Usuária:Ayaena/Filtro de elemento distribuído

Figura 1. Um circuito com muitas das estruturas de filtro descritas neste artigo. A frequência de operação dos filtros é de cerca de 11 gigahertz (GHz). Este circuito é descrito na caixa abaixo.

Conversor de bloco de baixo ruído O circuito representado na figura 1 é um conversor de bloco de baixo ruído e destina-se a ser conectado a uma antena parabólica de recepção de televisão por satélite. É chamado de conversor de bloco porque converte um grande número de canais de satélite como um bloco sem tentar extrair para um canal específico. Mesmo que a transmissão tenha viajado 22.000 quilômetros da órbita do satélite, há um problema em levar o sinal nos últimos metros da antena parabólica até o ponto onde ela será usada dentro da propriedade. A dificuldade é que o sinal é trazido para dentro da propriedade por um cabo (chamado de downlead) e as altas frequências do sinal de satélite são bastante atenuadas quando em um cabo em vez de espaço livre. O objetivo do conversor de bloco é converter o sinal de satélite para uma banda de frequência muito mais baixa que pode ser tratada pelo downlead e pelo set-top box do usuário. As frequências dependem do sistema de satélites e da região geográfica, mas este dispositivo em particular converte um bloco de frequências na banda 10.7 GHz a 11,8 GHz. A saída que vai para o downlead está na banda 950 MHz a 1950 MHz. Os dois conectores F na parte inferior do dispositivo são para conexão com downleads. Dois são fornecidos neste modelo específico (os conversores de bloco podem ter qualquer número de saídas de um para cima) para que dois televisores ou um televisor e um videocassete possam ser sintonizados em dois canais diferentes ao mesmo tempo. A buzina receptora normalmente seria encaixada no orifício circular no centro da placa, as duas sondas que se projetam para este espaço são para receber sinais polarizados horizontal e verticalmente, respectivamente, e o dispositivo pode ser alternado entre esses dois. Muitas estruturas de filtro podem ser vistas no circuito: há dois exemplos de filtros de linhas acopladas paralelas de passagem de banda que existem para restringir o sinal de entrada à banda de interesse. A largura relativamente grande dos ressonadores (compare com o exemplo de microfita na figura 2, ou os filtros osciladores locais abaixo e à direita do oblongo de metal central) refletem a ampla largura de banda que o filtro deve passar. Existem também vários exemplos de filtros stub que fornecem polarização CC para transistores e outros dispositivos, sendo o filtro necessário para evitar que o sinal viaje em direção à fonte de alimentação. As fileiras de buracos em algumas pistas, chamadas de cercas, não são estruturas filtrantes, mas fazem parte do recinto. O PCB dentro de um analisador de espectro Agilent N9344C de 20 GHz mostrando vários elementos de tecnologia de filtro de elemento distribuído de microfita

Um filtro de elemento distribuído é um filtro eletrônico em que capacitância, indutância e resistência (os elementos do circuito) não estão localizados em capacitores discretos, indutores e resistores como nos filtros convencionais. Sua finalidade é permitir a passagem de uma faixa de frequências de sinal, mas bloquear outras. Filtros convencionais são construídos a partir de indutores e capacitores, e os circuitos assim construídos são descritos pelo modelo de elemento agrupado, que considera cada elemento “agrupado” em um só lugar. Esse modelo é conceitualmente simples, mas torna-se cada vez menos confiável à medida que a frequência do sinal aumenta, ou equivalentemente à medida que o comprimento de onda diminui. O modelo de elementos distribuídos aplica-se a todas as frequências sendo usado na teoria das linhas de transmissão ; muitos componentes de elementos distribuídos são realizados de pequenos comprimentos de linha de transmissão. Na visão distribuída de circuitos, os elementos são distribuídos ao longo do comprimento dos condutores e misturados inextricavelmente. O projeto do filtro geralmente se preocupa apenas com indutância e capacitância, mas devido a essa mistura de elementos, eles não podem ser tratados como capacitores e indutores separados “agrupados”. Não existe uma frequência precisa acima da qual filtros de elementos distribuídos devem ser usados, mas eles estão especialmente associados à banda de micro -ondas (comprimento de onda menor que um metro).

Filtros de elementos distribuídos são usados em muitas das mesmas aplicações que filtros de elementos concentrados, como seletividade de canal de rádio, limitação de banda de ruído e multiplexação de muitos sinais em um canal. Filtros de elementos distribuídos podem ser construídos para ter qualquer uma das formas de banda possíveis com elementos agrupados (⁣passa-baixa, passa -faixa, etc.), com exceção do passa-alta, que geralmente é apenas aproximado. Todas as classes de filtro usadas em projetos de elementos concentrados (⁣Butterworth, Chebyshev, etc.) podem ser implementadas usando uma abordagem de elementos distribuídos.

Existem muitas formas de componentes usados para construir filtros de elementos distribuídos, mas todos têm a propriedade comum de causar uma descontinuidade na linha de transmissão. Essas descontinuidades apresentam uma impedância reativa para uma frente de onda que percorre a linha, e essas reatâncias podem ser escolhidas pelo projeto para servir como aproximações para indutores, capacitores ou ressonadores concentrados, conforme exigido pelo filtro.

O desenvolvimento de filtros de elementos distribuídos foi estimulado pela necessidade militar de radar e contramedidas eletrônicas durante a Guerra Mundial. II. Filtros analógicos de elementos aglomerados já haviam sido desenvolvidos muito antes, mas esses novos sistemas militares operavam em frequências de micro-ondas e novos projetos de filtros eram necessários. Quando a guerra terminou, a tecnologia encontrou aplicações nos links de micro -ondas usados por companhias telefônicas e outras organizações com grandes redes de comunicação fixa, como emissoras de televisão. Atualmente a tecnologia pode ser encontrada em diversos itens de consumo produzidos em massa, como os conversores (a figura 1 mostra um exemplo) usados em antenas parabólicas de televisão.

Comentários gerais

Figura 2. Um filtro de linhas paralelas em construção de microfita

O símbolo λ é usado para significar o comprimento de onda do sinal que está sendo transmitido na linha ou uma seção de linha desse comprimento elétrico.

Filtros de elementos distribuídos são usados principalmente em frequências acima da banda VHF (Very High Frequency) (30 a 300 MHz). Nessas frequências, o comprimento físico dos componentes passivos é uma fração significativa do comprimento de onda da frequência de operação, e torna-se difícil usar o modelo de elemento concentrado convencional. O ponto exato onde a modelagem de elementos distribuídos se torna necessária depende do projeto específico em consideração. Uma regra prática comum é aplicar a modelagem de elementos distribuídos quando as dimensões dos componentes são maiores que 0,1λ. A crescente miniaturização da eletrônica fez com que os projetos de circuitos se tornassem cada vez menores em comparação com λ. As frequências além das quais se torna necessária uma abordagem de elementos distribuídos para o projeto de filtros estão se tornando cada vez mais altas como resultado desses avanços. Por outro lado, as dimensões da estrutura da antena são geralmente comparáveis a λ em todas as bandas de frequência e requerem o modelo de elementos distribuídos.

A diferença mais notável no comportamento entre um filtro de elemento distribuído e sua aproximação de elemento concentrado é que o primeiro terá múltiplas réplicas de banda passante da banda passante protótipo de elemento concentrado, porque as características de transferência da linha de transmissão se repetem em intervalos harmônicos. Essas bandas de passagem espúrias são indesejáveis geralmente.

Para maior clareza de apresentação, os diagramas neste artigo são desenhados com os componentes implementados no formato stripline. Isso não implica uma preferência da indústria, embora os formatos de linhas de transmissão planares (ou seja, formatos onde os condutores consistem em tiras planas) sejam populares porque podem ser implementados usando técnicas estabelecidas de fabricação de placas de circuito impresso. As estruturas mostradas também podem ser implementadas usando técnicas de microstrip ou stripline enterrado (com ajustes adequados às dimensões) e podem ser adaptadas a cabos coaxiais, condutores duplos e guias de onda, embora algumas estruturas sejam mais adequadas para algumas implementações do que outras. As implementações de fio aberto, por exemplo, de várias estruturas são mostradas na segunda coluna da figura 3 e os equivalentes de fio aberto podem ser encontrados para a maioria das outras estruturas de stripline. Linhas de transmissão planas também são usadas em projetos de circuitos integrados.

História

O desenvolvimento de filtros de elementos distribuídos começou nos anos anteriores à Guerra Mundial II. Warren P. Mason fundou o campo de circuitos de elementos distribuídos. Um importante artigo sobre o assunto foi publicado por Mason e Sykes em 1937. Mason havia registrado uma patente muito antes, em 1927, e essa patente pode conter o primeiro projeto elétrico publicado que se afasta de uma análise de elementos concentrados. O trabalho de Mason e Sykes foi focado nos formatos de cabo coaxial e pares de fios balanceados — as tecnologias planarem ainda não estavam em uso. Muito desenvolvimento foi realizado durante os anos de guerra impulsionado pelas necessidades de filtragem de radar e contramedidas eletrônicas. Uma boa parte disso foi no Laboratório de Radiação do MIT,⁣ mas outros laboratórios nos EUA e no Reino Unido também estavam envolvidos.

Alguns avanços importantes na teoria de rede foram necessários antes que os filtros pudessem avançar além dos projetos de guerra. Uma delas foi a teoria da linha proporcional de Paul Richards. Linhas comensuráveis são redes nas quais todos os elementos têm o mesmo comprimento (ou, em alguns casos, múltiplos do comprimento da unidade), embora possam diferir em outras dimensões para fornecer impedâncias características diferentes. A transformação de Richards permite que um projeto de elemento concentrado seja tomado “como está” e transformado diretamente em um projeto de elemento distribuído usando uma equação de transformação muito simples.

A dificuldade com a transformação de Richards do ponto de vista da construção de filtros práticos foi que o projeto de elementos distribuídos resultante invariavelmente incluía elementos conectados em série. Isso não era possível de implementar em tecnologias planares e muitas vezes era inconveniente em outras tecnologias. Este problema foi resolvido por K. Kuroda que utilizou transformadores de impedância para eliminar os elementos em série. Ele publicou um conjunto de transformações conhecidas como identidades de Kuroda em 1955, mas seu trabalho foi escrito em japonês e foram vários anos antes de suas ideias serem incorporadas à literatura de língua inglesa.

Após a guerra, uma importante via de pesquisa tentou aumentar a largura de banda do projeto de filtros de banda larga. A abordagem usada na época (e ainda em uso hoje) era começar com um filtro protótipo de elemento concentrado e, por várias transformações, chegar ao filtro desejado em uma forma de elemento distribuído. Essa abordagem parecia estar presa em um Q mínimo de cinco (consulte Filtros passa-banda abaixo para obter uma explicação de Q ). Em 1957, Leo Young, do Stanford Research Institute, publicou um método para projetar filtros que começou com um protótipo de elemento distribuído. Este protótipo foi baseado em transformadores de impedância de quarto de onda e conseguiu produzir projetos com larguras de banda de até uma oitava, correspondendo a um Q de 1,3. Alguns dos procedimentos de Young nesse artigo eram empíricos, mas posteriormente soluções exatas foram publicadas. O artigo de Young aborda especificamente ressonadores de cavidade diretamente acoplados, mas o procedimento também pode ser aplicado a outras categorias de ressonadores diretamente acoplados, como os encontrados em tecnologias planares modernas e ilustrados neste artigo. O filtro de hiato capacitivo (figura 8) e o filtro de linhas paralelas (figura 9) são exemplos de ressonadores acoplados diretamente.