Los circuitos de elementos distribuidos son circuitos eléctricos compuestos por tramos de líneas de transmisión u otros componentes distribuidos. Estos circuitos realizan las mismas funciones que los circuitos convencionales compuestos de componentes pasivos , como condensadores , inductores y transformadores . Se utilizan principalmente en frecuencias de microondas , donde los componentes convencionales son difíciles (o imposibles) de implementar.
Los circuitos convencionales constan de componentes individuales fabricados por separado y luego conectados entre sí con un medio conductor. Los circuitos de elementos distribuidos se construyen formando el propio medio en patrones específicos. Una de las principales ventajas de los circuitos de elementos distribuidos es que se pueden producir de forma económica como una placa de circuito impreso para productos de consumo, como la televisión por satélite . También se fabrican en formatos coaxiales y de guía de ondas para aplicaciones como radar , comunicaciones por satélite y enlaces de microondas .
Un fenómeno comúnmente utilizado en los circuitos de elementos distribuidos es que se puede hacer que una longitud de línea de transmisión se comporte como un resonador . Los componentes de elementos distribuidos que hacen esto incluyen stubs , líneas acopladas y líneas en cascada. Los circuitos construidos a partir de estos componentes incluyen filtros , divisores de potencia, acopladores direccionales y circuladores .
Los circuitos de elementos distribuidos se estudiaron durante las décadas de 1920 y 1930, pero no cobraron importancia hasta la Segunda Guerra Mundial , cuando se utilizaron en radares . Después de la guerra, su uso se limitó a la infraestructura militar, espacial y de transmisión , pero las mejoras en la ciencia de los materiales en el campo pronto llevaron a aplicaciones más amplias. Ahora se pueden encontrar en productos domésticos como antenas parabólicas y teléfonos móviles.
Modelado de circuitos
Los circuitos de elementos distribuidos se diseñan con el modelo de elementos distribuidos , una alternativa al modelo de elementos agrupados en el que se supone que los elementos eléctricos pasivos de resistencia eléctrica , capacitancia e inductancia están "agrupados" en un punto del espacio en una resistencia . condensador o inductor , respectivamente. El modelo de elementos distribuidos se utiliza cuando este supuesto ya no se cumple y estas propiedades se consideran distribuidas en el espacio. La suposición se rompe cuando hay un tiempo significativo para que las ondas electromagnéticas viajen desde un terminal de un componente al otro; "significativo", en este contexto, implica tiempo suficiente para un cambio de fase notable . La cantidad de cambio de fase depende de la frecuencia de la onda (e inversamente dependiente de la longitud de onda ). Una regla general común entre los ingenieros es cambiar del modelo agrupado al distribuido cuando las distancias involucradas son más de una décima parte de una longitud de onda (un cambio de fase de 36 °). El modelo agrupado falla completamente en un cuarto de longitud de onda (un cambio de fase de 90 °), no solo el valor, sino la naturaleza del componente no es como se predijo. Debido a esta dependencia de la longitud de onda, el modelo de elementos distribuidos se utiliza principalmente en frecuencias más altas; a bajas frecuencias, los componentes de elementos distribuidos son demasiado voluminosos. Los diseños distribuidos son factibles por encima de 300 MHz y son la tecnología de elección en frecuencias de microondas por encima de 1 GHz . [1]
No existe una demarcación clara en la frecuencia con la que se deben utilizar estos modelos. Aunque el cambio suele estar en algún lugar del rango de 100 a 500 MHz , la escala tecnológica también es significativa; Los circuitos miniaturizados pueden utilizar el modelo agrupado a una frecuencia más alta. Las placas de circuito impreso (PCB) que utilizan tecnología de orificio pasante son más grandes que los diseños equivalentes que utilizan tecnología de montaje en superficie . Los circuitos integrados híbridos son más pequeños que las tecnologías de PCB y los circuitos integrados monolíticos son más pequeños que ambos. Los circuitos integrados pueden utilizar diseños agrupados a frecuencias más altas que los circuitos impresos, y esto se hace en algunos circuitos integrados de radiofrecuencia . Esta elección es particularmente significativa para los dispositivos portátiles, porque los diseños de elementos agrupados generalmente dan como resultado un producto más pequeño. [2]
Construcción con líneas de transmisión
La inmensa mayoría de los circuitos de elementos distribuidos se componen de tramos de línea de transmisión , una forma particularmente sencilla de modelar. Las dimensiones de la sección transversal de la línea no varían a lo largo de su longitud y son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la señal; por tanto, sólo es necesario considerar la distribución a lo largo de la línea. Tal elemento de un circuito distribuido se caracteriza completamente por su longitud e impedancia característica . Se produce una simplificación adicional en los circuitos de línea proporcionales , donde todos los elementos tienen la misma longitud. Con circuitos proporcionales, un prototipo de diseño de circuito agrupado que consta de condensadores e inductores se puede convertir directamente en un circuito distribuido con una correspondencia uno a uno entre los elementos de cada circuito. [3]
Los circuitos de línea proporcionales son importantes porque existe una teoría de diseño para producirlos; no existe una teoría general para los circuitos que consisten en longitudes arbitrarias de línea de transmisión (o cualquier forma arbitraria). Aunque una forma arbitraria se puede analizar con las ecuaciones de Maxwell para determinar su comportamiento, encontrar estructuras útiles es una cuestión de prueba y error o conjeturas. [4]
Una diferencia importante entre los circuitos de elementos distribuidos y los circuitos de elementos agrupados es que la respuesta de frecuencia de un circuito distribuido se repite periódicamente como se muestra en el ejemplo del filtro Chebyshev ; el circuito agrupado equivalente no lo hace. Esto es el resultado de que la función de transferencia de formas agrupadas es una función racional de frecuencia compleja ; las formas distribuidas son una función irracional. Otra diferencia es que las longitudes de línea conectadas en cascada introducen un retardo fijo en todas las frecuencias (asumiendo una línea ideal ). No hay equivalente en circuitos agrupados para un retardo fijo, aunque podría construirse una aproximación para un rango de frecuencia limitado. [5]
Ventajas y desventajas
Los circuitos de elementos distribuidos son baratos y fáciles de fabricar en algunos formatos, pero ocupan más espacio que los circuitos de elementos agrupados. Esto es problemático en los dispositivos móviles (especialmente en los de mano), donde el espacio es un bien escaso. Si las frecuencias de funcionamiento no son demasiado altas, el diseñador puede miniaturizar componentes en lugar de cambiar a elementos distribuidos. Sin embargo, los elementos parásitos y las pérdidas resistivas en los componentes agrupados son mayores al aumentar la frecuencia como proporción del valor nominal de la impedancia del elemento agrupado. En algunos casos, los diseñadores pueden elegir un diseño de elementos distribuidos (incluso si los componentes agrupados están disponibles en esa frecuencia) para beneficiarse de una calidad mejorada . Los diseños de elementos distribuidos tienden a tener una mayor capacidad de manejo de energía; con un componente agrupado, toda la energía que pasa por un circuito se concentra en un pequeño volumen. [6]
Medios de comunicación
Conductores emparejados
Existen varios tipos de líneas de transmisión, y cualquiera de ellos se puede utilizar para construir circuitos de elementos distribuidos. El más antiguo (y aún más utilizado) es un par de conductores; su forma más común es el par trenzado , utilizado para líneas telefónicas y conexiones a Internet. No se usa a menudo para circuitos de elementos distribuidos porque las frecuencias utilizadas son más bajas que el punto donde los diseños de elementos distribuidos se vuelven ventajosos. Sin embargo, los diseñadores con frecuencia comienzan con un diseño de elementos agrupados y lo convierten en un diseño de elementos distribuidos de cable abierto. El cable abierto es un par de conductores paralelos no aislados que se utilizan, por ejemplo, para líneas telefónicas en postes de telégrafo . Por lo general, el diseñador no tiene la intención de implementar el circuito de esta forma; es un paso intermedio en el proceso de diseño. Los diseños de elementos distribuidos con pares de conductores se limitan a unos pocos usos especializados, como las líneas Lecher y el cable doble utilizado para las líneas de alimentación de antenas . [7]
Coaxial
La línea coaxial , un conductor central rodeado por un conductor de blindaje aislado, se usa ampliamente para interconectar unidades de equipos de microondas y para transmisiones de larga distancia. Aunque los dispositivos coaxiales de elementos distribuidos se fabricaron comúnmente durante la segunda mitad del siglo XX, en muchas aplicaciones se han reemplazado por formas planas debido a consideraciones de costo y tamaño. La línea coaxial dieléctrica de aire se utiliza para aplicaciones de baja pérdida y alta potencia. Los circuitos de elementos distribuidos en otros medios todavía suelen pasar a conectores coaxiales en los puertos del circuito para fines de interconexión. [8]
Planar
La mayoría de los circuitos modernos de elementos distribuidos utilizan líneas de transmisión planas, especialmente aquellas en artículos de consumo producidos en masa. Hay varias formas de línea plana, pero el tipo conocido como microcinta es el más común. Puede fabricarse mediante el mismo proceso que las placas de circuito impreso y, por tanto, su fabricación es económica. También se presta a la integración con circuitos agrupados en la misma placa. Otras formas de líneas planas impresas incluyen stripline , finline y muchas variaciones. Las líneas planas también se pueden utilizar en circuitos integrados de microondas monolíticos , donde son parte integral del chip del dispositivo. [9]
Guía de ondas
Muchos diseños de elementos distribuidos se pueden implementar directamente en la guía de ondas. Sin embargo, existe una complicación adicional con las guías de ondas en el sentido de que son posibles múltiples modos . Estos a veces existen simultáneamente, y esta situación no tiene analogía en la conducción de líneas. Las guías de ondas tienen la ventaja de tener una menor pérdida y resonadores de mayor calidad en comparación con las líneas conductoras, pero su costo y volumen relativos significa que a menudo se prefiere la microcinta. Waveguide se utiliza principalmente en productos de alta gama, como radares militares de alta potencia y las bandas de microondas superiores (donde los formatos planos tienen demasiadas pérdidas). La guía de ondas se vuelve más voluminosa con una frecuencia más baja, lo que se opone a su uso en las bandas más bajas. [10]
Mecánico
En algunas aplicaciones especializadas, como los filtros mecánicos en transmisores de radio de alta gama (marinos, militares, radioaficionados), los circuitos electrónicos se pueden implementar como componentes mecánicos; esto se hace en gran parte debido a la alta calidad de los resonadores mecánicos. Se utilizan en la banda de radiofrecuencia (por debajo de las frecuencias de microondas), donde de otro modo se podrían utilizar guías de ondas. Los circuitos mecánicos también se pueden implementar, en su totalidad o en parte, como circuitos de elementos distribuidos. La frecuencia a la que la transición al diseño de elementos distribuidos se vuelve factible (o necesaria) es mucho menor con los circuitos mecánicos. Esto se debe a que la velocidad a la que viajan las señales a través de medios mecánicos es mucho menor que la velocidad de las señales eléctricas. [11]
Componentes del circuito
Hay varias estructuras que se utilizan repetidamente en circuitos de elementos distribuidos. Algunos de los más comunes se describen a continuación.
Talón
Un trozo es un tramo corto de línea que se ramifica al lado de una línea principal. El extremo del talón a menudo se deja abierto o en cortocircuito, pero también se puede terminar con un componente agrupado. Un stub se puede usar solo (por ejemplo, para igualar la impedancia ), o varios de ellos se pueden usar juntos en un circuito más complejo, como un filtro. Un talón puede diseñarse como el equivalente de un condensador, inductor o resonador agrupado. [12]
Las desviaciones de la construcción con líneas de transmisión uniformes en circuitos de elementos distribuidos son raras. Una de esas salidas que se usa ampliamente es el trozo radial, que tiene la forma de un sector de un círculo . A menudo se utilizan en pares, uno a cada lado de la línea de transmisión principal. Estos pares se denominan colillas de mariposa o corbatín. [13]
Líneas acopladas
Las líneas acopladas son dos líneas de transmisión entre las que existe algún acoplamiento electromagnético . El acoplamiento puede ser directo o indirecto. En el acoplamiento indirecto, las dos líneas se extienden juntas a una distancia sin apantallamiento entre ellas. La fuerza del acoplamiento depende de la distancia entre las líneas y la sección transversal presentada a la otra línea. En el acoplamiento directo, los ramales conectan directamente las dos líneas principales a intervalos. [14]
Las líneas acopladas son un método común para construir divisores de potencia y acopladores direccionales . Otra propiedad de las líneas acopladas es que actúan como un par de resonadores acoplados . Esta propiedad se utiliza en muchos filtros de elementos distribuidos. [15]
Líneas en cascada
Las líneas en cascada son tramos de línea de transmisión donde la salida de una línea está conectada a la entrada de la siguiente. Se pueden usar múltiples líneas en cascada de diferentes impedancias características para construir un filtro o una red de adaptación de impedancia de banda ancha. Esto se llama estructura de impedancia escalonada. [16] Una sola línea en cascada de un cuarto de longitud de onda forma un transformador de impedancia de un cuarto de onda . Esto tiene la útil propiedad de transformar cualquier red de impedancia en su dual ; en este papel, se denomina inversor de impedancia. Esta estructura se puede utilizar en filtros para implementar un prototipo de elementos agrupados en topología de escalera como un circuito de elementos distribuidos. Los transformadores de cuarto de onda se alternan con un resonador de elemento distribuido para lograr esto. Sin embargo, este es ahora un diseño anticuado; En su lugar, se utilizan inversores más compactos, como el paso de impedancia. Un paso de impedancia es la discontinuidad formada en la unión de dos líneas de transmisión en cascada con diferentes impedancias características. [17]
Resonador de cavidad
Un resonador de cavidad es un espacio vacío (oa veces lleno de dieléctrico) rodeado por paredes conductoras. Las aberturas en las paredes acoplan el resonador al resto del circuito. La resonancia se produce debido a ondas electromagnéticas reflejadas hacia adelante y hacia atrás desde las paredes de la cavidad creando ondas estacionarias . Los resonadores de cavidad se pueden utilizar en muchos medios, pero se forman de forma más natural en la guía de ondas a partir de las paredes metálicas ya existentes de la guía. [18]
Resonador dieléctrico
Un resonador dieléctrico es una pieza de material dieléctrico expuesta a ondas electromagnéticas. Suele presentarse en forma de cilindro o disco grueso. Aunque los resonadores de cavidad se pueden llenar con dieléctrico, la diferencia esencial es que en los resonadores de cavidad el campo electromagnético está contenido por completo dentro de las paredes de la cavidad. Un resonador dieléctrico tiene algún campo en el espacio circundante. Esto puede provocar un acoplamiento no deseado con otros componentes. La principal ventaja de los resonadores dieléctricos es que son considerablemente más pequeños que la cavidad equivalente llena de aire. [19]
Resonador helicoidal
Un resonador helicoidal es una hélice de alambre en una cavidad; un extremo no está conectado y el otro está unido a la pared de la cavidad. Aunque son superficialmente similares a los inductores agrupados, los resonadores helicoidales son componentes de elementos distribuidos y se utilizan en las bandas de VHF y UHF inferiores . [20]
Fractales
El uso de curvas similares a fractales como componente de un circuito es un campo emergente en los circuitos de elementos distribuidos. [22] Los fractales se han utilizado para hacer resonadores para filtros y antenas. Uno de los beneficios de usar fractales es su propiedad de llenar el espacio, haciéndolos más pequeños que otros diseños. [23] Otras ventajas incluyen la capacidad de producir diseños de banda ancha y multibanda , buen rendimiento dentro de banda y buen rechazo fuera de banda . [24] En la práctica, no se puede hacer un verdadero fractal porque en cada iteración fractal las tolerancias de fabricación se vuelven más estrictas y eventualmente mayores de lo que puede lograr el método de construcción. Sin embargo, después de un pequeño número de iteraciones, el rendimiento se acerca al de un verdadero fractal. Estos pueden denominarse pre-fractales o fractales de orden finito cuando es necesario distinguirlos de un verdadero fractal. [25]
Los fractales que se han utilizado como un componente de circuito incluyen el copo de nieve de Koch , la isla de Minkowski , la curva de Sierpiński , la curva de Hilbert y la curva de Peano . [26] Los tres primeros son curvas cerradas, adecuadas para antenas de parche. Los dos últimos son curvas abiertas con terminaciones en lados opuestos del fractal. Esto los hace adecuados para su uso donde se requiere una conexión en cascada . [27]
Afilar
Un cono es una línea de transmisión con un cambio gradual en la sección transversal. Puede considerarse el caso límite de la estructura de impedancia escalonada con un número infinito de pasos. [28] Los conos son una forma sencilla de unir dos líneas de transmisión de impedancias características diferentes. El uso de conicidades reduce en gran medida los efectos de desajuste que causaría una unión directa. Si el cambio en la sección transversal no es demasiado grande, es posible que no se necesite ningún otro circuito coincidente. [29] Los conos pueden proporcionar transiciones entre líneas en diferentes medios, especialmente en diferentes formas de medios planos. [30] Los conos comúnmente cambian de forma linealmente, pero se pueden usar una variedad de otros perfiles. El perfil que logra una coincidencia especificada en la longitud más corta se conoce como cono de Klopfenstein y se basa en el diseño del filtro Chebychev . [31]
Los conos se pueden utilizar para hacer coincidir una línea de transmisión con una antena. En algunos diseños, como la antena de trompeta y la antena Vivaldi , el cono es en sí mismo la antena. Las antenas de cuerno, al igual que otras conicidades, suelen ser lineales, pero la mejor combinación se obtiene con una curva exponencial. La antena Vivaldi es una versión plana (ranura) del cono exponencial. [32]
Resistencia distribuida
Los elementos resistivos generalmente no son útiles en un circuito de elementos distribuidos. Sin embargo, se pueden utilizar resistencias distribuidas en atenuadores y terminaciones de línea . En medios planos se pueden implementar como una línea serpenteante de material de alta resistencia, o como un parche depositado de material de película fina o de película gruesa . [33] En la guía de ondas, se puede insertar una tarjeta de material absorbente de microondas en la guía de ondas. [34]
Bloques de circuitos
Filtros y adaptación de impedancia
Los filtros son un gran porcentaje de circuitos construidos con elementos distribuidos. Se utiliza una amplia gama de estructuras para construirlos, incluidos rampas, líneas acopladas y líneas en cascada. Las variaciones incluyen filtros interdigitales, filtros combline y filtros de horquilla. Los desarrollos más recientes incluyen filtros fractales . [35] Muchos filtros se construyen junto con resonadores dieléctricos . [36]
Al igual que con los filtros de elementos agrupados, cuantos más elementos se utilicen, más se acercará el filtro a una respuesta ideal ; la estructura puede volverse bastante compleja. [37] Para requisitos simples de banda estrecha, un solo resonador puede ser suficiente (como un filtro stub o spurline ). [38]
La adaptación de impedancia para aplicaciones de banda estrecha se logra con frecuencia con un único talón de adaptación. Sin embargo, para aplicaciones de banda ancha, la red de adaptación de impedancia asume un diseño similar a un filtro. El diseñador prescribe una respuesta de frecuencia requerida y diseña un filtro con esa respuesta. La única diferencia con un diseño de filtro estándar es que la fuente del filtro y las impedancias de carga son diferentes. [39]
Divisores de potencia, combinadores y acopladores direccionales
Un acoplador direccional es un dispositivo de cuatro puertos que acopla la energía que fluye en una dirección de un camino a otro. Dos de los puertos son los puertos de entrada y salida de la línea principal. Una parte de la energía que ingresa al puerto de entrada se acopla a un tercer puerto, conocido como puerto acoplado . Nada de la energía que ingresa al puerto de entrada está acoplada al cuarto puerto, generalmente conocido como puerto aislado . Para que la energía fluya en la dirección inversa y entre por el puerto de salida, se produce una situación recíproca; parte de la energía está acoplada al puerto aislado, pero ninguna está acoplada al puerto acoplado. [41]
Un divisor de potencia a menudo se construye como un acoplador direccional, con el puerto aislado terminado permanentemente en una carga combinada (lo que lo convierte efectivamente en un dispositivo de tres puertos). No existe una diferencia esencial entre los dos dispositivos. El término acoplador direccional se usa generalmente cuando el factor de acoplamiento (la proporción de potencia que llega al puerto acoplado) es bajo, y el divisor de potencia cuando el factor de acoplamiento es alto. Un combinador de potencia es simplemente un divisor de potencia utilizado a la inversa. En implementaciones de elementos distribuidos que utilizan líneas acopladas, las líneas acopladas indirectamente son más adecuadas para acopladores direccionales de bajo acoplamiento; Los acopladores de ramales acoplados directamente son más adecuados para los divisores de potencia de acoplamiento alto. [42]
Los diseños de elementos distribuidos se basan en una longitud de elemento de un cuarto de longitud de onda (o alguna otra longitud); esto será cierto en una sola frecuencia. Los diseños simples, por lo tanto, tienen un ancho de banda limitado sobre el que funcionarán con éxito. Al igual que las redes de adaptación de impedancia, un diseño de banda ancha requiere múltiples secciones y el diseño comienza a parecerse a un filtro. [43]
Híbridos
Un acoplador direccional que divide la potencia equitativamente entre los puertos de salida y acoplados (un acoplador de 3 dB ) se denomina híbrido . [44] Aunque "híbrido" se refería originalmente a un transformador híbrido (un dispositivo agrupado utilizado en los teléfonos), ahora tiene un significado más amplio. Un híbrido de elementos distribuidos ampliamente utilizado que no usa líneas acopladas es el anillo híbrido o el acoplador de carrera de ratas . Cada uno de sus cuatro puertos está conectado a un anillo de línea de transmisión en un punto diferente. Las ondas viajan en direcciones opuestas alrededor del anillo, creando ondas estacionarias . En algunos puntos del anillo, la interferencia destructiva da como resultado un nulo; ninguna energía dejará un puerto configurado en ese punto. En otros puntos, la interferencia constructiva maximiza la potencia transferida. [45]
Otro uso de un acoplador híbrido es producir la suma y la diferencia de dos señales. En la ilustración, dos señales de entrada se envían a los puertos marcados con 1 y 2. La suma de las dos señales aparece en el puerto marcado Σ y la diferencia en el puerto marcado Δ. [46] Además de sus usos como acopladores y divisores de potencia, los acopladores direccionales se pueden utilizar en mezcladores balanceados , discriminadores de frecuencia , atenuadores , desfasadores y redes de alimentación de antenas . [47]
Circuladores
Un circulador es generalmente un dispositivo de tres o cuatro puertos en el que la energía que ingresa a un puerto se transfiere al siguiente puerto en rotación, como si se tratara de un círculo. La energía puede fluir en una sola dirección alrededor del círculo (en sentido horario o antihorario) y no se transfiere energía a ninguno de los otros puertos. La mayoría de los circuladores de elementos distribuidos se basan en materiales de ferrita . [48] Los usos de circuladores incluyen como aislador para proteger un transmisor (u otro equipo) de daños debido a reflejos de la antena, y como duplexor conectando la antena, transmisor y receptor de un sistema de radio. [49]
Una aplicación inusual de un circulador es en un amplificador de reflexión , donde la resistencia negativa de un diodo Gunn se usa para reflejar más potencia de la que recibió. El circulador se utiliza para dirigir los flujos de potencia de entrada y salida a puertos separados. [50]
Los circuitos pasivos, tanto agrupados como distribuidos, son casi siempre recíprocos ; sin embargo, los circuladores son una excepción. Hay varias formas equivalentes de definir o representar la reciprocidad. Una conveniente para circuitos a frecuencias de microondas (donde se usan circuitos de elementos distribuidos) es en términos de sus parámetros-S . Un circuito recíproco tendrá una matriz de parámetros S , [ S ], que es simétrica . De la definición de circulador, está claro que este no será el caso,
para un circulador ideal de tres puertos, mostrando que los circuladores no son recíprocos por definición. De ello se deduce que es imposible construir un circulador a partir de componentes pasivos estándar (agrupados o distribuidos). La presencia de una ferrita, o algún otro material o sistema no recíproco, es esencial para que el dispositivo funcione. [51]
Componentes activos
Los elementos distribuidos suelen ser pasivos, pero la mayoría de las aplicaciones requerirán componentes activos en alguna función. Un circuito integrado híbrido de microondas utiliza elementos distribuidos para muchos componentes pasivos, pero los componentes activos (como diodos , transistores y algunos componentes pasivos) son discretos. Los componentes activos se pueden envasar o se pueden colocar sobre el sustrato en forma de chip sin envasado individual para reducir el tamaño y eliminar los parásitos inducidos por el envasado . [52]
Los amplificadores distribuidos constan de varios dispositivos amplificadores (generalmente FET ), con todas sus entradas conectadas a través de una línea de transmisión y todas sus salidas a través de otra línea de transmisión. Las longitudes de las dos líneas deben ser iguales entre cada transistor para que el circuito funcione correctamente, y cada transistor se suma a la salida del amplificador. Esto es diferente de un amplificador multietapa convencional , donde la ganancia se multiplica por la ganancia de cada etapa. Aunque un amplificador distribuido tiene una ganancia menor que un amplificador convencional con el mismo número de transistores, tiene un ancho de banda significativamente mayor. En un amplificador convencional, el ancho de banda se reduce en cada etapa adicional; en un amplificador distribuido, el ancho de banda total es el mismo que el ancho de banda de una sola etapa. Los amplificadores distribuidos se utilizan cuando un solo transistor grande (o un amplificador multitransistor complejo) sería demasiado grande para tratarlo como un componente agrupado; las líneas de transmisión de enlace separan los transistores individuales. [53]
Historia
El modelado de elementos distribuidos fue utilizado por primera vez en el análisis de redes eléctricas por Oliver Heaviside [54] en 1881. Heaviside lo utilizó para encontrar una descripción correcta del comportamiento de las señales en el cable telegráfico transatlántico . La transmisión de los primeros telégrafos transatlánticos había sido difícil y lenta debido a la dispersión , efecto que no se comprendía bien en ese momento. El análisis de Heaviside, ahora conocido como ecuaciones del telegrafista , identificó el problema y sugirió [55] métodos para superarlo . Sigue siendo el análisis estándar de las líneas de transmisión. [56]
Warren P. Mason fue el primero en investigar la posibilidad de circuitos de elementos distribuidos y presentó una patente [57] en 1927 para un filtro coaxial diseñado con este método. Mason y Sykes publicaron el artículo definitivo sobre el método en 1937. Mason también fue el primero en sugerir un filtro acústico de elementos distribuidos en su tesis doctoral de 1927, y un filtro mecánico de elementos distribuidos en una patente [58] presentada en 1941. Mason El trabajo se centró en la forma coaxial y otros cables conductores, aunque gran parte de él también podría adaptarse para guías de ondas. El trabajo acústico había sido lo primero, y los colegas de Mason en el departamento de radio de Bell Labs le pidieron que lo ayudara con filtros coaxiales y de guía de ondas. [59]
Antes de la Segunda Guerra Mundial , había poca demanda de circuitos de elementos distribuidos; las frecuencias utilizadas para las transmisiones de radio fueron inferiores al punto en el que los elementos distribuidos se volvieron ventajosos. Las frecuencias más bajas tenían un rango mayor, una consideración primordial para fines de transmisión . Estas frecuencias requieren antenas largas para un funcionamiento eficiente, y esto llevó a trabajar en sistemas de frecuencias más altas. Un avance clave fue la introducción en 1940 del magnetrón de cavidad que operaba en la banda de microondas y resultó en un equipo de radar lo suficientemente pequeño como para instalarlo en un avión. [60] Siguió un aumento en el desarrollo de filtros de elementos distribuidos, siendo los filtros un componente esencial de los radares. La pérdida de señal en los componentes coaxiales llevó al primer uso generalizado de la guía de ondas, extendiendo la tecnología de filtro del dominio coaxial al dominio de la guía de ondas. [61]
El trabajo en tiempos de guerra fue en su mayoría inédito hasta después de la guerra por razones de seguridad, lo que hizo difícil determinar quién era responsable de cada desarrollo. Un centro importante para esta investigación fue el Laboratorio de Radiación del MIT (Rad Lab), pero también se trabajó en otros lugares de Estados Unidos y Gran Bretaña. El trabajo de Rad Lab fue publicado [62] por Fano y Lawson. [63] Otro desarrollo en tiempos de guerra fue el anillo híbrido. Este trabajo se llevó a cabo en Bell Labs y fue publicado [64] después de la guerra por WA Tyrrell. Tyrrell describe los anillos híbridos implementados en la guía de ondas y los analiza en términos de la conocida camiseta mágica de la guía de ondas . Otros investigadores [65] pronto publicaron versiones coaxiales de este dispositivo. [66]
George Matthaei dirigió un grupo de investigación en el Instituto de Investigación de Stanford que incluía a Leo Young y fue responsable de muchos diseños de filtros. Matthaei describió por primera vez el filtro interdigital [67] y el filtro combline. [68] El trabajo del grupo se publicó [69] en un libro histórico de 1964 que cubre el estado del diseño de circuitos de elementos distribuidos en ese momento, que siguió siendo un trabajo de referencia importante durante muchos años. [70]
Los formatos planos comenzaron a usarse con la invención de la línea de bandas por Robert M. Barrett . Aunque el stripline fue otro invento de la guerra, sus detalles no se publicaron [71] hasta 1951. Microstrip , inventado en 1952, [72] se convirtió en un rival comercial del stripline; sin embargo, los formatos planos no comenzaron a ser ampliamente utilizados en aplicaciones de microondas hasta que se dispuso de mejores materiales dieléctricos para los sustratos en la década de 1960. [73] Otra estructura que tuvo que esperar por mejores materiales fue el resonador dieléctrico. Sus ventajas (tamaño compacto y alta calidad) fueron señaladas por primera vez [74] por RD Richtmeyer en 1939, pero no se desarrollaron materiales con buena estabilidad térmica hasta la década de 1970. Los filtros de resonador dieléctrico ahora son comunes en los filtros de guías de ondas y líneas de transmisión. [75]
Desarrollos teóricos importantes incluidas Pablo I. Richards ' teoría acorde línea , que fue publicado [76] en 1948, y las identidades de Kuroda , un conjunto de transformaciones que superó algunas limitaciones prácticas de la teoría Richards, publicado [77] por Kuroda en 1955. [78 ] Según Nathan Cohen, la antena logarítmica periódica , inventada por Raymond DuHamel y Dwight Isbell en 1957, debería considerarse la primera antena fractal. Sin embargo, su naturaleza auto-similar y, por lo tanto, su relación con los fractales se pasó por alto en ese momento. Por lo general, todavía no se clasifica como una antena fractal. Cohen fue el primero en identificar explícitamente la clase de antenas fractales después de inspirarse en una conferencia de Benoit Mandelbrot en 1987, pero no pudo publicar un artículo hasta 1995. [79]
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