
    • Джонсон и др. (1971), стр.155, 169
  12. ^ Эдвардса и бычок, стр. 78, 345-347
    • Банерджи, стр. 74
  13. ↑ Edwards & Steer, стр. 347–348.
  14. ^ Магнуссон и др. , п. 199
    • Гарг и др. , п. 433
    • Чанг и Се, стр. 227–229.
    • Бхат и Коул, стр. 602–609.
  15. ^ Бхат & Koul, стр. 10, 602, 622
  16. ^ Ли, стр. 787
  17. ^ Helszajn, стр. 189
  18. ^ Hunter, стр. 209-210
  19. ^ Penn & Элфорд, стр. 524-530
  20. ^ Уитакер, стр. 227
    • Doumanis et al. , стр. 12–14
  21. ^ Янкович и др. , п. 197
  22. ^ Рамадан и др. , п. 237
  23. ^ Янкович и др. , п. 191
  24. ^ Янкович и др. , стр. 191–192
  25. ^ Янкович и др. , п. 196
  26. ^ Янкович и др. , п. 196
  27. ^ Янкович и др. , п. 196
  28. ^ Журбенко, с. 310
  29. ^ Гарг и др. , стр. 180–181
  30. ^ Гарг и др. , 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. ^ Maloratsky (2012), стр. 69
    • Хилти, стр. 425
    • Бахл (2014), стр. 214
  34. ^ Hilty, стр. 426-427
  35. ^ Коэн, стр. 220
  36. Перейти ↑ Hong & Lancaster, pp. 109, 235
    • Макимото и Ямасита, стр. 2
  37. ^ Харрелл, стр. 150
  38. ^ Аванг, стр. 296
  39. ^ Баль (2009), стр. 149
  40. ^ Maloratsky (2004), стр. 160
  41. ^ Sisodia & Raghuvansh, стр. 70
  42. ^ Исии, стр. 226
  43. ^ Бхат & Хоул, стр. 622-627
  44. ^ Maloratsky (2004), стр. 117
  45. ^ Chang & С, стр. 197-198
  46. ^ Ghione и Pirola, стр. 172-173
  47. ^ Chang & С, стр. 227
    • Малорацкий (2004), с. 117
  48. Перейти ↑ Sharma, pp. 175–176
    • Линкхарт, стр. 29
  49. ^ Meikle, стр. 91
    • Lacomme et al. , стр. 6–7
  50. ^ Roer, стр. 255-256
  51. ^ Maloratsky (2004), стр. 285-286
  52. ^ Бхат & Хоул, 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 др. (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. ^ Шейнгольд и Морита (1953)
    • Альбанезе и Пейсер (1958)
  66. ^ Ан, стр. 3
  67. ^ Маттеи (1962)
  68. ^ Маттеи (1963)
  69. ^ Matthaei et al. (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. ^ Makimoto и Ямашита, стр. 1-2
  76. ^ Ричардс (1948)
  77. ^ Первая публикация на английском языке:
    • Одзаки и Исии (1958)
  78. ↑ Levy & Cohn, стр. 1056–1057.
  79. ^ Cohen, стр. 210-211

Библиография [ править ]

  • Ан, Хи-Ран, Асимметричные пассивные компоненты в интегральных схемах СВЧ , John Wiley & Sons, 2006 ISBN  0470036958 .
  • Альбанезе, VJ; Пейзер, WP, "Анализ широкополосного коаксиального гибридного кольца" , IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques , vol. 6, вып. 4. С. 369–373, октябрь 1958 г.
  • Аванг, Заики, Дизайн микроволновых систем , Springer Science & Business Media, 2013 ISBN 981445124X . 
  • Бахл, Индер Дж., Основы транзисторных усилителей ВЧ и СВЧ , John Wiley & Sons, 2009 ISBN 0470462310 . 
  • Бахл, Индер Дж., Компоненты управления с использованием технологий Si, GaAs и GaN , Artech House, 2014 ISBN 1608077128 . 
  • Бакши, UA; Бакши, А.В., Антенны и распространение волн , Технические публикации, 2009 ISBN 8184317220 . 
  • Банерджи, Амаль, Автоматизированное проектирование электронных фильтров , Springer, 2016 ISBN 3319434705 . 
  • Барретт, Р.М., «Протравленные листы служат в качестве компонентов СВЧ», Электроника , т. 25, стр. 114–118, июнь 1952 г.
  • Барретт, РМ; Барнс, MH, "Микроволновые печатные схемы", Radio TV News , vol. 46, 16 сентября 1951 г.
  • Бхат, Бхарати; Коул, Шибан К., Полосковые линии передачи для СВЧ интегральных схем , New Age International, 1989 ISBN 8122400523 . 
  • Борден, Бретт, Радиолокационное изображение воздушных целей , CRC Press, 1999 ISBN 1420069004 . 
  • Бриттен, Джеймс Э., "Введение в загрузочную катушку: Джордж А. Кэмпбелл и Майкл И. Пупин" , Технология и культура , т. 11, вып. 1. С. 36–57, январь 1970 г.
  • Чанг, Кай; Се, Лунг-Хва, Микроволновые кольцевые схемы и родственные конструкции , John Wiley & Sons, 2004 ISBN 047144474X . 
  • Чен, LF; Онг, СК; Нео, CP; Варадан, В.В.; Варадан, Виджай К., Электроника СВЧ: измерение и характеристика материалов , John Wiley & Sons, 2004 ISBN 0470020458 . 
  • Коэн, Натан, "Фрактальная антенна и праймер фрактального резонатора", гл. 8 дюймов , Фрейм, Майкл, Бенуа Мандельброт: Жизнь во многих измерениях , World Scientific, 2015 ISBN 9814366064 . 
  • Крейг, Эдвин С., Электроника через анализ формы волны , Springer, 2012 ISBN 1461243386 . 
  • Думанис, Эфстратиос; Гуссетис, Джордж; Космопулос, Саввас, Дизайн фильтров для спутниковой связи: технология спирального резонатора , Artech House, 2015 ISBN 160807756X . 
  • DuHamell, R; Исбелл, Д., "Широкополосные логарифмически периодические антенные структуры" , 1958 IRE International Convention Record , New York, 1957, pp. 119–128.
  • Эдвардс, Терри С; Стир, Майкл Б., Основы проектирования микросхем , John Wiley & Sons, 2016 ISBN 1118936191 . 
  • Фаген, доктор медицины; Миллман, С. История инженерии и науки в системе Bell: Том 5: Коммуникационные науки (1925–1980) , Лаборатории AT&T Bell, 1984 ISBN 0932764061 . 
  • Фано, РМ; Лоусон, А.В., "Проектирование микроволновых фильтров", гл. 10 in, Ragan, GL (ed), Microwave Transmission Circuits , McGraw-Hill, 1948 OCLC 2205252 . 
  • Гарг, Рамеш; Бахл, Индер; Боззи, Маурицио, Microstrip Lines and Slotlines , Artech House, 2013 ISBN 1608075354 . 
  • Гионе, Джованни; Пирола, Марко, микроволновая электроника , Cambridge University Press, 2017 ISBN 1107170273 . 
  • Григ, Д. Д.; Энглеманн, Х.Ф., «Микрополосковая технология - новый метод передачи для диапазона киломегациклов» , Proceedings of the IRE , vol. 40, вып. 12. С. 1644–1650, декабрь 1952 г.
  • Гупта, С.К., Теория электромагнитного поля , Krishna Prakashan Media, 2010 ISBN 8187224754 . 
  • Харрел, Бобби, Технический справочник по кабельному телевидению , Artech House, 1985 ISBN 0890061572 . 
  • Хевисайд, Оливер, Electrical Papers , vol. 1, стр. 139–140, Copley Publishers, 1925 г., OCLC 3388033 . 
  • Хевисайд, Оливер, «Электромагнитная индукция и ее распространение», The Electrician , стр. 79–81, 3 июня 1887 г., OCLC 6884353 . 
  • Хелшайн, Дж. Риджинговые волноводы и пассивные микроволновые компоненты , IET, 2000 ISBN 0852967942 . 
  • Хендерсон, Берт; Камарго, Эдмар, Технология и приложения для микроволновых смесителей , Artech House, 2013 ISBN 1608074897 . 
  • Хилти, Курт, «Измерение затухания», стр. 422–439 в, Дайер, Стивен А. (редактор), Wiley Survey of Instrumentation and Measurement , John Wiley & Sons, 2004 ISBN 0471221651 . 
  • Хун, Цзя-Шен Г; Ланкастер, MJ, Микрополосковые фильтры для ВЧ / СВЧ-приложений , John Wiley & Sons, 2004 ISBN 0471464201 . 
  • Хантер, Ян, Теория и разработка микроволновых фильтров , IET, 2001 ISBN 0852967772 . 
  • Hura, Gurdeep S; Сингхал, Мукеш, Данные и компьютерные коммуникации: сети и межсетевое взаимодействие , CRC Press, 2001 ISBN 1420041312 . 
  • Исии, Т. Корю, Справочник по микроволновой технологии: компоненты и устройства , Academic Press, 1995 ISBN 0123746965 . 
  • Янкович, Николина; Земляков, Кирилл; Гешке, Риана Хелена; Вендик Ирина; Црноевич-Бенгин, Весна, "Многополосные микрополосковые фильтры на фрактальной основе", гл. 6 in, Crnojević-Bengin, Vesna (ed), Advances in Multi-Band Microstrip Filters , Cambridge University Press, 2015 ISBN 1107081971 . 
  • Джонсон, Роберт А., Механические фильтры в электронике , John Wiley & Sons Australia, 1983 ISBN 0471089192 . 
  • Джонсон, Роберт А; Бёрнер, Манфред; Конно, Масаши, "Механические фильтры - обзор прогресса" , IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics , vol. 18, вып. 3. С. 155–170, июль 1971 г.
  • Кумар, Нарендра; Гребенников Андрей, Распределенные усилители мощности для ВЧ и СВЧ связи , Artech House, 2015 ISBN 1608078329 . 
  • Лакомм, Филипп; Марше, Жан-Клод; Харданж, Жан-Филипп; Норман, Эрик, Воздушные и космические радарные системы , Уильям Эндрю, 2001 ISBN 0815516134 . 
  • Ли, Томас Х., Planar Microwave Engineering , Cambridge University Press, 2004 ISBN 0521835267 . 
  • Леви, Р; Кон, С.Б., «История исследований, проектирования и разработки микроволновых фильтров» , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , стр. 1055–1067, vol. 32, вып. 9, 1984.
  • Линкхарт, Дуглас К., Дизайн микроволнового циркулятора, Artech House, 2014 ISBN 1608075834 . 
  • Магнуссон, Филип С; Вайсхаар, Андреас; Трипати, Виджай К.; Александр, Джеральд К., Линии передачи и распространение волн , CRC Press, 2000 ISBN 0849302692 . 
  • Макимото, М; Ямасита, С. Микроволновые резонаторы и фильтры для беспроводной связи , Springer, 2013 ISBN 3662043254 . 
  • Малорацкий, Лев Г., Пассивные интегральные схемы ВЧ и СВЧ , Elsevier, 2004 ISBN 0080492053 . 
  • Малорацкий, Лев Г., Интегрированные микроволновые интерфейсы с приложениями авионики , Artech House, 2012 ISBN 1608072061 . 
  • Мейсон, Уоррен П., «Волновой фильтр», патент США 2345491 , поданный 25 июня 1927 г., выданный 11 ноября 1930 г.
  • Мейсон, Уоррен П., «Сеть передачи волн», патент США 2345491 , поданный 25 ноября 1941 г., выданный 28 марта 1944 г.
  • Мейсон, Уоррен П., «Электромеханический волновой фильтр», патент США 2 981 905 , поданный 20 августа 1958 г., выданный 25 апреля 1961 г.
  • Мейсон, WP; Сайкс, Р.А., "Использование коаксиальных и симметричных линий передачи в фильтрах и широкополосных трансформаторах для высоких радиочастот" , Bell System Technical Journal , vol. 16. С. 275–302, 1937.
  • Matthaei, GL, "Встречно-штыревые полосовые фильтры" , IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques , vol. 10, вып. 6. С. 479–491, ноябрь 1962 г.
  • Matthaei, GL, "Гребенчатые полосовые фильтры узкой или средней полосы пропускания", Microwave Journal , vol. 6, стр. 82–91, август 1963 г. ISSN 0026-2897 . 
  • Matthaei, George L; Янг, Лео; Джонс, ЕМТ, СВЧ-фильтры, сети согласования импеданса и структуры связи McGraw-Hill 1964 OCLC 830829462 . 
  • Мейкл, Хэмиш, Современные радиолокационные системы , Artech House, 2008 ISBN 1596932430 . 
  • Миллиган, Томас А., Современный дизайн антенн , John Wiley & Sons, 2005 ISBN 0471720607 . 
  • Мисра, Девендра К., Радиочастотные и микроволновые схемы связи , John Wiley & Sons, 2004 ISBN 0471478733 . 
  • Натараджан, Дханасекхаран, Практическая конструкция сосредоточенных, полукомпонентных и микроволновых резонаторных фильтров , Springer Science & Business Media, 2012 ISBN 364232861X . 
  • Нгуен, Кэм, Разработка радиочастотных интегральных схем , John Wiley & Sons, 2015 ISBN 0471398209 . 
  • Одзаки, H; Ishii, J, "Синтез класса полосовых фильтров" , IRE Transactions on Circuit Theory , vol. 5, вып. 2. С. 104–109, июнь 1958 г.
  • Пенн, Стюарт; Алфорд, Нил, "Керамические диэлектрики для микроволновых приложений", гл. 10 в, Налва, Хари Сингх (редактор), Справочник по материалам с низкой и высокой диэлектрической постоянной и их применениям , Academic Press, 1999 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 in, Nasimuddin, Nasimuddin, Microstrip Antennas , BoD - Books on Demand, 2011 ISBN 9533072474 . 
  • Ричардс, Пол I, "Цепи резистора-линии передачи" , Труды IRE , vol. 36, вып. 2. С. 217–220, 1948.
  • Richtmeyer, RD, "Диэлектрические резонаторы" , Журнал прикладной физики , вып. 10, вып. 6. С. 391–397, июнь 1939 г.
  • Роер, Т.Г., Электронные микроволновые устройства , Springer, 2012 ISBN 1461525004 . 
  • Шарма, К.К., Основы микроволновой и радиолокационной инженерии , S. Chand Publishing, 2011 ISBN 8121935377 . 
  • Шейнгольд, LS; Морита, Т., "Коаксиальная магия-Т" , Труды профессиональной группы IRE по теории и методам микроволнового излучения , том. 1, вып. 2. С. 17–23, ноябрь 1953 г.
  • Sisodia, ML; Рагхуванши, GS, Основные микроволновые методы и лабораторное руководство , New Age International, 1987 ISBN 0852268580 . 
  • Тейлор, Джон; Хуанг, Цютин, Справочник CRC по электрическим фильтрам , CRC Press, 1997 ISBN 0849389518 . 
  • Tyrrell, WA, "Гибридные схемы для микроволн" , Proceedings of the IRE , vol. 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 , John Wiley & Sons, 2005 ISBN 0471715824 . 
  • Уитакер, Джерри К., Справочник по электронике , CRC Press, 2000 ISBN 1420036866 . 
  • Журбенко, Виталий, Пассивные микроволновые компоненты и антенны , Совет директоров - Книги по запросу, 2010 ISBN 9533070838 .