Krets med distribuerade element

En lågbrusblockomvandlare med fördelade element. Kretsen till höger är klumpade element . De distribuerade elementkretsarna är mitt och vänster om mitten och är konstruerade i mikrostrip .

Distribuerade elementkretsar är elektriska kretsar som består av längder av transmissionsledningar eller andra distribuerade komponenter. Dessa kretsar utför samma funktioner som konventionella kretsar som består av passiva komponenter, såsom kondensatorer , induktorer och transformatorer . De används mest vid mikrovågsfrekvenser , där konventionella komponenter är svåra (eller omöjliga) att implementera.

Konventionella kretsar består av individuella komponenter tillverkade separat och sedan sammankopplade med ett ledande medium. Distribuerade elementkretsar byggs genom att själva mediet formas till specifika mönster. En stor fördel med distribuerade elementkretsar är att de kan tillverkas billigt som ett tryckt kretskort för konsumentprodukter, såsom satellit-tv . De är också gjorda i koaxial- och vågledarformat för applikationer som radar , satellitkommunikation och mikrovågslänkar .

Ett fenomen som vanligtvis används i distribuerade elementkretsar är att en längd av transmissionsledningen kan fås att fungera som en resonator . Komponenter med distribuerade element som gör detta inkluderar stubbar , kopplade linjer och kaskadkopplade linjer. Kretsar byggda av dessa komponenter inkluderar filter , effektdelare, riktningskopplare och cirkulatorer .

Distribuerade elementkretsar studerades under 1920- och 1930-talen men blev inte viktiga förrän andra världskriget, då de användes i radar . Efter kriget var deras användning begränsad till militär-, rymd- och sändningsinfrastruktur , men förbättringar inom materialvetenskap inom området ledde snart till bredare tillämpningar. De kan nu hittas i inhemska produkter som parabolantenner och mobiltelefoner.

Ett lågpassfilter som konventionella diskreta komponenter anslutna på ett kretskort (vänster) och som en design med distribuerade element tryckt på själva kortet (höger)

Kretsmodellering

Distributed-element-kretsar är designade med distributed-element-modellen , ett alternativ till lumped-element-modellen där de passiva elektriska elementen av elektriskt motstånd , kapacitans och induktans antas vara "klumpade" vid en punkt i rymden i ett motstånd . kondensator respektive induktor . Modellen med distribuerade element används när detta antagande inte längre håller, och dessa egenskaper anses vara fördelade i rymden. Antagandet går sönder när det finns betydande tid för elektromagnetiska vågor att färdas från en terminal på en komponent till den andra; "signifikant", i detta sammanhang, innebär tillräckligt med tid för en märkbar fasförändring . Mängden fasförändring är beroende av vågens frekvens (och omvänt beroende på våglängden ). En vanlig tumregel bland ingenjörer är att byta från den klumpade till den distribuerade modellen när avstånden är mer än en tiondel av en våglängd (en 36° fasförändring). Den klumpade modellen misslyckas fullständigt vid en fjärdedels våglängd (en 90° fasförändring), med inte bara värdet utan även komponentens natur som inte är som förutspått. På grund av detta beroende av våglängd används modellen med distribuerade element mestadels vid högre frekvenser; vid låga frekvenser är komponenter med distribuerade element för skrymmande. Distribuerade konstruktioner är möjliga över 300 MHz och är den teknik som väljs vid mikrovågsfrekvenser över 1 GHz .

Det finns ingen tydlig gränsdragning i hur ofta dessa modeller ska användas. Även om övergången vanligtvis är någonstans i intervallet 100 till 500 MHz , är den tekniska skalan också betydande; miniatyriserade kretsar kan använda den klumpade modellen vid en högre frekvens. Tryckta kretskort (PCB) som använder genomhålsteknik är större än motsvarande konstruktioner med ytmonteringsteknik . Hybridintegrerade kretsar är mindre än PCB-tekniker, och monolitiska integrerade kretsar är mindre än båda. Integrerade kretsar kan använda klumpade konstruktioner vid högre frekvenser än tryckta kretsar, och detta görs i vissa radiofrekvensintegrerade kretsar. Detta val är särskilt viktigt för handhållna enheter, eftersom konstruktioner med klumpade element i allmänhet resulterar i en mindre produkt.

Konstruktion med kraftledningar

Frekvenssvar för ett femte ordningens Chebyshev-filter konstruerat av klumpade (överst) och distribuerade komponenter (botten)

Den överväldigande majoriteten av distribuerade elementkretsar är sammansatta av längder av transmissionsledningar , en särskilt enkel form att modellera. Linjens tvärsnittsdimensioner är oföränderliga längs dess längd och är små jämfört med signalvåglängden; sålunda behöver endast fördelning längs linjens längd beaktas. Ett sådant element i en distribuerad krets kännetecknas helt av dess längd och karakteristiska impedans . En ytterligare förenkling sker i motsvarande linjekretsar , där alla element är lika långa. Med motsvarande kretsar kan en prototyp av en kretsdesign bestående av kondensatorer och induktorer direkt omvandlas till en distribuerad krets med en en-till-en-överensstämmelse mellan elementen i varje krets.

Motsvarande linjekretsar är viktiga eftersom det finns en designteori för att producera dem; ingen allmän teori existerar för kretsar som består av godtyckliga längder av transmissionsledningar (eller godtyckliga former). Även om en godtycklig form kan analyseras med Maxwells ekvationer för att bestämma dess beteende, är det att hitta användbara strukturer en fråga om trial and error eller gissningar.

En viktig skillnad mellan kretsar med distribuerade element och kretsar med klumpade element är att frekvenssvaret för en distribuerad krets periodiskt upprepas som visas i Chebyshev-filterexemplet ; motsvarande klumpade krets gör det inte. Detta är ett resultat av att överföringsfunktionen hos klumpade former är en rationell funktion av komplex frekvens ; distribuerade former är en irrationell funktion. En annan skillnad är att kaskadkopplade linjelängder introducerar en fast fördröjning vid alla frekvenser (förutsatt att en ideal linje ) . Det finns ingen motsvarighet i klumpade kretsar för en fast fördröjning, även om en approximation skulle kunna konstrueras för ett begränsat frekvensområde.

Fördelar och nackdelar

Distribuerade elementkretsar är billiga och enkla att tillverka i vissa format, men tar upp mer plats än kretsar med klumpar. Detta är problematiskt i mobila enheter (särskilt handhållna), där utrymmet är en premie. Om driftsfrekvenserna inte är för höga kan konstruktören miniatyrisera komponenter snarare än att byta till distribuerade element. Parasitiska element och resistiva förluster i klumpade komponenter är emellertid större med ökande frekvens som en andel av det nominella värdet av klumpelementimpedansen. I vissa fall kan designers välja en design med distribuerade element (även om klumpade komponenter är tillgängliga vid den frekvensen) för att dra nytta av förbättrad kvalitet . Utformningar med distribuerade element tenderar att ha större krafthanteringsförmåga; med en klumpad komponent koncentreras all energi som passerar en krets i en liten volym.

Media

Parade ledare

Det finns flera typer av transmissionsledningar, och vilken som helst av dem kan användas för att konstruera distribuerade elementkretsar. Den äldsta (och fortfarande mest använda) är ett par ledare; dess vanligaste form är twisted pair , som används för telefonlinjer och internetanslutningar. Det används inte ofta för distribuerade elementkretsar eftersom de använda frekvenserna är lägre än den punkt där distribuerade elementdesigner blir fördelaktiga. Emellertid börjar designers ofta med en design med klumpar och konverterar den till en design med distribuerade element med öppen tråd. Öppen tråd är ett par parallella oisolerade ledare som används till exempel för telefonlinjer på telegrafstolpar . Konstruktören har vanligtvis inte för avsikt att implementera kretsen i denna form; det är ett mellansteg i designprocessen. , såsom Lecher-ledningar och dubbla ledningar som används för antennmatningsledningar .

Koaxial

En samling koaxialriktade kopplingar . En har locket borttaget, vilket visar dess inre struktur.

Koaxialledning , en mittledare omgiven av en isolerad skärmledare, används ofta för sammankoppling av enheter av mikrovågsutrustning och för överföringar på längre avstånd. Även om koaxiala distribuerade elementanordningar vanligtvis tillverkades under andra hälften av 1900-talet, har de ersatts i många applikationer av plana former på grund av kostnads- och storleksöverväganden. Luftdielektrisk koaxialledning används för applikationer med låg förlust och hög effekt . Distribuerade elementkretsar i andra medier övergår fortfarande vanligtvis till koaxialkontakter vid kretsportarna för sammankopplingsändamål .

Planar

Majoriteten av moderna distribuerade elementkretsar använder plana transmissionsledningar, särskilt de i massproducerade konsumentartiklar. Det finns flera former av plana linjer, men den typ som kallas mikrostrip är den vanligaste. Det kan tillverkas med samma process som kretskort och är därför billigt att tillverka. Det lämpar sig också för integration med klumpade kretsar på samma kort. Andra former av tryckta plana linjer inkluderar stripline , finline och många variationer. Plana linjer kan också användas i monolitiska integrerade mikrovågskretsar, där de är integrerade med enhetschippet.

Vågledare

Rectangular waveguide filter with five tuning screws

Ett vågledarfilter

Många distribuerade elementdesigner kan implementeras direkt i vågledare. Det finns emellertid en ytterligare komplikation med vågledare i det att flera moder är möjliga. Dessa existerar ibland samtidigt, och denna situation har ingen analogi med att leda linjer. Vågledare har fördelarna med lägre förluster och resonatorer av högre kvalitet jämfört med ledande ledningar, men deras relativa kostnad och bulk gör att mikrostrip ofta föredras. Waveguide hittar mestadels användning i avancerade produkter, såsom militära radar med hög effekt och de övre mikrovågsbanden (där plana format är för förlustiga). Waveguide blir skrymmande med lägre frekvens, vilket motverkar dess användning på de lägre banden.

Mekanisk

I ett fåtal specialistapplikationer, såsom de mekaniska filtren i avancerade radiosändare (marin, militär, amatörradio), kan elektroniska kretsar implementeras som mekaniska komponenter; detta görs till stor del på grund av den höga kvaliteten på de mekaniska resonatorerna. De används i radiofrekvensbandet (under mikrovågsfrekvenser), där vågledare annars skulle kunna användas. Mekaniska kretsar kan också implementeras, helt eller delvis, som distribuerade elementkretsar. Frekvensen med vilken övergången till design med distribuerade element blir genomförbar (eller nödvändig) är mycket lägre med mekaniska kretsar. Detta beror på att hastigheten med vilken signaler färdas genom mekaniska medier är mycket lägre än hastigheten för elektriska signaler.

Kretskomponenter

Det finns flera strukturer som upprepade gånger används i distribuerade elementkretsar. Några av de vanliga beskrivs nedan.

Stump

En stub är en kort längd av lina som förgrenar sig till sidan av en huvudledning. Änden av stubben lämnas ofta öppen eller kortsluten, men kan också avslutas med en klumpad komponent. En stubb kan användas på egen hand (till exempel för impedansmatchning ), eller flera av dem kan användas tillsammans i en mer komplex krets som ett filter. En stubb kan utformas som motsvarigheten till en kondensator, induktor eller resonator.

Fjärilsstumfilter

Avvikelser från att bygga med enhetliga transmissionsledningar i distribuerade elementkretsar är sällsynta. En sådan avvikelse som används ofta är den radiella stubben, som är formad som en cirkelsektor . De används ofta i par, en på vardera sidan av huvudöverföringsledningen. Sådana par kallas fjärils- eller bowtie stubbar.

Kopplade linjer

Kopplade linjer är två transmissionslinjer mellan vilka det finns en viss elektromagnetisk koppling . Kopplingen kan vara direkt eller indirekt. Vid indirekt koppling körs de två linjerna tätt tillsammans en sträcka utan avskärmning mellan dem. Styrkan på kopplingen beror på avståndet mellan linjerna och tvärsnittet som presenteras för den andra linjen. Vid direktkoppling kopplar grenledningar direkt samman de två huvudledningarna med intervaller.

Kopplade linjer är en vanlig metod för att konstruera effektdelare och riktningskopplare . En annan egenskap hos kopplade linjer är att de fungerar som ett par kopplade resonatorer . Den här egenskapen används i många filter med distribuerade element.

Kaskadförsedda linjer

En ortomodgivare (en mängd olika duplexer ) med stegvis impedansmatchning

Kaskadlinjer är längder av transmissionsledningar där utgången från en linje är ansluten till ingången på nästa. Flera kaskadkopplade linjer med olika karakteristiska impedanser kan användas för att konstruera ett filter eller ett bredbandsimpedansmatchande nätverk. Detta kallas en stegvis impedansstruktur. En enda kaskadlinje som är en kvarts våglängd lång bildar en kvartsvågsimpedanstransformator . Detta har den användbara egenskapen att omvandla vilket impedansnät som helst till dess dubbla ; i denna roll kallas det en impedansväxelriktare. Denna struktur kan användas i filter för att implementera en prototyp med klumpade element i stegtopologi som en distribuerad elementkrets. Kvartsvågstransformatorerna alterneras med en distribuerad elementresonator för att uppnå detta. Men detta är nu en daterad design; mer kompakta växelriktare, såsom impedanssteget, används istället. Ett impedanssteg är diskontinuiteten som bildas vid korsningen av två kaskadkopplade transmissionsledningar med olika karakteristiska impedanser.

Kavitetsresonator

En kavitetsresonator är ett tomt (eller ibland dielektriskt fyllt) utrymme omgivet av ledande väggar. Öppningar i väggarna kopplar resonatorn till resten av kretsen. Resonans uppstår på grund av att elektromagnetiska vågor reflekteras fram och tillbaka från hålrummets väggar som skapar stående vågor . Kavitetsresonatorer kan användas i många medier, men bildas mest naturligt i vågledare från de redan befintliga metallväggarna i guiden.

Dielektrisk resonator

En dielektrisk resonator är en bit dielektriskt material som utsätts för elektromagnetiska vågor. Det är oftast i form av en cylinder eller tjock skiva. Även om kavitetsresonatorer kan fyllas med dielektrikum, är den väsentliga skillnaden att i kavitetsresonatorer är det elektromagnetiska fältet helt inneslutet i kavitetsväggarna. En dielektrisk resonator har ett visst fält i det omgivande utrymmet. Detta kan leda till oönskad koppling med andra komponenter. Den stora fördelen med dielektriska resonatorer är att de är betydligt mindre än motsvarande luftfyllda kavitet.

Helix resonator

En spiralformad resonator är en spiral av tråd i en kavitet; ena änden är oansluten och den andra är bunden till kavitetsväggen. Även om de ytligt liknar klumpade induktorer, är spiralformade resonatorer komponenter med distribuerade element och används i VHF och lägre UHF -band.

Fraktaler

Tre-iterations Hilbert fraktal resonator i mikrostrip

Användningen av fraktalliknande kurvor som en kretskomponent är ett framväxande fält i distribuerade elementkretsar. Fraktaler har använts för att göra resonatorer för filter och antenner. En av fördelarna med att använda fraktaler är deras rymdfyllande egenskap, vilket gör dem mindre än andra mönster. Andra fördelar inkluderar möjligheten att producera bredbands- och multibandsdesigner , bra in-band-prestanda och bra out-of-band- avvisning. I praktiken kan en äkta fraktal inte göras eftersom tillverkningstoleranserna vid varje fraktal iteration blir snävare och till slut är större än vad konstruktionsmetoden kan uppnå. Men efter ett litet antal iterationer är prestandan nära den för en äkta fraktal. Dessa kan kallas pre-fraktaler eller fraktaler av ändlig ordning där det är nödvändigt att skilja från en sann fraktal.

Fraktaler som har använts som en kretskomponent inkluderar Koch-snöflingan , Minkowski-ön , Sierpiński-kurvan , Hilbert-kurvan och Peano-kurvan . De tre första är slutna kurvor, lämpliga för patchantenner. De två sistnämnda är öppna kurvor med avslutningar på motsatta sidor av fraktalen. Detta gör dem lämpliga för användning där en kaskadkoppling krävs .

Avsmalning

En taper är en transmissionsledning med en gradvis förändring i tvärsnitt. Det kan betraktas som begränsningsfallet för den stegvisa impedansstrukturen med ett oändligt antal steg. Tapers är ett enkelt sätt att förena två transmissionsledningar med olika karakteristiska impedanser. Att använda tapers minskar avsevärt de missmatchningseffekter som en direkt sammanfogning skulle orsaka. Om förändringen i tvärsnitt inte är alltför stor, kan inga andra matchande kretsar behövas. Tapers kan ge övergångar mellan linjer i olika media, speciellt olika former av plana media. Konar ändrar vanligen form linjärt, men en mängd andra profiler kan användas. Profilen som uppnår en specificerad matchning i den kortaste längden är känd som en Klopfenstein taper och är baserad på Chebychev-filterdesignen .

Tapers kan användas för att matcha en transmissionsledning till en antenn. I vissa konstruktioner, som hornantennen och Vivaldiantennen , är konan själv antennen. Hornantenner är, liksom andra avsmalnande, ofta linjära, men den bästa matchningen erhålls med en exponentiell kurva. Vivaldi-antennen är en platt (slot) version av den exponentiella avsmalningen.

Fördelat motstånd

Resistiva element är i allmänhet inte användbara i en distribuerad elementkrets. Emellertid kan distribuerade motstånd användas i dämpare och linjeavslutningar . I plana medier kan de implementeras som en slingrande linje av högresistansmaterial, eller som en avsatt lapp av tunnfilms- eller tjockfilmsmaterial . I vågledaren kan ett kort av mikrovågsabsorberande material sättas in i vågledaren.

Kretsblock

Filter och impedansmatchning

Microstrip bandpass hårnålsfilter (vänster), följt av ett lågpass filter

Filter är en stor andel av kretsar som är konstruerade med distribuerade element. Ett brett utbud av strukturer används för att konstruera dem, inklusive stubbar, kopplade linjer och kaskadlinjer. Variationer inkluderar interdigitala filter, kombineringsfilter och hårnålsfilter. Den senaste utvecklingen inkluderar fraktalfilter . Många filter är konstruerade i samband med dielektriska resonatorer .

Precis som med filter med klumpade element, ju fler element som används, desto närmare kommer filtret ett idealiskt svar ; strukturen kan bli ganska komplex. För enkla, smalbandiga krav kan det räcka med en enda resonator (såsom ett stubb- eller spolfilter) .

Impedansmatchning för smalbandsapplikationer uppnås ofta med en enda matchande stubb. För bredbandstillämpningar antar emellertid det impedansmatchande nätverket en filterliknande design. Designern föreskriver ett erforderligt frekvenssvar och designar ett filter med det svaret. Den enda skillnaden från en standardfilterdesign är att filtrets källa och belastningsimpedanser skiljer sig åt.

Effektdelare, kombinerare och riktningskopplare

Microstrip sågtandad riktningskopplare, en variant av riktningskopplaren med kopplade linjer

En riktningskopplare är en fyrportsanordning som kopplar kraft som flödar i en riktning från en väg till en annan. Två av portarna är ingångs- och utgångsportarna på huvudledningen. En del av strömmen som kommer in i ingångsporten kopplas till en tredje port, känd som den kopplade porten . Ingen av strömmen som kommer in i ingångsporten är kopplad till den fjärde porten, vanligtvis känd som den isolerade porten . För kraft som flyter i motsatt riktning och kommer in i utgångsporten, uppstår en ömsesidig situation; viss effekt är kopplad till den isolerade porten, men ingen är kopplad till den kopplade porten.

En effektdelare är ofta konstruerad som en riktningskopplare, med den isolerade porten permanent avslutad i en matchad belastning (gör den i praktiken en treportsenhet). Det finns ingen väsentlig skillnad mellan de två enheterna. Termen riktningskopplare används vanligtvis när kopplingsfaktorn (andelen effekt som når den kopplade porten) är låg, och effektdelare när kopplingsfaktorn är hög. En kraftkombinator är helt enkelt en kraftfördelare som används omvänt. I distribuerade elementimplementeringar som använder kopplade linjer är indirekt kopplade linjer mer lämpliga för lågkopplade riktningskopplare; direktkopplade grenledningskopplare är mer lämpliga för högkopplade effektdelare.

Utformningar med distribuerade element förlitar sig på en elementlängd på en fjärdedels våglängd (eller någon annan längd); detta gäller endast vid en frekvens. Enkla konstruktioner har därför en begränsad bandbredd som de kommer att fungera framgångsrikt över. Liksom impedansmatchande nätverk kräver en bredbandsdesign flera sektioner och designen börjar likna ett filter.

Hybrider

Hybridring, används för att producera summa- och skillnadssignaler

En riktningskopplare som delar ström lika mellan utgången och kopplade portar (en 3 dB -kopplare) kallas en hybrid . Även om "hybrid" ursprungligen hänvisade till en hybridtransformator (en klumpad enhet som används i telefoner), har den nu en bredare betydelse. En allmänt använd hybrid med distribuerade element som inte använder kopplade linjer är hybridringen eller råttrackopplaren . Var och en av dess fyra portar är anslutna till en ring av transmissionsledning vid en annan punkt. Vågor rör sig i motsatta riktningar runt ringen och skapar stående vågor . Vid vissa punkter på ringen resulterar destruktiv interferens i en noll; ingen ström kommer att lämna en port inställd vid den punkten. På andra punkter maximerar konstruktiv interferens den överförda kraften.

En annan användning för en hybridkopplare är att producera summan och skillnaden mellan två signaler. I illustrationen matas två insignaler till portarna märkta 1 och 2. Summan av de två signalerna visas vid porten märkt Σ, och skillnaden vid porten märkt Δ. Utöver deras användning som kopplare och effektdelare, kan riktningskopplare användas i balanserade blandare , frekvensdiskriminatorer , dämpare , fasskiftare och antennmatningsnätverk .

Cirkulatorer

Square, grey, three-port device with an identifying sticker

En koaxiell ferritcirkulator som arbetar vid 1 GHz

En cirkulator är vanligtvis en tre- eller fyraportsanordning där kraften som går in i en port överförs till nästa port i rotation, som om den var runt en cirkel. Ström kan flyta i endast en riktning runt cirkeln (medurs eller moturs), och ingen ström överförs till någon av de andra portarna. De flesta cirkulatorer med distribuerade element är baserade på ferritmaterial . Användning av cirkulatorer inkluderar som en isolator för att skydda en sändare (eller annan utrustning) från skador på grund av reflektioner från antennen, och som en duplexer som ansluter antenn, sändare och mottagare i ett radiosystem.

En ovanlig tillämpning av en cirkulator är i en reflektionsförstärkare , där den negativa resistansen hos en Gunn-diod används för att reflektera tillbaka mer effekt än den fick. Cirkulatorn används för att styra in- och uteffektflödena till separata portar.

Passiva kretsar, både klumpade och fördelade, är nästan alltid ömsesidiga ; cirkulationspumpar är dock ett undantag. Det finns flera likvärdiga sätt att definiera eller representera ömsesidighet. En bekväm sådan för kretsar vid mikrovågsfrekvenser (där distribuerade elementkretsar används) är när det gäller deras S-parametrar . En reciprok krets kommer att ha en S-parametermatris, [ S ], som är symmetrisk . Av definitionen av en cirkulationspump är det tydligt att så inte kommer att vara fallet,

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

för en idealisk cirkulationspump med tre portar, vilket visar att cirkulationspumpar är icke-ömsesidiga per definition. Av detta följer att det är omöjligt att bygga en cirkulator från vanliga passiva komponenter (klumpade eller distribuerade). Närvaron av en ferrit, eller något annat icke-ömsesidigt material eller system, är avgörande för att enheten ska fungera.

Aktiva komponenter

Mikrostripkrets med diskreta transistorer i ytmonterade miniatyrpaket, kondensatorer och motstånd i chipform och förspänningsfilter som distribuerade element

Distribuerade element är vanligtvis passiva, men de flesta applikationer kräver aktiva komponenter i någon roll. En integrerad mikrovågshybridkrets använder distribuerade element för många passiva komponenter, men aktiva komponenter (som dioder , transistorer och vissa passiva komponenter) är diskreta. De aktiva komponenterna kan förpackas, eller så kan de placeras på substratet i chipform utan individuell förpackning för att minska storleken och eliminera förpackningsinducerade parasiter .

Distribuerade förstärkare består av ett antal förstärkarenheter (vanligtvis FET ), med alla deras ingångar anslutna via en transmissionslinje och alla deras utgångar via en annan transmissionslinje. Längden på de två ledningarna måste vara lika mellan varje transistor för att kretsen ska fungera korrekt, och varje transistor läggs till förstärkarens utgång. Detta skiljer sig från en konventionell flerstegsförstärkare , där förstärkningen multipliceras med förstärkningen för varje steg. Även om en distribuerad förstärkare har lägre förstärkning än en konventionell förstärkare med samma antal transistorer, har den betydligt större bandbredd. I en konventionell förstärkare reduceras bandbredden med varje ytterligare steg; i en distribuerad förstärkare är den totala bandbredden densamma som bandbredden för ett enda steg. Distribuerade förstärkare används när en enda stor transistor (eller en komplex, multitransistorförstärkare) skulle vara för stor för att behandlas som en klumpad komponent; de länkande transmissionsledningarna separerar de individuella transistorerna.

Historia

Oliver Heaviside

Modellering av distribuerade element användes först i analys av elektriska nätverk av Oliver Heaviside 1881. Heaviside använde den för att hitta en korrekt beskrivning av beteendet hos signaler på den transatlantiska telegrafkabeln . Sändning av tidig transatlantisk telegraf hade varit svår och långsam på grund av spridning , en effekt som inte var väl förstått vid den tiden. Heavisides analys, nu känd som telegrafens ekvationer , identifierade problemet och föreslog metoder för att övervinna det . Det förblir standardanalysen av transmissionsledningar.

Warren P. Mason var den första att undersöka möjligheten till distribuerade elementkretsar och lämnade in ett patent 1927 för ett koaxialfilter designat med denna metod. Mason och Sykes publicerade den definitiva artikeln om metoden 1937. Mason var också den första som föreslog ett akustiskt filter med distribuerade element i sin doktorsavhandling från 1927, och ett mekaniskt filter med distribuerade element i ett patent inlämnat 1941. Masons arbete var oroad. med koaxialformen och andra ledande ledningar, även om mycket av det också skulle kunna anpassas för vågledare. Det akustiska arbetet hade kommit först och Masons kollegor på Bell Labs radioavdelning bad honom hjälpa till med koaxial- och vågledarfilter.

Före andra världskriget fanns det liten efterfrågan på distribuerade elementkretsar; frekvenserna som användes för radiosändningar var lägre än den punkt där distribuerade element blev fördelaktiga. Lägre frekvenser hade ett större räckvidd, en primär faktor för sändningsändamål . Dessa frekvenser kräver långa antenner för effektiv drift, och detta ledde till arbete på högre frekvenssystem. Ett nyckelgenombrott var 1940 introduktionen av hålighetsmagnetronen som fungerade i mikrovågsbandet och resulterade i radarutrustning som var liten nog att installeras i flygplan. En ökning av utvecklingen av filter med distribuerade element följde, filter var en viktig komponent i radar. Signalförlusten i koaxialkomponenter ledde till den första utbredda användningen av vågledare, som utökade filterteknologin från den koaxiala domänen till vågledardomänen.

Krigsarbetet var mestadels opublicerat förrän efter kriget av säkerhetsskäl, vilket gjorde det svårt att utröna vem som var ansvarig för varje utveckling. Ett viktigt centrum för denna forskning var MIT Radiation Laboratory (Rad Lab), men arbete gjordes även på andra håll i USA och Storbritannien. Rad Lab-arbetet publicerades av Fano och Lawson. En annan krigstidsutveckling var hybridringen. Detta arbete utfördes på Bell Labs och publicerades efter kriget av WA Tyrrell. Tyrrell beskriver hybridringar implementerade i waveguide och analyserar dem i termer av den välkända waveguide magic tee . Andra forskare publicerade snart koaxialversioner av denna enhet.

George Matthaei ledde en forskargrupp vid Stanford Research Institute som inkluderade Leo Young och var ansvarig för många filterdesigner. Matthaei beskrev först det interdigitala filtret och kombineringsfiltret. Gruppens arbete publicerades i en landmärke 1964 bok som täcker tillståndet för distribuerade element kretsdesign vid den tiden, som förblev ett stort referensverk under många år.

Plana format började användas med uppfinningen av stripline av Robert M. Barrett. Även om stripline var en annan krigstid uppfinning, publicerades dess detaljer inte förrän 1951. Microstrip , uppfanns 1952, blev en kommersiell rival till stripline; men plana format började inte bli allmänt använda i mikrovågsapplikationer förrän bättre dielektriska material blev tillgängliga för substraten på 1960-talet. En annan struktur som fick vänta på bättre material var den dielektriska resonatorn. Dess fördelar (kompakt storlek och hög kvalitet) påpekades först av RD Richtmeyer 1939, men material med god temperaturstabilitet utvecklades inte förrän på 1970-talet. Dielektriska resonatorfilter är nu vanliga i vågledar- och transmissionsledningsfilter.

Viktiga teoretiska utvecklingar inkluderade Paul I. Richards proportionella linjeteori , som publicerades 1948, och Kurodas identiteter , en uppsättning transformationer som övervann några praktiska begränsningar hos Richards teori, publicerad av Kuroda 1955. Enligt Nathan Cohen, log- periodisk antenn , uppfann av Raymond DuHamel och Dwight Isbell 1957, bör betraktas som den första fraktala antennen. Emellertid saknades dess självliknande natur, och därmed dess relation till fraktaler, vid den tiden. Den klassas fortfarande vanligtvis inte som en fraktalantenn. Cohen var den första som explicit identifierade klassen av fraktala antenner efter att ha inspirerats av en föreläsning av Benoit Mandelbrot 1987, men han kunde inte få en artikel publicerad förrän 1995.

Bibliografi

Ahn, Hee-Ran, Asymmetric Passive Components in Microwave Integrated Circuits , John Wiley & Sons, 2006 ISBN 0470036958 .
Albanese, VJ; Peyser, WP, "An analysis of a broad-band coaxial hybrid ring" , IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 6, iss. 4, s. 369–373, oktober 1958.
Awang, Zaiki, Microwave Systems Design , Springer Science & Business Media, 2013 ISBN 981445124X .
Bahl, Inder J, Fundamentals of RF and Microwave Transistor Amplifiers , John Wiley & Sons, 2009 ISBN 0470462310 .
Bahl, Inder J, Control Components Using Si, GaAs och GaN Technologies , Artech House, 2014 ISBN 1608077128 .
Bakshi, UA; Bakshi, AV, Antenna And Wave Propagation , Tekniska publikationer, 2009 ISBN 8184317220 .
Banerjee, Amal, Automated Electronic Filter Design , Springer, 2016 ISBN 3319434705 .
Barrett, RM, "Etsade ark tjänar som mikrovågskomponenter", Electronics , vol. 25, s. 114–118, juni 1952.
Barrett, RM; Barnes, MH, "Microwave printed circuits", Radio TV News , vol. 46, 16 september 1951.
Bhat, Bharathi; Koul, Shiban K, Stripline-like Transmission Lines for Microwave Integrated Circuits , New Age International, 1989 ISBN 8122400523 .
Borden, Brett, Radar Imaging of Airborne Targets , CRC Press, 1999 ISBN 1420069004 .
Brittain, James E, "The introduction of the loading coil: George A. Campbell and Michael I. Pupin" , Technology and Culture , vol. 11, nr. 1, s. 36–57, januari 1970.
Chang, Kai; Hsieh, Lung-Hwa, Microwave Ring Circuits and Related Structures , John Wiley & Sons, 2004 ISBN 047144474X .
Chen, LF; Ong, CK; Neo, CP; Varadan, VV; Varadan, Vijay K, Microwave Electronics: Measurement and Materials Characterization , John Wiley & Sons, 2004 ISBN 0470020458 .
Cohen, Nathan, "Fractal antenn and fraktal resonator 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, Filter Design for Satellite Communications: Helical Resonator Technology , Artech House, 2015 ISBN 160807756X .
DuHamell, R; Isbell, D, "Broadband logaritmically periodic antenna structures" , 1958 IRE International Convention Record , New York, 1957, s. 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: Volym 5: Communications Sciences (1925–1980), AT&T Bell Laboratories, 1984 ISBN 0932764061 .
Fano, RM; Lawson, AW, "Design av mikrovågsfilter", kap. 10 tum, Ragan, GL (red), 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—en ny transmissionsteknik för kilometercykelområdet", Proceedings of the IRE, vol. 40, iss. 12, s. 1644–1650, december 1952.
Gupta, SK, Electro Magnetic Field Theory , Krishna Prakashan Media, 2010 ISBN 8187224754 .
Harrel, Bobby, The Cable Television Technical Handbook , Artech House, 1985 ISBN 0890061572 .
Heaviside, Oliver, Electrical Papers , vol. 1, s. 139–140, Copley Publishers, 1925 OCLC 3388033 .
Heaviside, Oliver, "Electromagnetic induction and its propagation", The Electrician , s. 79–81, 3 juni 1887 OCLC 6884353 .
Helszajn, J, Ridge Waveguides and Passive Microwave Components , IET, 2000 ISBN 0852967942 .
Henderson, Bert; Camargo, Edmar, Microwave Mixer Technology and Applications , Artech House, 2013 ISBN 1608074897 .
Hilty, Kurt, "Attenuation measurement", s. 422–439 i, Dyer, Stephen A (red), Wiley Survey of Instrumentation and Measurement , John Wiley & Sons, 2004 ISBN 0471221651 .
Hong, Jia-Shen G; Lancaster, MJ, Microstrip-filter för RF/mikrovågsapplikationer , John Wiley & Sons, 2004 ISBN 0471464201 .
Hunter, Ian, Teori och design av mikrovågsfilter , 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; Zemljakov, Kiril; Geschke, Riana Helena; Vendik, Irina; Crnojević-Bengin, Vesna, "Fraktalbaserade flerbandsmikrostripfilter", kap. 6 in, Crnojević-Bengin, Vesna (red), Advances in Multi-Band Microstrip Filters , Cambridge University Press, 2015 ISBN 1107081971 .
Johnson, Robert A, Mechanical Filters in Electronics , John Wiley & Sons Australien, 1983 ISBN 0471089192 .
Johnson, Robert A; Börner, Manfred; Konno, Masashi, "Mechanical filters—a review of progress" , IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics , vol. 18, iss. 3, s. 155–170, juli 1971.
Kumar, Narendra; Grebennikov, Andrei, Distributed Power Amplifiers for RF and Microwave Communications , 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, "A History of microwave filter research, design and development" , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , s. 1055–1067, vol. 32, iss. 9, 1984.
Linkhart, Douglas K, Microwave Circulator Design , 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, mikrovågsresonatorer och filter för trådlös kommunikation , Springer, 2013 ISBN 3662043254 .
Maloratsky, Leo G, Passive RF and Microwave Integrated Circuits , Elsevier, 2004 ISBN 0080492053 .
Maloratsky, Leo G, Integrated Microwave Front-ends with Avionics Applications , Artech House, 2012 ISBN 1608072061 .
Mason, Warren P, "Wave filter", US-patent 2 345 491 , inlämnat 25 juni 1927, utfärdat 11 november 1930.
Mason, Warren P, "Wave transmission network", US-patent 2 345 491 , inlämnat 25 november 1941, utfärdat 28 mars 1944.
Mason, Warren P, "Electromechanical wave filter", US-patent 2 981 905 , inlämnat 20 augusti 1958, utfärdat 25 april 1961.
Mason, WP; Sykes, RA, "Användningen av koaxiala och balanserade transmissionsledningar i filter och bredbandstransformatorer för höga radiofrekvenser", Bell System Technical Journal, vol. 16, s. 275–302, 1937.
Matthaei, GL, "Interdigitala bandpassfilter" , IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 10, iss. 6, s. 479–491, november 1962.
Matthaei, GL, "Kamlinjebandpassfilter med smal eller måttlig bandbredd", Microwave Journal , vol. 6, s. 82–91, augusti 1963 ISSN 0026-2897 .
Matthaei, George L; Young, Leo; Jones, EMT, mikrovågsfilter, impedansmatchande nätverk och kopplingsstrukturer 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, Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits , John Wiley & Sons, 2004 ISBN 0471478733 .
Natarajan, Dhanasekharan, A Practical Design of Lumped, Semi-lumped & Microwave Cavity Filter , Springer Science & Business Media, 2012 ISBN 364232861X .
Nguyen, Cam, Radio-Frequency Integrated-Circuit Engineering , John Wiley & Sons, 2015 ISBN 0471398209 .
Ozaki, H; Ishii, J, "Synthesis of a class of strip-line filters" , IRE Transactions on Circuit Theory , vol. 5, iss. 2, s. 104–109, juni 1958.
Penn, Stuart; Alford, Neil, "Ceramic dielectrics for microwave applications", kap. 10 in, Nalwa, Hari Singh (red), Handbook of Low and High Dielectric Constant Materials and Their Applications , Academic Press, 1999 ISBN 0080533531 .
Polkinghorn, Frank A, "Oral-History: Warren P. Mason" , intervju nr. 005 för IEEE History Centre, 3 mars 1973, Engineering and Technology History Wiki, hämtad 15 april 2018.
Ramadan, Ali; Al-Husseini, Mohammed; Kabalan Karim Y; El-Hajj, Ali, "Fraktalformade omkonfigurerbara antenner", kap. 10 in, Nasimuddin, Nasimuddin, Microstrip Antennas , BoD – Books on Demand, 2011 ISBN 9533072474 .
Richards, Paul I, "Resistor-transmission-line circuits" , Proceedings of the IRE , vol. 36, iss. 2, s. 217–220, 1948.
Richtmeyer, RD, "Dielektriska resonatorer" , Journal of Applied Physics , vol. 10, iss. 6, s. 391–397, juni 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" , Transactions of the IRE Professional Group on Microwave Theory and Techniques, vol. 1, iss. 2, s. 17–23, november 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, "Hybrid circuits for microwaves" , Proceedings of the IRE , vol. 35, iss. 11, s. 1294–1306, november 1947.
Vendelin, George D; Pavio, Anthony M; Rohde, Ulrich L, Microwave Circuit Design Using Linear and Nolinar Techniques , John Wiley & Sons, 2005 ISBN 0471715824 .
Whitaker, Jerry C, The Resource Handbook of Electronics , CRC Press, 2000 ISBN 1420036866 .
Zhurbenko, Vitaliy, Passive Microwave Components and Antenner , BoD – Books on Demand, 2010 ISBN 9533070838 .