Verteilte Schaltung - Distributed-element circuit

Ein rauscharmer Blockwandler mit verteilten Elementen. Die Schaltung auf der rechten Seite besteht aus konzentrierten Elementen . Die Schaltung mit verteilten Elementen befindet sich in der Mitte und links von der Mitte und ist in Mikrostreifenform aufgebaut .

Schaltungen mit verteilten Elementen sind elektrische Schaltungen, die aus Längen von Übertragungsleitungen oder anderen verteilten Komponenten bestehen. Diese Schaltungen erfüllen die gleichen Funktionen wie konventionelle Schaltungen, die aus passiven Komponenten wie Kondensatoren , Induktivitäten und Transformatoren bestehen . Sie werden hauptsächlich bei Mikrowellenfrequenzen verwendet , wo herkömmliche Komponenten nur schwer (oder unmöglich) zu implementieren sind.

Herkömmliche Schaltungen bestehen aus getrennt hergestellten Einzelkomponenten, die dann mit einem leitenden Medium miteinander verbunden werden. Distributed-Element-Schaltungen werden aufgebaut, indem das Medium selbst in spezifische Muster geformt wird. Ein großer Vorteil von Schaltungen mit verteilten Elementen besteht darin, dass sie als gedruckte Leiterplatte für Konsumgüter wie Satellitenfernsehen kostengünstig hergestellt werden können . Sie werden auch in Koaxial- und Hohlleiterformaten für Anwendungen wie Radar , Satellitenkommunikation und Mikrowellenverbindungen hergestellt .

Ein bei Schaltungen mit verteilten Elementen häufig verwendetes Phänomen besteht darin, dass eine Länge der Übertragungsleitung dazu gebracht werden kann, sich wie ein Resonator zu verhalten . Komponenten mit verteilten Elementen, die dies tun, umfassen Stichleitungen , gekoppelte Leitungen und kaskadierte Leitungen. Aus diesen Komponenten aufgebaute Schaltungen umfassen Filter , Leistungsteiler, Richtkoppler und Zirkulatoren .

Schaltungen mit verteilten Elementen wurden in den 1920er und 1930er Jahren untersucht, erlangten jedoch erst im Zweiten Weltkrieg Bedeutung , als sie im Radar verwendet wurden . Nach dem Krieg war ihr Einsatz auf Militär-, Raumfahrt- und Rundfunkinfrastruktur beschränkt , aber Verbesserungen in der Materialwissenschaft auf diesem Gebiet führten bald zu breiteren Anwendungen. Sie sind heute in Haushaltsprodukten wie Satellitenschüsseln und Mobiltelefonen zu finden.

Ein Tiefpassfilter als konventionelle diskrete Bauelemente auf einer Leiterplatte (links) und als Distributed-Elemente-Design auf der Leiterplatte selbst (rechts)

Schaltungsmodellierung

Distributed-Element-Schaltungen werden mit dem Distributed-Element-Modell entworfen , einer Alternative zum Lumped-Element-Modell, bei dem angenommen wird, dass die passiven elektrischen Elemente des elektrischen Widerstands , der Kapazität und der Induktivität an einem Punkt im Raum in einem Widerstand "zusammengebündelt" sind. Kondensator bzw. Induktivität . Das Modell der verteilten Elemente wird verwendet, wenn diese Annahme nicht mehr gilt und diese Eigenschaften als im Raum verteilt betrachtet werden. Die Annahme bricht zusammen, wenn elektromagnetische Wellen eine beträchtliche Zeit haben , um von einem Anschluss einer Komponente zum anderen zu wandern; "signifikant" bedeutet in diesem Zusammenhang genügend Zeit für einen spürbaren Phasenwechsel . Der Betrag der Phasenänderung hängt von der Frequenz der Welle ab (und umgekehrt von der Wellenlänge ). Eine gängige Faustregel unter Ingenieuren ist der Wechsel vom konzentrierten zum verteilten Modell, wenn die Entfernungen mehr als ein Zehntel einer Wellenlänge betragen (eine Phasenänderung von 36°). Das konzentrierte Modell versagt bei einer Viertelwellenlänge (einer 90°-Phasenänderung) vollständig, wobei nicht nur der Wert, sondern auch die Beschaffenheit der Komponente nicht wie vorhergesagt ist. Aufgrund dieser Wellenlängenabhängigkeit wird das Modell mit verteilten Elementen meist bei höheren Frequenzen verwendet; bei niedrigen Frequenzen sind Komponenten mit verteilten Elementen zu sperrig. Verteilte Designs sind ab 300 MHz möglich und bei Mikrowellenfrequenzen über 1 GHz die Technologie der Wahl .

Es gibt keine klare Abgrenzung in der Häufigkeit, mit der diese Modelle verwendet werden sollten. Obwohl die Umstellung normalerweise irgendwo im Bereich von 100 bis 500 MHz liegt, ist auch der technologische Umfang von Bedeutung; miniaturisierte Schaltungen können das konzentrierte Modell bei einer höheren Frequenz verwenden. Leiterplatten (PCBs) mit Durchgangsloch-Technologie sind größer als vergleichbare Designs mit Oberflächenmontage-Technologie . Integrierte Hybridschaltkreise sind kleiner als PCB-Technologien, und monolithische integrierte Schaltkreise sind kleiner als beide. Integrierte Schaltungen können konzentrierte Designs bei höheren Frequenzen verwenden als gedruckte Schaltungen, und dies wird in einigen integrierten Hochfrequenzschaltungen durchgeführt . Diese Wahl ist besonders für Handgeräte von Bedeutung, da Konstruktionen mit konzentrierten Elementen im Allgemeinen zu einem kleineren Produkt führen.

Bau mit Übertragungsleitungen

Frequenzgang eines Tschebyscheff-Filters fünfter Ordnung , aufgebaut aus konzentrierten (oben) und verteilten Komponenten (unten)

Die überwiegende Mehrheit der Schaltungen mit verteilten Elementen besteht aus Längen von Übertragungsleitungen , eine besonders einfach zu modellierende Form. Die Querschnittsabmessungen der Leitung sind entlang ihrer Länge unveränderlich und klein im Vergleich zur Signalwellenlänge; daher muss nur die Verteilung entlang der Länge der Linie berücksichtigt werden. Ein solches Element einer verteilten Schaltung ist vollständig durch seine Länge und seine charakteristische Impedanz gekennzeichnet . Eine weitere Vereinfachung ergibt sich bei entsprechenden Leitungskreisen , bei denen alle Elemente gleich lang sind. Mit entsprechenden Schaltungen kann ein Prototyp eines konzentrierten Schaltungsentwurfs , der aus Kondensatoren und Induktoren besteht, direkt in eine verteilte Schaltung mit einer Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den Elementen jeder Schaltung umgewandelt werden.

Entsprechende Leitungsschaltungen sind wichtig, weil eine Entwurfstheorie zu ihrer Herstellung existiert; es gibt keine allgemeine Theorie für Schaltungen, die aus beliebigen Längen von Übertragungsleitungen (oder beliebigen Formen) bestehen. Obwohl eine beliebige Form mit den Maxwell-Gleichungen analysiert werden kann , um ihr Verhalten zu bestimmen, ist das Finden nützlicher Strukturen eine Frage von Versuch und Irrtum oder Vermutungen.

Ein wichtiger Unterschied zwischen Schaltungen mit verteilten Elementen und Schaltungen mit konzentrierten Elementen besteht darin, dass sich der Frequenzgang einer verteilten Schaltung periodisch wiederholt, wie im Beispiel des Chebyshev-Filters gezeigt ; die äquivalente konzentrierte Schaltung nicht. Dies ist ein Ergebnis der Übertragungsfunktion von lumped bildet eine ist rationale Funktion der komplexen Frequenz ; verteilte Formen sind eine irrationale Funktion. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass kaskadierte Leitungslängen eine feste Verzögerung bei allen Frequenzen einführen (unter der Annahme einer idealen Leitung ). Es gibt kein Äquivalent in konzentrierten Schaltungen für eine feste Verzögerung, obwohl eine Annäherung für einen begrenzten Frequenzbereich konstruiert werden könnte.

Vorteile und Nachteile

Schaltungen mit verteilten Elementen sind in einigen Formaten billig und einfach herzustellen, benötigen jedoch mehr Platz als Schaltungen mit konzentrierten Elementen. Dies ist bei mobilen Geräten (insbesondere Handheld-Geräten) problematisch, bei denen der Platz knapp ist. Wenn die Betriebsfrequenzen nicht zu hoch sind, kann der Entwickler Komponenten miniaturisieren, anstatt auf verteilte Elemente umzusteigen. Jedoch sind parasitäre Elemente und Widerstandsverluste in konzentrierten Komponenten mit zunehmender Frequenz im Verhältnis zum Nennwert der konzentrierten Elementimpedanz größer. In einigen Fällen können Designer ein Design mit verteilten Elementen wählen (selbst wenn konzentrierte Komponenten bei dieser Frequenz verfügbar sind), um von einer verbesserten Qualität zu profitieren . Konstruktionen mit verteilten Elementen haben in der Regel eine größere Belastbarkeit; Bei einem konzentrierten Bauteil wird die gesamte Energie, die durch einen Kreislauf geleitet wird, in einem kleinen Volumen konzentriert.

Medien

Gepaarte Leiter

Es gibt mehrere Typen von Übertragungsleitungen, und jeder von ihnen kann verwendet werden, um Schaltungen mit verteilten Elementen aufzubauen. Das älteste (und immer noch am weitesten verbreitete) ist ein Dirigentenpaar; seine häufigste Form ist Twisted Pair , die für Telefonleitungen und Internetverbindungen verwendet wird. Es wird nicht oft für Schaltungen mit verteilten Elementen verwendet, da die verwendeten Frequenzen niedriger sind als der Punkt, an dem Entwürfe mit verteilten Elementen vorteilhaft werden. Designer beginnen jedoch häufig mit einem konzentrierten Elementdesign und wandeln es in ein Open-Wire-Distributed-Elemente-Design um. Offener Draht ist ein Paar paralleler, nicht isolierter Leiter, die beispielsweise für Telefonleitungen an Telegrafenmasten verwendet werden . Der Designer beabsichtigt normalerweise nicht, die Schaltung in dieser Form zu implementieren; es ist ein Zwischenschritt im Designprozess. Verteiltes-Element Designs mit Leiterpaare sind auf wenige spezielle Anwendungen beschränkt, wie Lecher Linien und dem zweiadrigen für verwendete Antennenspeiseleitungen .

Koaxial

Eine Sammlung koaxialer Richtkoppler . Eines hat die Abdeckung entfernt und zeigt seine innere Struktur.

Koaxialleitung , ein von einem isolierten Abschirmleiter umgebener Mittelleiter, wird häufig zum Verbinden von Einheiten von Mikrowellengeräten und für Übertragungen über größere Entfernungen verwendet. Obwohl koaxiale Bauelemente mit verteilten Elementen üblicherweise in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts hergestellt wurden, wurden sie in vielen Anwendungen aus Kosten- und Größengründen durch planare Formen ersetzt. Air- dielektrische Koaxialleitung ist für eine verlustarme und Hochleistungsanwendungen verwendet. Verteiltes-Elementschaltungen in anderen Medienübergang nach wie vor allgemein Koaxialsteckverbinder an den Schaltungs Anschlüsse für Zusammenschaltungszwecken.

Planar

Die meisten modernen Schaltungen mit verteilten Elementen verwenden planare Übertragungsleitungen, insbesondere solche in massenproduzierten Konsumgütern. Es gibt verschiedene Formen von planaren Linien, aber die Art, die als Mikrostreifen bekannt ist, ist die gebräuchlichste. Sie kann nach dem gleichen Verfahren wie gedruckte Leiterplatten hergestellt werden und ist daher kostengünstig herzustellen. Es eignet sich auch für die Integration mit konzentrierten Schaltkreisen auf derselben Platine. Andere Formen gedruckter planarer Leitungen umfassen Streifenleitung , Rippenleitung und viele Variationen. Planare Leitungen können auch in monolithischen integrierten Mikrowellenschaltungen verwendet werden , wo sie integraler Bestandteil des Gerätechips sind.

Wellenleiter

Ein Wellenleiterfilter

Viele Designs mit verteilten Elementen können direkt in Wellenleiter implementiert werden. Bei Wellenleitern gibt es jedoch eine zusätzliche Komplikation, da mehrere Moden möglich sind. Diese existieren manchmal gleichzeitig, und diese Situation hat keine Analogie zu Leiterbahnen. Wellenleiter haben die Vorteile geringerer Verluste und Resonatoren höherer Qualität gegenüber leitenden Leitungen, aber ihre relativen Kosten und ihr Volumen bedeuten, dass Mikrostreifen oft bevorzugt werden. Waveguide findet hauptsächlich Verwendung in High-End-Produkten, wie Hochleistungs-Militärradaren und den oberen Mikrowellenbändern (wo planare Formate zu verlustbehaftet sind). Der Wellenleiter wird mit niedrigerer Frequenz sperriger, was seiner Verwendung in den unteren Bändern entgegensteht.

Mechanisch

In einigen wenigen Spezialanwendungen, wie den mechanischen Filtern in High-End-Funksendern (Marine, Militär, Amateurfunk), können elektronische Schaltungen als mechanische Komponenten realisiert werden; dies geschieht hauptsächlich wegen der hohen Qualität der mechanischen Resonatoren. Sie werden im Hochfrequenzband (unterhalb der Mikrowellenfrequenzen) verwendet, wo sonst Wellenleiter verwendet werden könnten. Mechanische Schaltungen können auch ganz oder teilweise als Schaltungen mit verteilten Elementen implementiert werden. Die Häufigkeit, mit der der Übergang zum Design mit verteilten Elementen möglich (oder notwendig) wird, ist bei mechanischen Schaltungen viel geringer. Dies liegt daran, dass die Geschwindigkeit, mit der Signale durch mechanische Medien wandern, viel geringer ist als die Geschwindigkeit elektrischer Signale.

Schaltungskomponenten

Es gibt mehrere Strukturen, die wiederholt in Schaltungen mit verteilten Elementen verwendet werden. Einige der häufigsten werden im Folgenden beschrieben.

Stub

Eine Stichleitung ist eine kurze Leitungslänge, die seitlich von einer Hauptleitung abzweigt. Das Ende der Stichleitung wird oft offen oder kurzgeschlossen gelassen, kann aber auch mit einem konzentrierten Bauteil abgeschlossen werden. Eine Stichleitung kann allein verwendet werden (z. B. zur Impedanzanpassung ), oder mehrere davon können zusammen in einer komplexeren Schaltung wie einem Filter verwendet werden. Eine Stichleitung kann als Äquivalent eines konzentrierten Kondensators, einer Induktivität oder eines Resonators entworfen werden.

Butterfly Stumpffilter

Abweichungen von der Konstruktion mit einheitlichen Übertragungsleitungen in Schaltungen mit verteilten Elementen sind selten. Eine solche, weit verbreitete Abweichung ist die radiale Stichleitung, die wie ein Kreissektor geformt ist . Sie werden oft paarweise verwendet, einer auf jeder Seite der Hauptübertragungsleitung. Solche Paare werden Butterfly- oder Bowtie-Stubs genannt.

Gekoppelte Leitungen

Gekoppelte Leitungen sind zwei Übertragungsleitungen, zwischen denen eine gewisse elektromagnetische Kopplung besteht . Die Kopplung kann direkt oder indirekt erfolgen. Bei der indirekten Kopplung werden die beiden Leitungen über eine Strecke ohne Abschirmung eng zusammengeführt. Die Stärke der Kopplung hängt vom Abstand zwischen den Leitungen und dem Querschnitt der anderen Leitung ab. Bei der direkten Kopplung verbinden Stichleitungen die beiden Hauptleitungen in Abständen direkt miteinander.

Gekoppelte Leitungen sind ein übliches Verfahren zum Bauen von Leistungsteilern und Richtkopplern . Eine weitere Eigenschaft gekoppelter Leitungen besteht darin, dass sie wie ein Paar gekoppelter Resonatoren wirken . Diese Eigenschaft wird in vielen Filtern mit verteilten Elementen verwendet.

Kaskadierte Leitungen

Ein Orthomode-Wandler (eine Vielzahl von Duplexern ) mit gestufter Impedanzanpassung

Kaskadierte Leitungen sind Längen von Übertragungsleitungen, bei denen der Ausgang einer Leitung mit dem Eingang der nächsten verbunden ist. Mehrere kaskadierte Leitungen mit unterschiedlichen charakteristischen Impedanzen können verwendet werden, um ein Filter oder ein Breitband-Impedanzanpassungsnetzwerk aufzubauen. Dies wird als gestufte Impedanzstruktur bezeichnet. Eine einzelne kaskadierte Leitung mit einer Länge von einer Viertelwellenlänge bildet einen Viertelwellenimpedanztransformator . Dies hat die nützliche Eigenschaft, jedes Impedanznetzwerk in sein duales umzuwandeln ; in dieser Rolle wird es als Impedanzinverter bezeichnet. Diese Struktur kann in Filtern verwendet werden, um einen konzentrierten Elementprototyp in Leitertopologie als eine Schaltung mit verteilten Elementen zu implementieren . Um dies zu erreichen, werden die Viertelwellentransformatoren mit einem Resonator mit verteilten Elementen abgewechselt. Dies ist jedoch jetzt ein veraltetes Design; Stattdessen werden kompaktere Wechselrichter, wie die Impedanzstufe, verwendet. Eine Impedanzstufe ist die Diskontinuität, die an der Verbindungsstelle von zwei kaskadierten Übertragungsleitungen mit unterschiedlichen charakteristischen Impedanzen gebildet wird.

Hohlraumresonator

Ein Hohlraumresonator ist ein leerer (oder manchmal mit Dielektrikum gefüllter) Raum, der von leitenden Wänden umgeben ist. Öffnungen in den Wänden koppeln den Resonator mit dem Rest der Schaltung. Resonanz tritt aufgrund von elektromagnetischen Wellen auf, die von den Hohlraumwänden hin und her reflektiert werden und stehende Wellen erzeugen . Hohlraumresonatoren können in vielen Medien verwendet werden, werden aber am natürlichsten im Wellenleiter aus den bereits vorhandenen Metallwänden des Leiters gebildet.

Dielektrischer Resonator

Ein dielektrischer Resonator ist ein Stück dielektrischen Materials, das elektromagnetischen Wellen ausgesetzt ist. Es hat meistens die Form eines Zylinders oder einer dicken Scheibe. Obwohl Hohlraumresonatoren mit Dielektrikum gefüllt werden können, besteht der wesentliche Unterschied darin, dass bei Hohlraumresonatoren das elektromagnetische Feld vollständig in den Hohlraumwänden enthalten ist. Ein dielektrischer Resonator hat ein gewisses Feld im umgebenden Raum. Dies kann zu einer unerwünschten Kopplung mit anderen Komponenten führen. Der Hauptvorteil dielektrischer Resonatoren besteht darin, dass sie erheblich kleiner sind als der entsprechende luftgefüllte Hohlraum.

Wendelresonator

Eine spiralförmige Resonator eine Helix aus Draht in einem Hohlraum; ein Ende ist nicht verbunden und das andere ist mit der Hohlraumwand verbunden. Obwohl sie oberflächlich konzentrierten Induktoren ähnlich sind, sind Spiralresonatoren Komponenten mit verteilten Elementen und werden in den VHF- und unteren UHF- Bändern verwendet.

Fraktale

Drei-Iteration Hilbert fraktaler Resonator in Mikrostreifen

Die Verwendung von fraktalen -ähnlichen Kurven als Schaltungskomponente ein Schwellenfeld in distributed-Elementschaltungen. Fraktale wurden verwendet, um Resonatoren für Filter und Antennen herzustellen. Einer der Vorteile der Verwendung von Fraktalen ist ihre raumfüllende Eigenschaft, die sie kleiner als andere Designs macht. Weitere Vorteile sind die Fähigkeit zur Herstellung von breitbandigen und Multi-Band - Design, gute In-Band - Leistung und eine gute out-of-Band Ablehnung. In der Praxis kann kein echtes Fraktal erstellt werden, da bei jeder fraktalen Iteration die Herstellungstoleranzen enger werden und schließlich größer sind, als das Konstruktionsverfahren erreichen kann. Nach einer kleinen Anzahl von Iterationen kommt die Leistung jedoch der eines echten Fraktales nahe. Diese können Präfraktale oder Fraktale endlicher Ordnung genannt werden, wenn es notwendig ist, von einem echten Fraktal zu unterscheiden.

Fraktale , die als Schaltungskomponente verwendet wurden , umfassen die Koch - Schneeflocke , die Minkowski - Insel , die Sierpiński - Kurve , die Hilbert - Kurve und die Peano - Kurve . Die ersten drei sind geschlossene Kurven, geeignet für Patchantennen. Die beiden letzteren sind offene Kurven mit Enden auf gegenüberliegenden Seiten des Fraktales. Dadurch eignen sie sich für den Einsatz, wo eine Verbindung in Kaskade erforderlich ist.

Kegel

Ein Taper ist eine Übertragungsleitung mit einer allmählichen Querschnittsänderung. Sie kann als Grenzfall der gestuften Impedanzstruktur mit unendlich vielen Stufen angesehen werden. Taper sind eine einfache Möglichkeit, zwei Übertragungsleitungen mit unterschiedlichen charakteristischen Impedanzen zu verbinden. Die Verwendung von Verjüngungen reduziert die Nichtübereinstimmungseffekte, die eine direkte Verbindung verursachen würde, erheblich. Wenn die Querschnittsänderung nicht zu groß ist, kann keine andere Anpassungsschaltung erforderlich sein. Verjüngungen können Übergänge zwischen Linien in verschiedenen Medien bereitstellen , insbesondere in verschiedenen Formen von planaren Medien. Verjüngungen ändern im Allgemeinen ihre Form linear, aber eine Vielzahl anderer Profile kann verwendet werden. Das Profil, das in kürzester Länge eine vorgegebene Übereinstimmung erreicht, wird als Klopfenstein-Kegel bezeichnet und basiert auf dem Chebychev-Filterdesign .

Taper können verwendet werden, um eine Übertragungsleitung an eine Antenne anzupassen. Bei einigen Designs, wie der Hornantenne und der Vivaldi-Antenne , ist die Verjüngung selbst die Antenne. Hornantennen sind wie andere Taper oft linear, aber die beste Anpassung wird mit einer exponentiellen Kurve erzielt. Die Vivaldi-Antenne ist eine flache (Schlitz-)Version der exponentiellen Verjüngung.

Verteilter Widerstand

Widerstandselemente sind in einer Schaltung mit verteilten Elementen im Allgemeinen nicht nützlich. Allerdings verteilte Widerstände können in verwendet werden , Dämpfungsglieder und Leitungsabschlüsse . In planaren Medien können sie als mäanderförmige Linie aus hochohmigem Material oder als abgeschiedener Patch aus Dünnschicht- oder Dickschichtmaterial realisiert werden. Bei einem Wellenleiter kann eine Karte aus mikrowellenabsorbierendem Material in den Wellenleiter eingeführt werden.

Schaltungsblöcke

Filter und Impedanzanpassung

Microstrip -Bandpass- Haarnadelfilter (links), gefolgt von einem Tiefpass- Stichfilter

Filter sind ein großer Prozentsatz von Schaltungen, die mit verteilten Elementen aufgebaut sind. Für ihren Aufbau werden verschiedenste Strukturen verwendet, darunter Stichleitungen, gekoppelte Leitungen und kaskadierte Leitungen. Variationen umfassen Interdigitalfilter, Kombifilter und Haarnadelfilter. Neuere Entwicklungen umfassen fraktale Filter. Viele Filter werden in Verbindung mit dielektrischen Resonatoren konstruiert .

Wie bei Filtern mit konzentrierten Elementen gilt: Je mehr Elemente verwendet werden, desto näher kommt der Filter einem idealen Ansprechverhalten ; die Struktur kann recht komplex werden. Für einfache schmalbandige Anforderungen kann ein einzelner Resonator ausreichen (wie beispielsweise ein Stub- oder Spurline-Filter ).

Die Impedanzanpassung für Schmalbandanwendungen wird häufig mit einer einzigen Anpassungsstichleitung erreicht. Für Breitbandanwendungen nimmt das Impedanzanpassungsnetzwerk jedoch ein filterähnliches Design an. Der Designer schreibt einen erforderlichen Frequenzgang vor und entwirft einen Filter mit diesem Frequenzgang. Der einzige Unterschied zu einem Standardfilterdesign besteht darin, dass sich Quell- und Lastimpedanz des Filters unterscheiden.

Leistungsteiler, Combiner und Richtkoppler

Microstrip-Sägezahn-Richtkoppler, eine Variante des Richtkopplers mit gekoppelten Leitungen

Ein Richtkoppler ist ein Gerät mit vier Anschlüssen, das in eine Richtung fließende Leistung von einem Pfad zu einem anderen koppelt. Zwei der Ports sind die Eingangs- und Ausgangsports der Hauptleitung. Ein Teil des Stroms, der in den Eingangsport eintritt, wird an einen dritten Port gekoppelt , der als gekoppelter Port bekannt ist . Kein Strom, der in den Eingangsport eindringt, wird an den vierten Port gekoppelt, der normalerweise als isolierter Port bekannt ist . Für Strom, der in umgekehrter Richtung fließt und in den Ausgangsanschluss eintritt, tritt eine reziproke Situation auf; etwas Leistung wird an den isolierten Port gekoppelt, aber keine wird an den gekoppelten Port gekoppelt.

Ein Leistungsteiler wird oft als Richtkoppler konstruiert, wobei der isolierte Port permanent in einer angepassten Last abgeschlossen ist (was ihn effektiv zu einem Gerät mit drei Ports macht). Es gibt keinen wesentlichen Unterschied zwischen den beiden Geräten. Der Begriff Richtkoppler wird normalerweise verwendet, wenn der Kopplungsfaktor (der Anteil der Leistung, der den gekoppelten Anschluss erreicht) niedrig ist, und Leistungsteiler, wenn der Kopplungsfaktor hoch ist. Ein Leistungskombinierer ist einfach ein Leistungsteiler, der umgekehrt verwendet wird. In Implementierungen mit verteilten Elementen, die gekoppelte Leitungen verwenden, sind indirekt gekoppelte Leitungen besser geeignet für Richtungskoppler mit geringer Kopplung; Direkt gekoppelte Stichleitungskoppler sind eher für hochkoppelnde Leistungsteiler geeignet.

Designs mit verteilten Elementen beruhen auf einer Elementlänge von einer Viertelwellenlänge (oder einer anderen Länge); dies gilt nur für eine Frequenz. Einfache Designs haben daher eine begrenzte Bandbreite, über die sie erfolgreich funktionieren. Wie bei Impedanzanpassungsnetzwerken erfordert ein Breitbanddesign mehrere Abschnitte und das Design beginnt, einem Filter zu ähneln.

Hybriden

Hybridring zur Erzeugung von Summen- und Differenzsignalen

Ein Richtkoppler, der die Leistung gleichmäßig zwischen den Ausgangs- und gekoppelten Ports aufteilt (ein 3- dB- Koppler), wird als Hybrid bezeichnet . Obwohl sich "Hybrid" ursprünglich auf einen Hybridtransformator (ein konzentriertes Gerät, das in Telefonen verwendet wird) bezog, hat es jetzt eine breitere Bedeutung. Ein weit verbreiteter Hybrid mit verteilten Elementen, der keine gekoppelten Leitungen verwendet, ist der Hybrid-Ring- oder Rat-Race-Koppler . Jeder seiner vier Ports ist an einem anderen Punkt mit einem Ring einer Übertragungsleitung verbunden. Wellen bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen um den Ring herum und bilden stehende Wellen . An einigen Punkten des Rings führt destruktive Interferenz zu einer Null; an diesem Punkt wird kein Strom einen Port verlassen. An anderen Punkten maximiert konstruktive Interferenz die übertragene Leistung.

Eine andere Verwendung für einen Hybridkoppler besteht darin, die Summe und Differenz von zwei Signalen zu erzeugen. In der Abbildung werden an den mit 1 und 2 gekennzeichneten Ports zwei Eingangssignale eingespeist. An dem mit gekennzeichneten Port erscheint die Summe der beiden Signale, an dem mit Δ gekennzeichneten Port die Differenz. Zusätzlich zu ihrer Verwendung als Kopplern und Leistungsteilern, Richtkopplern kann verwendet werden in abgeglichene Mischer , Frequenzdiskriminatoren , Dämpfungsglieder , Phasenschiebern und Antennenanordnung Speisenetzen.

Umwälzpumpen

Ein koaxialer Ferrit-Zirkulator, der bei 1 GHz arbeitet

Ein Zirkulator ist normalerweise ein Gerät mit drei oder vier Anschlüssen, bei dem die Leistung, die in einen Anschluss eindringt, in Rotation auf den nächsten Anschluss übertragen wird, als ob er um einen Kreis kreise. Der Strom kann nur in eine Richtung um den Kreis fließen (im oder gegen den Uhrzeigersinn), und es wird kein Strom an einen der anderen Anschlüsse übertragen. Die meisten Zirkulatoren mit verteilten Elementen basieren auf Ferritmaterialien . Zirkulatoren werden unter anderem als Isolator verwendet , um einen Sender (oder eine andere Ausrüstung) vor Schäden aufgrund von Reflexionen von der Antenne zu schützen, und als Duplexer , der die Antenne, den Sender und den Empfänger eines Funksystems verbindet.

Eine ungewöhnliche Anwendung eines Zirkulators ist in einem Reflexionsverstärker , wo der negative Widerstand einer Gunn-Diode verwendet wird, um mehr Leistung zurückzureflektieren, als sie empfangen hat. Der Zirkulator wird verwendet, um die Eingangs- und Ausgangsleistungsflüsse zu getrennten Anschlüssen zu leiten.

Passive Schaltkreise, sowohl zusammengefasste als auch verteilte, sind fast immer reziprok ; jedoch sind Umwälzpumpen eine Ausnahme. Es gibt mehrere gleichwertige Möglichkeiten, Reziprozität zu definieren oder darzustellen. Ein geeigneter für Schaltungen bei Mikrowellenfrequenzen (bei denen Schaltungen mit verteilten Elementen verwendet werden) ist in Bezug auf ihre S-Parameter . Eine reziproke Schaltung hat eine S-Parameter-Matrix [ S ], die symmetrisch ist . Aus der Definition einer Umwälzpumpe ist klar, dass dies nicht der Fall sein wird,

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

für einen idealen Zirkulator mit drei Anschlüssen, was zeigt, dass Zirkulatoren per Definition nicht reziprok sind. Daraus folgt, dass es unmöglich ist, einen Zirkulator aus standardmäßigen passiven Komponenten (zusammengesetzt oder verteilt) zu bauen. Das Vorhandensein eines Ferrits oder eines anderen nicht reziproken Materials oder Systems ist für die Funktion des Geräts unerlässlich.

Aktive Komponenten

Mikrostreifenschaltung mit diskreten Transistoren in Miniaturgehäusen zur Oberflächenmontage , Kondensatoren und Widerständen in Chipform und Vorspannungsfiltern als verteilte Elemente

Verteilte Elemente sind normalerweise passiv, aber die meisten Anwendungen erfordern in gewisser Weise aktive Komponenten. Eine integrierte Mikrowellen- Hybridschaltung verwendet verteilte Elemente für viele passive Komponenten, aber aktive Komponenten (wie Dioden , Transistoren und einige passive Komponenten) sind diskret. Die aktiven Komponenten können verpackt werden, oder sie können in Chipform ohne individuelles Verpacken auf dem Substrat platziert werden, um die Größe zu reduzieren und verpackungsinduzierte Parasiten zu eliminieren .

Verteilte Verstärker bestehen aus einer Reihe von Verstärkervorrichtungen (normalerweise FETs ), wobei alle ihre Eingänge über eine Übertragungsleitung und alle ihre Ausgänge über eine andere Übertragungsleitung verbunden sind. Die Längen der beiden Leitungen müssen zwischen jedem Transistor gleich sein, damit die Schaltung richtig funktioniert, und jeder Transistor trägt zum Ausgang des Verstärkers bei. Dies unterscheidet sich von einem herkömmlichen mehrstufigen Verstärker , bei dem die Verstärkung mit der Verstärkung jeder Stufe multipliziert wird. Obwohl ein verteilter Verstärker eine geringere Verstärkung als ein herkömmlicher Verstärker mit der gleichen Anzahl von Transistoren hat, hat er eine deutlich größere Bandbreite. Bei einem herkömmlichen Verstärker wird die Bandbreite um jede zusätzliche Stufe reduziert; in einem verteilten Verstärker entspricht die Gesamtbandbreite der Bandbreite einer einzelnen Stufe. Verteilte Verstärker werden verwendet, wenn ein einzelner großer Transistor (oder ein komplexer Mehrtransistor-Verstärker) zu groß wäre, um als konzentrierte Komponente behandelt zu werden; die Verbindungsleitungen trennen die einzelnen Transistoren.

Geschichte

Oliver Heaviside

Die Modellierung mit verteilten Elementen wurde erstmals 1881 von Oliver Heaviside in der elektrischen Netzwerkanalyse verwendet . Heaviside verwendete sie, um eine korrekte Beschreibung des Verhaltens von Signalen auf dem transatlantischen Telegrafenkabel zu finden . Die Übertragung des frühen transatlantischen Telegrafen war aufgrund der Streuung schwierig und langsam , ein Effekt, der zu dieser Zeit nicht gut verstanden wurde. Heavisides Analyse, heute bekannt als Telegraphengleichungen , identifizierte das Problem und schlug Methoden vor, es zu überwinden . Es bleibt die Standardanalyse von Übertragungsleitungen.

Warren P. Mason untersuchte als erster die Möglichkeit von Schaltungen mit verteilten Elementen und meldete 1927 ein Patent für einen nach dieser Methode konstruierten Koaxialfilter an. Mason und Sykes veröffentlichten 1937 das endgültige Papier über die Methode. Mason war auch der erste, der in seiner Doktorarbeit von 1927 ein akustisches Filter mit verteilten Elementen und ein 1941 eingereichtes Patent einen mechanischen Filter mit verteilten Elementen vorschlug. Masons Arbeit war betroffen mit der koaxialen Form und anderen leitenden Drähten, obwohl vieles davon auch für Wellenleiter angepasst werden könnte. Die akustischen Arbeiten standen an erster Stelle, und Masons Kollegen in der Funkabteilung der Bell Labs baten ihn, bei Koaxial- und Wellenleiterfiltern zu helfen.

Vor dem Zweiten Weltkrieg gab es wenig Nachfrage nach Schaltungen mit verteilten Elementen; die für Funkübertragungen verwendeten Frequenzen waren niedriger als der Punkt, an dem verteilte Elemente vorteilhaft wurden. Niedrigere Frequenzen hatten eine größere Reichweite, eine Hauptüberlegung für Rundfunkzwecke . Diese Frequenzen erfordern für einen effizienten Betrieb lange Antennen, was zu Arbeiten an höherfrequenten Systemen führte. Ein wichtiger Durchbruch war die Einführung des Cavity-Magnetrons im Jahr 1940, das im Mikrowellenband arbeitete und zu Radargeräten führte, die klein genug waren, um in Flugzeugen installiert zu werden. Es folgte ein Sprung in der Entwicklung von Filtern mit verteilten Elementen, wobei Filter ein wesentlicher Bestandteil von Radaren sind. Der Signalverlust bei koaxialen Komponenten führte zum ersten weit verbreiteten Einsatz von Wellenleitern, wodurch die Filtertechnologie vom koaxialen Bereich in den Wellenleiterbereich erweitert wurde.

Aus Sicherheitsgründen blieb das Kriegswerk bis nach dem Krieg meist unveröffentlicht, was die Verantwortung für die jeweilige Entwicklung erschwerte. Ein wichtiges Zentrum für diese Forschung war das MIT Radiation Laboratory (Rad Lab), aber auch anderswo in den USA und Großbritannien wurde gearbeitet. Die Arbeit von Rad Lab wurde von Fano und Lawson veröffentlicht. Eine weitere Kriegsentwicklung war der Hybridring. Diese Arbeit wurde bei Bell Labs durchgeführt und nach dem Krieg von WA Tyrrell veröffentlicht. Tyrrell beschreibt Hybridringe, die in Waveguide implementiert sind, und analysiert sie im Hinblick auf das bekannte Waveguide Magic Tee . Andere Forscher veröffentlichten bald koaxiale Versionen dieses Geräts.

George Matthaei leitete eine Forschungsgruppe am Stanford Research Institute, zu der auch Leo Young gehörte, und war für viele Filterdesigns verantwortlich. Matthaei beschrieb zuerst das Interdigitalfilter und das Kammlinienfilter. Die Arbeit der Gruppe wurde in einem bahnbrechenden Buch von 1964 veröffentlicht, das den damaligen Stand des Entwurfs von Schaltungen mit verteilten Elementen behandelt, das viele Jahre lang ein wichtiges Nachschlagewerk blieb.

Planare Formate wurden mit der Erfindung der Streifenleitung durch Robert M. Barrett verwendet . Obwohl Stripline eine weitere Erfindung aus Kriegszeiten war, wurden ihre Details erst 1951 veröffentlicht. Microstrip , 1952 erfunden, wurde ein kommerzieller Rivale von Stripline; Planare Formate wurden jedoch nicht in Mikrowellenanwendungen weit verbreitet, bis in den 1960er Jahren bessere dielektrische Materialien für die Substrate zur Verfügung standen. Eine andere Struktur, die auf bessere Materialien warten musste, war der dielektrische Resonator. Seine Vorteile (kompakte Größe und hohe Qualität) wurden erstmals 1939 von RD Richtmeyer aufgezeigt, aber erst in den 1970er Jahren wurden Materialien mit guter Temperaturbeständigkeit entwickelt. Dielektrische Resonatorfilter sind heute in Wellenleiter- und Übertragungsleitungsfiltern üblich.

Wichtige theoretische Entwicklungen enthalten Paul I. Richards ' angemessene Linientheorie , die im Jahr 1948 veröffentlicht wurde, und Kuroda Identitäten , eine Reihe von Transformationen , die einige praktische Einschränkungen von Richards Theorie überwanden, veröffentlicht von Kuroda 1955. Laut Nathan Cohen, der Log- Die periodische Antenne , die 1957 von Raymond DuHamel und Dwight Isbell erfunden wurde , sollte als die erste fraktale Antenne angesehen werden. Allerdings wurde seine selbstähnliche Natur und damit seine Beziehung zu Fraktalen damals vermisst. Sie wird normalerweise immer noch nicht als fraktale Antenne eingestuft. Cohen war der erste, der die Klasse der fraktalen Antennen explizit identifizierte, nachdem er 1987 von einem Vortrag von Benoit Mandelbrot inspiriert worden war , aber er konnte erst 1995 eine Veröffentlichung veröffentlichen.

Verweise

Literaturverzeichnis

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