分佈元件電路

分佈元件電路實現常規元件的微波頻率。常規電路由單獨製造的單個元件組成，然後與導電介質連線在一起。分散式元件電路是透過將介質本身形成特定的圖案而構建的。分散式元件電路的主要優點是，它們可以廉價地生產為消費產品的印刷電路板 。它們還以同軸和波導格式製成，用於雷達 ， 衛星通訊和微波鏈路等應用 。分散式元件電路中普遍使用的一種現象是，可以使傳輸線的長度起到諧振器的作用 。執行此操作的分散式元素元件包括樁 ， 耦合線和級聯線。由這些元件構成的電路包括濾波器 ， 功率分配器，定向耦合器和迴圈器 。在1920年代和1930年代研究了分散式單元電路，但直到第二次世界大戰將其用於雷達時才變得重要。戰後，它們的使用僅限於軍事，太空和廣播基礎設施，但是該領域材料科學的進步很快導致了更廣泛的應用。現在，它們可以在衛星天線和行動電話之類的國內產品中找到。電路建模.這些模型的使用頻率沒有明確的界限。 雖然這種轉換通常在100-500兆赫範圍內，但是技術尺寸也很重要; 微型電路可以在更高的頻率下使用集總模型。 使用插入式封裝的印刷電路板比使用表面貼裝技術的等效設計要大。 混合積體電路比 PCB 技術小，單片積體電路比兩者都小。 積體電路可以使用集總設計在更高的頻率比印刷電路，這是做在一些射頻積體電路。 這種選擇對於手持裝置尤其重要，因為集中元件設計通常會產生較小的產品。傳輸線構造.絕大多數的分散式元件電路由傳輸線的長度組成，這是一種特別簡單的建模形式。線的橫截面尺寸沿其長度不變，並且與訊號波長相比較小；因此，僅需考慮沿線長度的分佈。分散式電路的這種元件的特徵在於其長度和特性阻抗 。在所有元件長度相同的相應線路中 ，進一步簡化了操作。利用相稱的電路，可以將包含電容器和電感器的集總電路設計原型直接轉換為分散式電路，並且每個電路的元素之間一一對應。相稱的線路電路很重要，因為存在生產線路的設計理論。對於由任意長度的傳輸線組成的電路，沒有通用的理論。儘管可以使用麥克斯韋方程式分析任意形狀以確定其行為，但是找到有用的結構卻是反覆試驗或猜測的問題。分散式元件電路和集總元件電路之間的重要區別在於，分散式電路的頻率響應會定期重複，如Chebyshev濾波器示例所示。等效集總電路則不然。這是集總形式的傳遞 函式是複頻率的有理函式的結果;分佈形式是一種非理性的功能。另一個區別是線的級聯長度在所有頻率上都引入了固定的延遲。儘管可以為有限的頻率範圍構建近似值，但固定延遲的集總電路中沒有等效器件。優點和缺點.分散式元件電路便宜且易於以某些格式製造，但是比集總元件電路佔用更多的空間。這在空間非常寶貴的移動裝置也可以從提高的質量中受益。分散式元件設計往往具有更大的功率處理能力；由於具有集總成分，電路傳遞的所有能量都集中在很小的體積中。導體.成對導體.存在幾種型別的傳輸線，並且它們中的任何一種都可以用於構造分散式單元電路。最古老是一對導體。它最常見的形式是雙絞線 ，用於電話線和Internet連線。它不經常用於分散式元件電路，因為所使用的頻率低於分散式元件設計變得有利的頻率。但是，設計人員通常從集總元素設計開始，然後將其轉換為開放式分散式元素設計。裸線是一對平行的非絕緣導體，例如，用於電線杆上的 電話線 。設計人員通常不打算以這種形式實現電路。這是設計過程中的中間步驟。具有導體對的分散式元件設計僅限於一些特殊用途，例如Lecher線和用於天線 饋線的雙引線 。同軸的.同軸線是被絕緣的遮蔽導體圍繞的中心導體，廣泛用於微波裝置的互連單元和長距離傳輸。儘管同軸分散式元件裝置通常在20世紀下半葉製造，但出於成本和尺寸方面的考慮，它們已在許多應用中被平面形式取代。空氣絕緣同軸線用於低損耗和高功率應用。其他介質中的分散式元素電路通常仍會過渡到電路埠處的同軸聯結器 ，以進行內部連線 。平面的.大多數現代分散式元件電路都使用平面傳輸線，尤其是在批次生產的消費品中。平面線有幾種形式，但最常見的是微帶線。它可以透過與印刷電路板相同的方法制造，因此製造便宜。它還適合與同一板上的集總電路整合。印刷平面線的其他形式包括帶狀線 ， 鰭 線和許多變化形式。平面線也可以用於單片微波積體電路中 ，在那裡它們是裝置晶片的組成部分。波導.許多分散式元件設計可以直接在波導中實現。然而，波導的附加複雜之處在於多種模式是可能的。這些有時同時存在，並且這種情況在導線中沒有比喻。波導具有比導線損耗低和諧振器質量高的優點，但是它們的相對費用和體積較大，因此通常首選微帶。波導主要用於高階產品，例如大功率軍用雷達和較高的微波頻段。波導在較低頻率下變得更大，這不利於其在較低頻段上的使用。機械.在一些專業應用中，例如高階無線電發射器的頻率要低得多。這是因為訊號在機械介質中傳播的速度遠低於電訊號的速度。電路元件.有幾種結構在分散式單元電路中反覆使用。下面介紹一些常見的方法。短截線.短截線是分支到主幹線一側的短線。短截線的末端通常保持開路或短路，但也可能以集總元件終止。短截線可以單獨使用中。可以將短截線設計為等效集總電容器，電感器或諧振器。在分散式單元電路中使用統一傳輸線進行構造的情況很少見。廣泛使用的一種這樣的偏離是徑向短截線，其形狀像一個圓扇形 。它們通常成對使用，一個在主傳輸線的兩側。這樣的對稱為蝶形線或扇形線。耦合線.耦合線是兩條傳輸線，它們之間存在某種電磁耦合 。耦合可以是直接或間接的。在間接耦合中，兩條線緊密地延伸一段距離，並且它們之間沒有任何遮擋。耦合的強度取決於線之間的距離和另一條線的橫截面。在直接耦合中，支線以一定間隔將兩條主幹線直接連線在一起。耦合線是構造功率分配器和定向耦合器的常用方法。耦合線的另一個特性是它們充當一對耦合諧振器 。許多分散式元素過濾器都使用此屬性。級聯線.級聯線是傳輸線的長度，其中一條線的輸出連線到另一條線的輸入。可以使用具有不同特徵阻抗的多條級聯線路來構建濾波器或寬頻阻抗匹配網路。這稱為階梯式阻抗結構。 一條四分之一波長的級聯單線形成一個四分之一波阻抗變換器 。這具有將任何阻抗網路轉換為雙重網路的有用屬性;在這種情況下，它被稱為阻抗反相器。此結構可用於濾波器中，以梯形拓撲的形式將集總元件原型實現為分散式元件電路。四分之一波變壓器與分散式元件諧振器交替實現。但是，現在這是過時的設計。而是使用更緊湊的逆變器，例如阻抗階躍。阻抗階躍是在具有不同特徵阻抗的兩條級聯傳輸線的交界處形成的不連續性。腔諧振器.空腔諧振器是被導電壁包圍的空的空間。壁上的孔將諧振器耦合到電路的其餘部分。 共振是由於從腔壁來回反射的電磁波建立起駐波而發生的 。腔諧振器可以用在許多介質中，但是最自然地是由波導中已經存在的金屬壁在波導中形成的。介電共振器.介電共振器是一塊暴露於電磁波的介電材料。它通常是圓柱體或厚圓盤的形式。儘管空腔諧振器可以充滿電介質，但本質的區別在於，在空腔諧振器中，電磁場完全包含在空腔壁內。介電共振器在周圍空間中具有某些場。這可能導致與其他元件的不良耦合。介電諧振器的主要優點是它們比等效的充氣腔小得多。螺旋共振器.螺旋諧振器是空腔中的導線螺旋 。一端未連線，另一端粘結到腔壁。儘管它們在表面上類似於集總電感器，但螺旋諧振器是分佈元件元件，並用於VHF和較低的UHF頻段。分形.分形曲線作為電路元件的使用是分散式單元電路中的新興領域。 分形已被用於製造濾波器和天線的諧振器。使用分形的好處之一是它們的空間填充特性，使其比其他設計更小。 其他優勢包括產生寬頻和多頻帶設計的能力，良好的帶內效能以及良好的帶外抑制效能。 在實踐中，不能進行真正的分形，因為在每次分形迭代中 ，製造公差變得更嚴格，最終大於構造方法可以達到的公差。但是，經過少量的迭代，其效能接近真實的分形。在需要與真實分形區分開的地方，這些可以稱為"預分形"或"有限階分"形。分形已被用作電路的組成部分包括科赫雪花 ， Minkowski島 ， Sierpiński曲線 ， Hilbert曲線和Peano曲線 。 前三個是閉合曲線，適用於貼片天線。後兩個是開放的曲線，在分形的相對側具有終結點。這使得它們適用於需要級聯連線的場合。錐度.錐度是橫截面逐漸變化的傳輸線。可以認為是無限數量的階梯式阻抗結構的極限情況。 錐度是連線特性阻抗不同的兩條傳輸線的簡單方法。使用錐度可大大減少直接連線可能引起的不匹配效應。如果橫截面的變化不太大，則可能不需要其他匹配電路。 錐度可以在不同介質中的線之間提供過渡 。 錐度通常線性地改變形狀，但是可以使用其他各種輪廓。在最短的長度內達到指定匹配的輪廓稱為Klopfenstein錐度，它基於Chebychev濾波器設計。錐度可用於使傳輸線與天線匹配。在某些設計中，例如喇叭天線和Vivaldi天線 ，錐度本身就是天線。喇叭形天線與其他錐度一樣，通常是線性的，但最佳匹配是透過指數曲線獲得的。 Vivaldi天線是指數錐度的平面版本。分佈電阻.電阻元件通常在分散式元件電路中無用。但是，分散式電阻器可用於衰減器和線路終端 。在平面介質中，它們可以實現為高電阻材料的曲折線，也可以實現為薄膜或厚膜材料的沉積膜片。 在波導中，可以將一張微波吸收材料卡插入波導中。電路塊.濾波器和阻抗匹配.濾波器是由分散式元件構成的電路的很大一部分。各種各樣的結構用於構建它們，包括樁，耦合線和級聯線。變型包括叉指濾波器，梳狀濾波器和髮夾濾波器。最近的發展包括分形濾波器。 許多濾波器是與介電諧振器一起構造的。與集總元件濾波器一樣，使用的元件越多，濾波器就越接近理想的響應 。結構會變得非常複雜。 對於簡單的窄帶要求，單個諧振器可能就足夠了。窄帶應用的阻抗匹配通常是透過一個匹配樁來實現的。但是，對於寬頻應用，阻抗匹配網路採用類似濾波器的設計。設計人員規定了所需的頻率響應，並設計了具有該響應的濾波器。與標準濾波器設計的唯一區別是濾波器的源阻抗和負載阻抗不同。功率分配器，合路器和定向耦合器.定向耦合器是一種四埠裝置，可將在一個方向上流動的功率從一個路徑耦合到另一路徑。其中兩個埠是幹線的輸入和輸出埠。進入輸入埠的一部分電源耦合到第三埠，稱為"耦合埠" 。進入輸入埠的電源都沒有耦合到第四個埠，通常稱為"隔離埠" 。對於反向流動並進入輸出埠的功率，會出現相反的情況。一些電源耦合到隔離埠，但沒有電源耦合到耦合埠。功率分配器通常被構造為定向耦合器，隔離埠永久終止於匹配負載中較低時使用，而在耦合係數較高時使用"功率分配器" 。功率合成器只是反向使用的功率分配器。在使用耦合線的分散式元件實現中，間接耦合線更適合於低耦合定向耦合器。直接耦合的支線耦合器更適合於高耦合功率分配器。分散式元素設計依賴於四分之一波長的元素長度。這僅在一個頻率上成立。因此，簡單設計的頻寬有限，無法成功工作。像阻抗匹配網路一樣，寬頻設計需要多個部分，並且設計開始類似於濾波器。混合電橋.定向耦合器(3db耦合器)在輸出埠和耦合埠之間平均分配功率，稱為混合耦合器。雖然“混合”最初指的是混合變壓器(一種用於電話的集中裝置)，但現在它有了更廣泛的含義。一種不使用耦合線的廣泛使用的分散式元件混合電路是混合環或鼠道耦合器。它的四個埠中的每一個都在不同的點連線到傳輸線的一個環上。波在環上以相反的方向傳播，形成駐波。在環上的某些點上，相消干涉導致零;此時沒有電源會離開埠設定。在其它點上，相長干涉使轉移的功率最大化。混合耦合器的另一個用途是產生兩個訊號的和、差。在插圖中，兩個輸入訊號被輸入到標記為1和2的埠。的和兩個訊號出現在港口Σ,Δ和在港口的區別明顯。除了用作耦合器和功率分配器外，定向耦合器還可用於平衡混頻器、鑑頻器、衰減器、移相器和天線陣列饋電網路。迴圈器.迴圈器通常是一個三埠或四埠裝置，其中進入一個埠的功率會旋轉地傳遞到下一個埠，就像繞了一圈一樣。電源只能沿圓圈的一個方向免受天線反射引起的損害，以及用作連線天線，無線電系統的發射器和接收器的雙工器 。迴圈器的一個不尋常的應用是在反射放大器中 ，在該放大器中 ， 耿氏二極體的負電阻用於反射回比接收到的功率更多的功率。迴圈器用於將輸入和輸出功率流引導到單獨的埠。formula_1對於理想的三埠迴圈器，從定義上表明迴圈器是不可逆的。因此，不可能用標準無源元件構建迴圈器。鐵氧體或其他不可逆材料或系統的存在對於裝置正常工作至關重要。主動元件.分散式元素通常是被動的，但是大多數應用程式將在某些角色中需要主動元件。微波混合積體電路將分散式元件用於許多無源元件，但是有源元件是離散的。可以封裝有源元件，或者可以以晶片形式將有源元件放置在基板上 ，而無需單獨封裝以減小尺寸並消除封裝引起的寄生元件 。分散式放大器由許多放大裝置太大而無法作為集總元件使用時，可以使用分散式放大器。連結的傳輸線將各個電晶體分開。歷史.1881年， Oliver Heaviside 首次將分佈元素建模用於電網分析。Heaviside使用它來找到對跨大西洋電報電纜訊號行為的正確描述。早期跨大西洋電報的傳輸由於分散而困難而緩慢，這種效果在當時還不太清楚。 Heaviside的分析確定了問題並提出瞭解決問題的方法 。仍然是傳輸線的標準分析。沃倫·梅森 也是第一位在1927年的博士論文中提出了一種分散式元素聲學濾波器的建議，並在1941年提交的專利提出了一種分散式元素機械濾波器的建議。儘管同軸電纜和其他導線中的許多也可以用於波導，但其工作仍與同軸電纜和其他導線有關。聲學工作是第一位的， 貝爾實驗室無線電部門的梅森同事要求他協助同軸和波導濾波器。第二次世界大戰之前 ，對分散式元件電路的需求很少。用於無線電傳輸的頻率低於分散式元素變得有利的地步。較低的頻率具有較大的範圍，這是廣播目的的主要考慮因素。這些頻率需要較長的天線才能有效執行，這導致在更高頻率的系統上工作。一個關鍵的突破是1940年推出了腔磁控管 ，該磁控管在微波波段工作，導致雷達裝置小到足以安裝在飛機上。 隨之而來的是分散式元素濾波器的發展，濾波器是雷達的重要組成部分。同軸元件中的訊號損耗導致了波導的首次廣泛使用，從而將濾波器技術從同軸域擴充套件到了波導域。由於安全原因，直到戰後，戰爭時期的工作才基本未發表，這使得很難確定誰對每個發展負責。這項研究的重要中心是麻省理工學院的輻射實驗室 描述了在波導中實現的混合環，並根據眾所周知的波導魔術三通對其進行了分析 。其他研究人員很快釋出了該裝置的同軸版本。喬治·馬特海伊 ，並負責許多過濾器設計。 Matthaei首先描述了叉指濾波器和梳狀線濾波器。 該小組的工作發表在1964年具有里程碑意義的一本書中 ，該書涵蓋了當時的分散式單元電路設計的狀態，多年來一直是主要的參考工作。羅伯特·M·巴雷特  ，但是直到1970年代才開發出具有良好溫度穩定性的材料。介質諧振器濾波器現在在波導和傳輸線濾波器中很常見。重要的理論發展，包括保羅一世理查茲 ' 相稱線理論 ，這是出版在1948年，和黑田的身份 ，一組變換 ，其克服了理查茲理論的一些實際限制，出版由黑田在1955年據內森·科恩，在對數週期天線 ，由雷蒙德·杜哈明和發明德懷特斯貝爾在1957年，應該算是第一個分形天線。但是，它的自相似性質以及與分形的關係在當時被忽略了。它仍然通常不屬於分形天線。在1987年受本華·曼德博的演講啟發後，科恩是第一個明確識別分形觸角類的人，但直到1995年他才發表論文。