Filtru de element distribuit
|
Un filtru de element distribuit este un filtru în care capacitatea , inductanța și rezistența ( elementele circuitului) nu sunt localizate în condensatori , inductori și rezistențe discrete, așa cum sunt în filtrele convenționale. Scopul lor este de a lăsa să treacă o serie de frecvențe de semnal, dar de a le bloca pe celelalte. Filtrele convenționale sunt realizate cu inductoare și condensatoare, iar circuitele astfel construite sunt descrise de modelul elementelor concentrate , care consideră fiecare element ca și cum ar fi „concentrat în întregime” într-un singur punct. Acest model este simplu din punct de vedere conceptual, dar devine din ce în ce mai puțin precis pe măsură ce crește frecvența semnalelor sau echivalent pe măsură ce lungimea de undă scade. Modelul elementelor distribuite se aplică tuturor frecvențelor și este utilizat în teoria liniilor de transmisie ; multe componente distribuite sunt formate din secțiuni scurte de linii de transmisie. În tratarea conform modelului de elemente distribuite ale circuitelor, elementele sunt distribuite pe toată lungimea conductoarelor și sunt amestecate indisolubil. Proiectarea filtrelor este, de obicei, doar despre inductanță și capacitate, dar datorită acestui amestec de elemente, acestea nu pot fi tratate ca condensatori și inductori „lumped” separați. Nu există o frecvență precisă peste care să se utilizeze filtrele de element distribuite, dar acestea sunt asociate în special cu banda de microunde (lungimea de undă mai mică de un metru).
Filtrele pentru elemente distribuite sunt utilizate în multe dintre aceleași aplicații în care sunt utilizate filtre pentru elemente aglomerate, cum ar fi selectivitatea canalului radio, filtrarea zgomotului și multiplexarea multor semnale într-un singur canal. Filtrele pentru elemente distribuite pot fi construite în așa fel încât să aibă orice formă de bandă dintre cele posibile cu filtre de elemente blocate ( trecere joasă , trecere de bandă etc.), cu excepția filtrului de trecere înaltă , care, în general, este doar aproximativ. Toate clasele de filtrare utilizate în proiectele de elemente aglomerate ( Butterworth , Chebyshev etc.) pot fi implementate utilizând o abordare a elementelor distribuite.
Există multe forme de componente utilizate pentru a construi filtre de elemente distribuite, dar toate au proprietatea comună de a provoca o discontinuitate pe o linie de transmisie . Aceste discontinuități prezintă impedanță reactivă la un front de undă care călătorește de-a lungul liniei și aceste reactanțe pot fi alese, prin proiectare, pentru a aproxima comportamentul inductoarelor concentrate, condensatoarelor sau rezonatoarelor , așa cum este cerut de filtru. [4]
Dezvoltarea filtrelor de elemente distribuite a fost stimulată de nevoia militară de contramăsuri radar și electronice în timpul celui de-al doilea război mondial . Filtrele analogice cu elemente aglomerate fuseseră dezvoltate cu mult timp în urmă, dar aceste noi sisteme militare funcționau la frecvențe cu microunde și erau necesare noi modele de filtrare. Când s-a încheiat războiul, tehnologia a găsit aplicații în legăturile radio cu microunde utilizate de companiile de telefonie sau alte organizații cu rețele mari de comunicații fixe, cum ar fi posturile de televiziune. În zilele noastre, tehnologia poate fi găsită în mai multe articole de consum produse în serie, cum ar fi convertoarele cu bloc redus de zgomot (Figura 1 prezintă un exemplu) utilizate cu antene parabolice.
Considerent general
- Simbolul λ este utilizat pentru a indica lungimea de undă a semnalului transmis peste linie sau o secțiune a liniei de acea lungime electrică .
Filtrele pentru elemente distribuite sunt utilizate în principal la frecvențe peste banda de frecvență foarte înaltă ( VHF ) (30 până la 300 MHz ). La aceste frecvențe, lungimea fizică a componentelor pasive este o fracțiune semnificativă a lungimii de undă corespunzătoare frecvenței de funcționare, ceea ce face dificilă utilizarea modelului convențional al elementelor nodulare . Punctul exact în care modelul de element distribuit devine necesar depinde de designul particular luat în considerare. O regulă obișnuită este aplicarea modelului elementelor distribuite atunci când dimensiunile componentelor sunt mai mari de 0,1λ. Creșterea miniaturizării electronice a făcut ca proiectele de circuite să devină din ce în ce mai mici decât λ. Ca urmare a acestor avansuri, frecvențele dincolo de care o abordare a elementelor distribuite devine necesară pentru proiectarea filtrelor devin din ce în ce mai mari. Pe de altă parte, în general, dimensiunile structurii unei antene sunt comparabile cu λ în toate benzile de frecvență și necesită modelul elementelor distribuite. [5]
Cea mai evidentă diferență de comportament între un filtru de element distribuit și aproximarea elementului său blocat este că primul va avea intervale multiple de frecvențe corespunzătoare repetărilor benzii de trecere în raport cu banda de trecere care apare cu prototipul elementului blocat , deoarece transferul liniei de transmisie caracteristicile se repetă la intervale armonice. În majoritatea cazurilor, aceste lățimi de bandă false sunt nedorite. [6]
Pentru claritate de prezentare, diagramele din acest articol sunt desenate cu componentele implementate în format stripline . Acest lucru nu implică o preferință a industriei, deși formatele cu linii de transmisie plane (adică formate în care conductorii constau din benzi plate) sunt populare, deoarece pot fi implementate folosind tehnici de fabricare a plăcilor de circuite imprimate prestabilite. Structurile prezentate pot fi, de asemenea, implementate folosind tehnici bazate pe microstrip sau stripline cufundate în suport (cu adaptări adecvate în dimensiune) și pot fi adaptate la cabluri coaxiale , cabluri cu două fire și ghiduri de undă , deși unele structuri sunt mai potrivite pentru unele implementări comparativ altora. Implementările de sârmă deschisă, de exemplu, pentru un număr de structuri sunt prezentate în a doua coloană din Figura 3, iar echivalențele sârmei deschise pot fi găsite pentru majoritatea celorlalte structuri de linii stripline. Liniile de transmisie plane sunt, de asemenea, utilizate în proiectele de circuite integrate . [7]
Istorie
Dezvoltarea filtrelor de elemente distribuite a început în anii dinaintea celui de-al doilea război mondial. Warren P. Mason a fost tatăl studiilor în domeniul circuitelor de elemente distribuite. [8] Un articol important pe această temă a fost publicat de Mason și Sykes în 1937. [9] Mason a depus un brevet [10] mult mai devreme, în 1927 și acel brevet conținea primul design electric publicat care a plecat de la analiză la concentrat. elemente. [11] Lucrările lui Mason și Sykes s-au concentrat pe formate cu cabluri coaxiale și perechi echilibrate de fire - tehnologiile plane nu erau încă utilizate. S-a înregistrat o mare dezvoltare în anii de război, determinată de nevoile de filtrare pentru radar și contramăsuri electronice . O mare parte din acestea au avut loc la Laboratorul de radiații MIT [12], dar au fost implicate și alte laboratoare din Statele Unite și Regatul Unit . [13] [14]
Au fost necesare unele progrese majore în teoria rețelelor electrice înainte ca filtrele să poată fi îmbunătățite dincolo de proiectele din timpul războiului. Una dintre acestea a fost teoria lui Paul Richards a liniilor proporționale. [15] Liniile proporționale sunt rețele în care toate elementele au aceeași lungime (sau în unele cazuri cu lungime multiplă în comparație cu lungimea de bază), deși pot diferi în alte dimensiuni pentru a da impedanțe caracteristice diferite. Transformarea lui Richards vă permite să luați un design "cum este" și să-l transformați direct într-un design de element distribuit folosind o ecuație de transformare foarte simplă. [16]
Dificultatea transformării lui Richards, din punctul de vedere al filtrării practice, a fost aceea că proiectarea elementelor distribuite astfel obținute include invariabil elemente conectate în serie . Acest lucru nu a fost posibil de implementat în tehnologiile plane și a fost adesea incomod în alte tehnologii. Această problemă a fost rezolvată de K. Kuroda folosind transformatoare de impedanță pentru a elimina elementele din serie. A publicat un set de transformări cunoscute sub numele de identitatea lui Kuroda în 1955, dar această lucrare a fost scrisă în japoneză și au trecut câțiva ani înainte ca ideile sale să fie încorporate în literatura de limbă engleză. [17]
După război, o cale majoră de cercetare urmărea creșterea lățimii de bandă a filtrelor de bandă largă. Această abordare utilizată la acea vreme (și încă în uz astăzi) a constat în a începe cu un filtru prototip cu elemente aglomerate și, prin diverse transformări, ajunge la filtrul dorit într-o formă de element distribuit. Această abordare părea blocată la un minim Q de cinci (vezi mai jos filtrele de trecere de bandă pentru o explicație a Q ). În 1957, Leo Young de la Stanford Research Institute a publicat o metodă de proiectare a filtrelor care „au început” cu un prototip de element distribuit. [18] Acest prototip s-a bazat pe transformatoare de impedanță cu un sfert de undă și a fost capabil să producă modele cu lățimi de bandă de până la o octavă , corespunzând unui Q de aproximativ 1,3. Unele dintre procedurile lui Young din acest articol au fost empirice, dar mai târziu, [19] au fost publicate soluțiile exacte. Articolul lui Young se referă în mod special la rezonatoarele cuplate direct cuplate, dar procedura poate fi aplicată în mod egal și altor tipuri de rezonatoare cuplate directe, cum ar fi cele găsite în tehnologiile plane moderne și ilustrate în acest articol. Filtrul de spațiu capacitiv (Figura 8) și filtrul de linie cuplat paralel (Figura 9) sunt exemple de rezonatoare cuplate direct. [16]
Introducerea tehnologiilor plane tipărite a simplificat foarte mult producția multor componente cu microunde, inclusiv filtre și astfel a devenit posibilă producția de circuite integrate cu microunde. Nu se știe când au apărut liniile de transmisie plană , dar experimentele care le-au folosit au fost raportate încă din 1936. [21] Cu toate acestea, este cunoscut inventatorul striplinei tipărite; a fost Robert M. Barrett , care a publicat ideea în 1951. [22] Acest lucru a prins repede și stripline Barrett a dat în curând naștere la o concurență acerbă comerciale din formate plane, în special triple și concurente microstrip . Termenul generic stripline din utilizarea modernă se referă de obicei la formatul cunoscut atunci ca triplu . [23]
Primele filtre de rezonare cuplate direct cu linie stripline au fost cuplate la capăt, dar lungimea a fost scurtată și compactitatea a crescut ulterior odată cu introducerea de filtre cu linie cuplată paralel, [24] filtre interdigitale, [25] și filtre cu linii pieptene . [26] O mare parte din această lucrare a fost publicată de grupul de la Stanford condus de George Matthaei și care îl includea și pe Leo Young menționat mai sus, într-o carte istorică care servește și astăzi drept referință pentru proiectanții de circuite. [27] [28] Filtrul cu ac de păr a fost descris pentru prima dată în 1972. [29] [30] Până în anii 1970 , majoritatea topologiilor de filtrare utilizate în mod obișnuit astăzi au fost deja descrise. [31] Cercetări mai recente s-au concentrat pe noi clase matematice sau variante de filtre, cum ar fi filtrul pseudo- eliptic , în timp ce se utilizează aceleași topologii de bază, sau cu tehnologii bazate pe implementări alternative precum linia suspendată și linia fină . [32]
Prima aplicație non-militară a filtrelor cu elemente distribuite a fost legăturile radio cu microunde utilizate de companiile de telecomunicații pentru a furniza coloana vertebrală a rețelelor lor. Aceste legături au fost utilizate și de alte industrii cu rețele fixe mari, în special de radiodifuzori de televiziune. [33] Aceste aplicații au făcut parte din programele mari de investiții de capital. Cu toate acestea, producția de masă a făcut tehnologia suficient de ieftină pentru a o încorpora în sistemele de televiziune prin satelit de acasă. [34] O aplicație emergentă se găsește în filtrele supraconductoare pentru utilizare în stațiile de bază pentru celule radio operate de companii de telefonie mobilă. [35]
Componente de bază
Cea mai simplă structură care poate fi implementată este o schimbare bruscă a impedanței caracteristice a liniei, care introduce o discontinuitate în caracteristicile transmisiei. Acest lucru se face în tehnologiile plane prin schimbarea lățimii liniei de transmisie. Figura 4 (a) arată o creștere a impedanței (liniile mai înguste au impedanță mai mare). O scădere a impedanței ar corespunde imaginii în oglindă din Figura 4 (a). Discontinuitatea poate fi reprezentată aproximativ ca un inductor de serie sau, mai exact, ca un circuit T trece-jos așa cum se arată în Figura 4 (a). [36] Mai multe discontinuități sunt adesea cuplate împreună cu transformatoare de impedanță pentru a produce un filtru de ordin superior. Aceste transformatoare de impedanță pot fi doar la o distanță scurtă (adesea λ / 4) de linia de transmisie. Aceste structuri compuse pot implementa oricare dintre familiile de filtrare ( Butterworth , Chebyshev etc.) prin aproximarea funcției de transfer rațional a filtrului elementului corespunzător. Această corespondență nu este exactă, deoarece circuitele elementelor distribuite nu pot fi raționale și reprezintă principalul motiv pentru diferența dintre comportamentul dintre elementele aglomerate și elementele distribuite. Transformatoarele de impedanță sunt, de asemenea, utilizate în combinații hibride de filtre cu elemente aglomerate și filtre distribuite cu elemente (așa-numitele structuri semi-concentrate). [37]
O altă componentă foarte comună printre filtrele de elemente distribuite este stub . Pe o gamă îngustă de frecvențe, un butuc poate fi folosit ca condensator sau inductor (impedanța sa este determinată de lungimea sa), dar pe o bandă largă se comportă ca un rezonator. Un scurtcircuit, în mod formal un stub de sfert de undă ca în figura 3 (a), se comportă ca un antirezonator LC manevrat , în timp ce un circuit deschis, formal un stub de un sfert de undă ca în figura 3 (b), se comportă ca o serie Rezonator LC (explicație: [40] ). Stuburile pot fi, de asemenea, utilizate împreună cu transformatoarele de impedanță pentru a construi filtre mai complexe și, așa cum ar fi de așteptat din natura lor rezonantă, sunt foarte utile în aplicațiile de trecere a benzii. [41] În timp ce butoanele cu buclă deschisă sunt mai ușor de fabricat în tehnologiile plane, ele au dezavantajul că terminarea se abate semnificativ de la o buclă deschisă ideală (a se vedea Figura 4 (b)), ducând deseori la o preferință pentru butoane cu scurtcircuit (aceasta este întotdeauna posibil să se utilizeze unul în loc de celălalt prin adăugarea sau scăderea lui λ / 4 la sau din lungime). [36]
Un rezonator elicoidal este similar cu un stub în care necesită reprezentarea unui model de element distribuit, dar este de fapt construit folosind elemente concentrate. Rezonatoarele elicoidale sunt construite într-un format non-plan și constau dintr-o înfășurare de sârmă, pe un miez, și sunt conectate doar la un capăt. Dispozitivul vine de obicei într-o cutie ecranată cu o gaură în partea de sus pentru reglarea miezului. Va apărea adesea din punct de vedere fizic foarte asemănător cu rezonatoarele LC concentrate utilizate într-un scop similar. Aceste dispozitive sunt foarte utile în benzile VHF ridicate și UHF reduse, în timp ce butoanele sunt aplicate mai des în benzile UHF și SHF ridicate. [42]
Liniile cuplate (figura 3 (ce)) pot fi folosite și ca elemente care acționează ca filtre; la fel ca butucii, pot acționa ca rezonatori și în mod similar pot fi terminați în scurtcircuit sau în circuit deschis. Liniile împerecheate tind să fie preferate în tehnologiile plane, unde sunt ușor de implementat, în timp ce butoanele tind să fie preferate în alte cazuri. Implementarea unui circuit deschis adevărat în tehnologia plană nu este fezabilă din cauza efectului dielectric al substratului care va face întotdeauna circuitul echivalent să conțină o capacitate de șunt . În ciuda acestui fapt, circuitele deschise sunt adesea utilizate în formate plane decât în scurtcircuite, deoarece sunt mai ușor de implementat. Numeroase tipuri de elemente pot fi clasificate ca linii cuplate și o selecție dintre cele mai comune este prezentată în figuri. [43]
Figurile 3 și 4 prezintă câteva structuri comune, împreună cu omologii lor de elemente concentrate. Aceste aproximări ale elementelor concentrate nu ar trebui luate ca circuite echivalente, ci mai degrabă ca un ghid al comportamentului elementelor distribuite pe un anumit interval de frecvență. Figurile 3 (a) și 3 (b) prezintă, respectiv, un circuit scurtcircuitat și deschis. Când lungimea ștuțurile este λ / 4, ele se comportă, respectiv, ca anti-rezonatoare sau rezonatori și de aceea sunt utile, respectiv, ca elemente în filtre band-pass si band-respinge filtrele . Figura 3 (c) prezintă o linie scurtcircuitată cuplată la linia principală. Acest lucru se comportă, de asemenea, ca un rezonator, dar este utilizat în mod obișnuit în aplicații cu filtre bandpass cu frecvența de rezonanță mult în afara benzii de interes. Figurile 3 (d) și 3 (e) prezintă structuri cuplate în linie, care sunt ambele utile în filtrele de trecere în bandă. Structurile din figurile 3 (c) și 3 (e) au circuite echivalente care implică stuburi plasate în serie cu linia. O astfel de topologie este ușor de implementat în circuite cu fir deschis, dar nu cu o tehnologie plană. Prin urmare, aceste două structuri sunt utile pentru implementarea unui element echivalent în serie. [44]
Filtre trecere joasă
Un filtro passa-basso può essere implementato in modo piuttosto diretto mediante prototipi a elementi concentrati con topologia a scaletta con il filtro a salti di impedenza mostrato nella figura 5. Questa è chiamata anche progettazione a linee in cascata . Il filtro consiste in sezioni di linea ad alta e bassa impedenza che si alternano che corrispondono agli induttori in serie e ai condensatori in shunt nell'implementazione a elementi concentrati. I filtri passa-basso sono usati comunemente per alimentare i componenti attivi preservando la polarizzazione in corrente continua (CC). I filtri destinati a questa applicazione sono talvolta denominati choke . In tali casi, ogni elemento del filtro ha lunghezza λ/4 (dove λ è la lunghezza d'onda del segnale sulla linea principale che deve essere bloccato impedendone la trasmissione alla sorgente CC) e le sezioni ad alta impedenza della linea sono realizzate più strette possibile in base a quanto consente la tecnologia di produzione, allo scopo di massimizzare l'induttanza. [45] Si possono aggiungere ulteriori sezioni a seconda delle prestazioni richieste al filtro proprio come si farebbe per la controparte a elementi concentrati. Così come la forma planare mostrata, questa struttura è particolarmente adatta per le implementazioni coassiali con dischi metallici alternati e isolante intorno al conduttore centrale. [46] [47] [48]
Un esempio più complesso di progettazione con salti d'impedenza viene presentata nella figura 6. Nuovamente, le linee strette sono usate per implementare induttori e le linee larghe corrispondono a condensatori, ma in questo caso, la controparte a elementi concentrati ha dei risonatori connessi in shunt attraverso la linea principale. Questa topologia può essere utilizzata per progettare filtri ellittici o filtri di Chebyshev con poli di attenuazione nella banda da eliminare (supponendo di voler realizzare un filtro elimina-banda ). Tuttavia, il calcolo dei valori dei componenti per queste strutture è un processo complicato e ha portato i progettisti a scegliere spesso di implementarli invece come filtri m-derivati , che hanno buone prestazione e per i quali i calcoli sono molto più facili. Lo scopo di incorporare i risonatori è migliorare la reiezione di banda. Tuttavia, oltre la frequenza di risonanza del risonatore a più alta frequenza, la reiezione di banda inizia a deteriorarsi mentre il comportamento dei risonatori si avvicina a quello di un circuito aperto. Per questa ragione, i filtri costruiti per questa progettazione spesso hanno un condensatore singolo addizionale con salto di impedenza come elemento finale del filtro. [49] Ciò garantisce anche una buona reiezione alle alte frequenze. [50] [51] [52]
Un'altra tecnica comune di progettazione di filtri passa-basso è quella di implementare i condensatori di shunt come stub con la frequenza di risonanza regolata al di sopra della frequenza operativa in modo tale che l'impedenza dello stub sia capacitiva nella banda passante. Questa implementazione ha una controparte a elementi concentrati la cui forma generale è simile al filtro di figura 6. Dove lo spazio lo permette, gli stub possono essere posizionati su lati alternati della linea principale come mostrato in figura 7(a). Lo scopo di ciò è impedire l'accoppiamento tra stub adiacenti, il quale riduce le prestazioni del filtro alterando la risposta in frequenza. Tuttavia, una struttura con tutti gli stub sullo stesso lato è ancora una progettazione valida. Se è richiesto che lo stub sia una linea a impedenza molto bassa, allora lo stub potrebbe essere scomodo da realizzare a causa della larghezza. In questi casi, una possibile soluzione è connettere due stub più stretti in parallelo. In pratica, in corrispondenza di ogni posizione in cui si poneva un solo stub se ne pongono due, uno stub su "entrambi i lati" della linea. Uno svantaggio di questa topologia è che sono possibili modalità di risonanza trasversale aggiuntive lungo il tratto di linea di lunghezza λ/2 formata dai due stub insieme. Per la progettazione di un choke, il requisito è semplicemente quello di rendere la capacità più grande possibile, per cui la larghezza massima di ciascuno stub di λ/4 può essere utilizzata con entrambi gli stub in parallelo su ciascun lato della linea principale. Il filtro risultante sembra piuttosto simile al filtro con salti di impedenza della figura 5, ma è stato progettato su principi completamente diversi. [45] Una difficoltà nell'uso di stub così larghi è che il punto in cui sono connessi alla linea principale non è ben definito. Uno stub stretto rispetto a λ può essere considerato come se fosse connesso sul centro della sua linea ei calcoli basati su tale ipotesi prevederanno accuratamente la risposta del filtro. Per uno stub largo, tuttavia, i calcoli che presumono che la diramazione laterale sia connessa in un punto definito sulla linea principale portano a imprecisioni in quanto questo non è più una buona descrizione del modello di trasmissione. Una soluzione a questa difficoltà è usare stub radiali invece di stub lineari. Una coppia di stub radiali in parallelo (uno su ciascun lato lato della linea principale) è chiamata stub a farfalla (vedere figura 7(b)). Un gruppo di tre stub radiali in parallelo, che può essere ottenuto alla fine di una linea, è chiamato stub a trifoglio. [53] [54]
Filtri passa-banda
Un filtro passa basso può essere costruito usando qualsiasi elemento che possa risuonare. Chiaramente, i filtri che usano degli stub possono essere realizzati in modo da essere filtri passa-banda; sono possibili numerose altre strutture e alcune vengono presentate sotto.
Un parametro importante quando si discuti di filtri passa-banda è la la larghezza di banda frazionaria. Questa è definita come il rapporto tra la larghezza di banda e la frequenza centrale in media geometrica . Il reciproco di questa quantità è chiamata fattore di merito , Q . Se ω 1 e ω 2 sono le frequenze corrispondenti ai limiti della banda passante, allora: [55]
- larghezza di banda ,
- frequenza centrale in media geometrica e
Filtro a gap capacitivo
La struttura a gap capacitivo consiste in sezioni di linea line di lunghezza pari a circa λ/2 che fungono da risonatori e sono accoppiati alle estremità mediante dei gap , ossia dei tagli interi, nella linea di trasmissione. Particolarmente indicata per formati planari, è facilmente implementabile con tecnologia a circuiti stampati e presenta il vantaggio non occupare più spazio di quanto farebbe una semplice linea di trasmissione. Il limite di questa topologia è che le prestazioni (in particolare le perdite di inserzione ) peggiorano all'aumentare della larghezza di banda frazionaria e, con un Q inferiore a circa 5, non si ottengono risultati accettabili. Un'ulteriore difficoltà nella produzione di progettazioni con un Q basso è che, per larghezze di banda frazionarie maggiori, è richiesta una larghezza inferiore del gap. La larghezza minima dei gap, così come la larghezza minima delle tracce, è limitata dalla risoluzione della tecnologia a circuiti stampati. [48] [56]
Filtro a linee accoppiate parallele
Le linee parallele accoppiate rappresentano un'altra topologia popolare per i circuiti stampati, per cui le linee a circuito aperto sono le più semplici da implementare poiché la fabbricazione consiste in null'altro che la traccia stampata. La progettazione consiste in una fila di risonatori λ/2 paralleli, ma accoppiati solo su un tratto λ/4 a ciascuno dei risonatori vicini, formando così una linea sfalsata come mostrato nella figura 9. Con questo filtro sono possibili larghezze di banda frazionarie maggiori rispetto al filtro a gap capacitivo, ma sui circuiti stampati si pone un problema simile poiché le perdite nel dielettrico riducono il Q . Le linee con un Q più basso richiedono un accoppiamento più stretto e gap più piccoli tra esse ma ciò è limitato dall'accuratezza del processo di stampa. Una soluzione a questo problema consiste nello stampare la traccia su strati multipli con le linee adiacenti in sovrapposizione ma non in contatto poiché sono su strati differenti. In questo modo, le linee possono essere accoppiate sfruttandone la larghezza, il che si traduce in un accoppiamento molto più forte rispetto a quando sono accoppiate da lato a lato e, a parità di prestazioni, diventa possibile un gap più grande. [57] Per altre tecnologie (non a circuito stampato), le linee cortocircuitate possono essere preferite poiché il cortocircuito fornisce un punto di attacco dal punto di vista meccanico per la linea e gli isolanti dielettrici per la riduzione del Q non sono richiesti ai fini del supporto meccanico. Indipendentemente dalle ragioni meccaniche e di montaggio, c'è poca preferenza per linee accoppiate a circuito aperto rispetto a quelle cortocircuitate. Entrambe le strutture possono realizzare la stessa gamma di implementazioni di filtri con le stesse prestazioni elettriche. Entrambi i tipi di filtri ad accoppiato in parallelo, in teoria, non hanno bande passanti spurie al doppio della frequenza centrale come invece si nota in molte altre topologie di filtri (ad esempio, gli stub ). Tuttavia, la soppressione di questa banda passante spuria richiede una sintonizzazione perfetta delle linee accoppiate che nella pratica non è realizzata, quindi inevitabilmente c'è una banda passante spuria residua a questa frequenza. [48] [58] [59]
Filtro ad hairpin
Il filtro ad hairpin è un'altra struttura che utilizza linee accoppiate parallele. In questo casi, ogni coppia di linee parallele è connessa alla coppia successiva mediante un breve collegamento. Le forme ad "U" così ottenute prendono il nome di hairpin (letteralmente forcina ) e si parla di filtro ad hairpin . In alcune progettazioni il collegamento può essere più lungo, dando luogo ad un ampio hairpin che agisce da trasformatore di impedenza a λ/4 tra le sezioni. [60] [61] Le curve ad angolo che si vedono nella figura 10 sono comuni alle progettazioni con stripline e rappresentano un compromesso tra un angolo retto e uno acuto, il quale produce una grande discontinuità e una curva morbida, che occupa un'area maggiore nel supporto, la quale può essere gravemente limitata in alcuni prodotti. Tali curve si vedono spesso negli stub lunghi dove altrimenti non potrebbero essere inserite nello spazio disponibile. Il circuito equivalente a elementi concentrati di questo tipo di discontinuità è simile alle discontinuità con salti di impedenza. [39] Esempi di tali stub possono essere visti in corrispondenza degli ingressi per la polarizzazione di vari componenti nella fotografia che si vede nella parte superiore dell'articolo. [48] [62]
Filtro interdigitale
I filtri interdigitali sono un'altra forma di filtro a linee accoppiate. Ogni sezione di linea ha una lunghezza di circa λ/4 e viene terminata con un cortocircuito solo ad una estremità, mentre l'altra estremità viene lasciata aperta. Le estremità in cortocircuito si alternano su ogni sezione di linea. Questa topologia è semplice da implementare nelle tecnologie planari, ma si presta particolarmente anche ad un assemblaggio meccanico di linee fissate all'interno di un contenitore metallico. Le linee si possono presentare come aste circolari o barre rettangolari e l'interfacciamento con il formato coassiale è facile. Come con il filtro a linee accoppiate, il vantaggio di una disposizione meccanica che non richiede isolanti per il supporto è che le perdite dielettriche vengono eliminate. Il requisito della spaziatura tra le linee non è così rigoroso come nella struttura a linee parallele; in quanto tale, è possibile ottenere larghezze di banda frazionarie più elevate e sono possibili valori di Q bassi, fino a 1,4. [63] [64]
Il filtro a pettine ( comb-line filter ) è simile al filtro interdigitale in quanto si presta al montaggio meccanico in un contenitore metallico senza supporto dielettrico. Nel caso del filtro a pettine, tutte le linee sono cortocircuitate alla stessa estremità piuttosto che ad estremità alternate. Le altre estremità vengono terminate con condensatori verso terra e, di conseguenza, la progettazione viene classificata come a elementi semi-concentrati. Il vantaggio principale di questa progettazione è che la banda superiore da eliminare può essere resa molto ampia, ovvero priva di bande passanti spurie a tutte le frequenze di interesse. [65]
Filtri passa-banda con stub
Come accennato in precedenza, gli stub si prestano a progettazioni per filtri passa-banda. Le forme generali di queste progettazioni sono simili ai filtri passa-basso con stub tranne che la linea principale non è più una linea stretta ad alta impedenza. I progettisti hanno molte differenti topologie di filtri con stub tra cui scegliere, alcune delle quali producono risposte identiche. Un esempio di filtro con stub è mostrato in figura 12; esso consiste in una fila di stub cortocircuitati di lunghezza λ/4 accoppiati insieme mediante trasformatori di impedenza a λ/4 . Gli stub nel corpo del filtro sono stub doppi paralleli mentre gli stub sulle sezioni alle estremità sono solo singoli, una disposizione che presenta vantaggi di adattamento di impedenza. I trasformatori di impedenza hanno l'effetto di trasformare la fila di anti-risonatori in shunt in una scaletta di risonatori in serie e anti-risonatori in shunt . Un filtro con proprietà simili può essere costruito con stub a circuito aperto da λ/4 posizionati in serie con la linea e accoppiati insieme con trasformatori di impedenza a λ/4, sebbene questa struttura non sia possibile nelle tecnologie planari. [66]
Ancora un'altra struttura disponibile è rappresentata dagli stub a circuito aperto di lunghezza λ/2 attraverso la linea accoppiati con trasformatori di impedenza a λ/4 . Questa topologia ha caratteristiche sia di passa-basso che di passa-banda. Poiché la CC passerà, è possibile trasmettere tensioni di polarizzazione a componenti attivi senza la necessità di condensatori di blocco. Inoltre, poiché non sono richiesti collegamenti di cortocircuito, non sono richieste operazioni di assemblaggio oltre alla stampa del circuito stampato quando queste strutture vengono implementate con stripline . Gli svantaggi sono: (i) il filtro occuperà più spazio sul supporto rispetto al corrispondente filtro con stub da λ/4, poiché tutti gli stub sono due volte più lunghi; (ii) la prima banda passante spuria si trova a 2ω 0 , al contrario di 3ω 0 come invece accade con il filtro con stub da λ/4. [67]
Konishi descrive un filtro passa-banda a larga banda da 12 GHz, che utilizza stub a farfalla da 60° e che presenta anche una risposta passa-basso (sono necessari stub cortocircuitati per impedire tale risposta). Come spesso accade con i filtri a elementi distribuiti, la forma di banda in cui è classificato il filtro dipende in gran parte dalle bande desiderate e da quelle considerate spurie. [68]
Filtri passa-alto
Filtri passa-alto originali sono difficili, se non impossibili, da implementare con elementi distribuiti. L'approccio usuale di progettazione consiste nel cominciare con una progettazione passa-banda, ma fare in modo che la banda soppressa superiore si presenti a frequenze così alte da non essere d'interesse. Tali filtri sono descritti come pseudo-passa-alto e la banda soppressa superiore è descritta come una banda soppressa vestigiale. Anche le strutture che sembrano avere una topologia passa-alto "ovvia", come il filtro a gap capacitivo della figura 8, risultano essere passa-banda quando si considera il loro comportamento per lunghezze d'onda molto piccole. [69]
Note
- ^ Bahl, pp.290–293.
- ^ Benoit, pp.44–51.
- ^ Lundström, pp.80–82
- ^ Connor, pp.13–14.
- ^ Golio, pp.1.2–1.3,4.4–4.5.
- ^ Matthaei et al. , pp.17–18.
- ^ Rogers et al. , p.129.
- ^ Thurston, p. 570
- ^ Mason and Sykes, 1937.
- ^ Mason, Warren P., "Wave filter", US Patent 1,781,469 , filed: 25 June 1927, issued: 11 November 1930..
- ^ Fagen and Millman, p.108.
- ^ Ragan, 1965.
- ^ Makimoto and Yamashita, p.2.
- ^ Levy and Cohn, p.1055.
- ^ Richards, 1948.
- ^ a b Levy and Cohn, p.1056.
- ^ Levy and Cohn, p.1057.
- ^ Young, 1963.
- ^ Levy, 1967.
- ^ a b c d Una branch line è un tratto di linea di linea di trasmissione che funge da diramazione. Un esempio si trova nell' accoppiatore con branch line
- ^ Aksun, p.142.
- ^ Barrett e Barnes, 1951,
Barrett, 1952,
Niehenke et al. , p.846. - ^ Sarkar, pp.556–559.
- ^ Cohn, 1958.
- ^ Matthaei, 1962.
- ^ Matthaei, 1963.
- ^ Matthaei et al. , 1964.
- ^ Levy e Cohn, pp.1057–1059.
- ^ Cristal e Frankel, 1972.
- ^ Levy e Cohn, p.1063.
- ^ Niehenke et al. , p.847.
- ^ Levy e Cohn, p.1065.
- ^ Huurdeman, pp.369–371.
- ^ Benoit, p.34.
- ^ Ford e Saunders, pp.157–159.
- ^ a b c d Bhat e Koul, p.498.
- ^ Matthaei et al. , pp.144–149, 203–207.
- ^ Bhat and Koul, p.539.
- ^ a b c Bhat and Koul, p.499.
- ^ In pratica, un circuito LC parallelo in condizioni di antirisonanza esibisce un'impedenza infinita come un circuito aperto, ma con lo stub a un quarto d'onda, ossia con un tratto di linea di trasmissione lungo un quarto di lunghezza d'onda, il quale si comporta da invertitore di impedenza, esibisce un'impedenza nulla, come un cortocircuito. Analogamente, un circuito LC serie in condizioni di risonanza esibisce un'impedenza nulla come un cortocircuito, ma con lo stub a un quarto d'onda, il quale si comporta da invertitore di impedenza, esibisce un'impedenza infinita, come un circuito aperto.
- ^ Matthaei et al. , pp.203–207.
- ^ Carr, pp.63–64.
- ^ Matthaei et al. , pp.217–218.
- ^ Matthaei et al. , pp.217–229.
- ^ a b Kneppo, pp.213–214.
- ^ Matthaei et al. , pp.373–374.
- ^ Lee, pp.789–790.
- ^ a b c d Sevgi, p.252.
- ^ Hong and Lancaster, p.217.
- ^ Matthaei et al. , pp.373–380.
- ^ Lee, pp.792–794.
- ^ Kneppo, p.212.
- ^ Lee, pp.790–792.
- ^ Kneppo, pp.212–213.
- ^ Farago, p.69.
- ^ Matthaei et al. , pp.422, 440–450.
- ^ Matthaei et al. , pp.585–595.
- ^ Matthaei et al. , pp.422, 472–477.
- ^ Kneppo, pp.216–221.
- ^ Hong and Lancaster, pp.130–132.
- ^ Jarry and Beneat, p.15.
- ^ Paolo, pp.113–116.
- ^ Matthaei et al. , pp.424, 614–632.
- ^ Hong and Lancaster, p.140.
- ^ Matthaei et al. , pp.424, 497–518.
- ^ Matthaei et al. , pp.595–605.
- ^ Matthaei et al. , pp.605–614.
- ^ Konishi, pp.80–82.
- ^ Matthaei et al. , p.541.
Bibliografia
- Bahl, IJ, 'Lumped Elements for RF and Microwave Circuits , Artech House, 2003, ISBN 1-58053-309-4 .
- Barrett, RM and Barnes, MH, Microwave printed circuits , Radio Telev., vol.46, Settembre 1951, p. 16.
- Barrett, RM, Etched sheets serve as microwave components , Electronics, vol.25 Giugno 1952,, pp. 114-118.
- Benoit, Hervé, Satellite Television: Techniques of Analogue and Digital Television , Butterworth-Heinemann, 1999, ISBN 0-340-74108-2 .
- Bhat, Bharathi and Koul, Shiban K., Stripline-like Transmission Lines for Microwave Integrated Circuits , New Age International, 1989, ISBN 81-224-0052-3 .
- Carr, Joseph J., The Technician's Radio Receiver Handbook , Newnes, 2001, ISBN 0-7506-7319-2 .
- Cohn, SB, Parallel-coupled transmission-line resonator filters , IRE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-6, Aprile 1958, pp. 223-231.
- Connor, FR, Wave Transmission , Edward Arnold Ltd., 1972, ISBN 0-7131-3278-7 .
- Cristal, EG and Frankel, S., Hairpin line/half-wave parallel-coupled-line filters , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-20, Novembre 1972, pp. 719-728.
- Fagen, MD and Millman, S., A History of Engineering and Science in the Bell System: Volume 5: Communications Sciences (1925–1980) , AT&T Bell Laboratories, 1984.
- Farago, PS, An Introduction to Linear Network Analysis , English Universities Press, 1961.
- Ford, Peter John and Saunders, GA,The Rise of the Superconductors , CRC Press, 2005, ISBN 0-7484-0772-3 .
- Golio, John Michael, The RF and Microwave Handbook , CRC Press, 2001, ISBN 0-8493-8592-X .
- Hong, Jia-Sheng and Lancaster, MJ, Microstrip Filters for RF/Microwave Applications , John Wiley and Sons, 2001, ISBN 0-471-38877-7 .
- Huurdeman, Anton A., The Worldwide History of Telecommunications , Wiley-IEEE, 2003, ISBN 0-471-20505-2 .
- Jarry, Pierre and Beneat, Jacques, Design and Realizations of Miniaturized Fractal Microwave and RF Filters , John Wiley and Sons, 2009, ISBN 0-470-48781-X .
- Kneppo, Ivan, Microwave Integrated Circuits , Springer, 1994, ISBN 0-412-54700-7 .
- Konishi, Yoshihiro, Microwave Integrated Circuits , CRC Press, 1991, ISBN 0-8247-8199-6 .
- Lee, Thomas H., Planar Microwave Engineering: A Practical Guide to Theory, Measurement, and Circuits , Cambridge University Press, 2004, ISBN 0-521-83526-7 .
- Levy, R., of direct coupled-cavity filters , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-15, Giugno 1967, pp. 340-348.
- Levy, R. Cohn, SB, A History of microwave filter research, design, and development , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.32, issue 9, 1984, pp. 1055-1067.
- Lundström, Lars-Ingemar,Understanding Digital Television , Elsevier, 2006, ISBN 0-240-80906-8 .
- Makimoto, Mitsuo and Yamashita, Sadahiko, Microwave resonators and filters for wireless communication: theory, design, and application , Springer, 2001, ISBN 3-540-67535-3 .
- Mason, WP and Sykes, RA, The use of coaxial and balanced transmission lines in filters and wide band transformers for high radio frequencies , Bell Syst. Tech. J., vol.16, 1937, pp. 275-302.
- Matthaei, GL, Interdigital band-pass filters , IRE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-10, Novembre 1962, pp. 479-491.
- Matthaei, GL, Comb-line band-pass filters of narrow or moderate bandwidth , Microwave Journal, vol.6, Agosto 1963, pp. 82-91.
- Matthaei, George L.; Young, Leo and Jones, EMT, Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures , McGraw-Hill, 1964. (Per l'edizione del 1980, ISBN 0-89006-099-1 . )
- Niehenke, EC; Pucel, RA and Bahl, IJ, Microwave and millimeter-wave integrated circuits , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.50, Iss.3 Marzo 2002, pp. 846-857.
- Di Paolo, Franco, Networks and Devices using Planar Transmission Lines , CRC Press, 2000, ISBN 0-8493-1835-1 .
- Ragan, GL (ed.), Microwave transmission circuits , Massachusetts Institute of Technology Radiation Laboratory, Dover Publications, 1965.
- Richards, PI, Resistor-transmission-line circuits , Proceedings of the IRE, vol.36, Feb. 1948, pp. 217-220.
- Rogers, John WM and Plett, Calvin, Radio Frequency Integrated Circuit Design , Artech House, 2003, ISBN 1-58053-502-X .
- Sarkar, Tapan K., History of Wireless , John Wiley and Sons, 2006, ISBN 0-471-71814-9 .
- Sevgi, Levent, Complex Electromagnetic Problems and Numerical Simulation Approaches , Wiley-IEEE, 2003, ISBN 0-471-43062-5 .
- Thurston, Robert N., Warren P. Mason: 1900-1986 , Journal of the Acoustical Society of America, vol. 81, iss. 2, Febbraio 1987, pp. 570-571.
- Young, L., Direct-coupled cavity filters for wide and narrow bandwidths , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , vol.MTT-11, Maggio 1963, pp. 162-178.
Voci correlate
Altri progetti
- Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Filtro a elementi distribuiti