Dağıtılmış eleman filtresi - Distributed-element filter

Şekil 1. Bu makalede açıklanan filtre yapılarının çoğunu içeren bir devre. Filtrelerin çalışma frekansı 11  gigahertz (GHz) civarındadır. Bu devre aşağıdaki kutuda açıklanmıştır.

Düşük gürültülü blok dönüştürücü Şekil 1'de gösterilen devre, düşük gürültülü bir blok dönüştürücüdür ve bir uydu televizyon alıcı çanak antenine bağlanması amaçlanmıştır. Belirli bir kanala çıkarma girişimi olmadan çok sayıda uydu kanalını bir blok olarak dönüştürdüğü için blok dönüştürücü olarak adlandırılır. İletim uydu yörüngesinden 22.000 mil uzağa gitmiş olsa da, çanaktan son birkaç metre uzaktaki sinyali mülkün içinde kullanılacağı noktaya kadar almada bir sorun var. Zorluk, sinyalin mülkün içine bir kablo (indirme ucu olarak adlandırılır) ile getirilmesi ve yüksek uydu sinyal frekanslarının, boş alan yerine bir kablodayken büyük ölçüde zayıflamasıdır. Blok dönüştürücünün amacı, uydu sinyalini, downlead ve kullanıcının set üstü kutusu tarafından idare edilebilecek çok daha düşük bir frekans bandına dönüştürmektir . Frekanslar uydu sistemine ve coğrafi bölgeye bağlıdır, ancak bu özel cihaz 10.7 GHz bandındaki bir frekans bloğunu 11.8 GHz'e dönüştürür. Aşağıya giden çıkış, 950 MHz ila 1950 MHz bandındadır. Cihazın altındaki iki F konektörü , alt bağlantılara bağlantı içindir. Bu özel modelde iki adet sağlanmıştır (blok dönüştürücüler birden fazla sayıda çıkışa sahip olabilir), böylece iki televizyon veya bir televizyon ve VCR aynı anda iki farklı kanala ayarlanabilir. Alıcı korna normalde panonun ortasındaki dairesel deliğe takılır, bu alana çıkıntı yapan iki sonda sırasıyla yatay ve dikey polarize sinyalleri almak içindir ve cihaz bu ikisi arasında değiştirilebilir. Devrede birçok filtre yapısı görülebilir: gelen sinyali ilgilenilen bantla sınırlamak için orada bulunan iki bant geçiren paralel bağlı hat filtresi örneği vardır. Rezonatörlerin nispeten büyük genişliği (şekil 2'deki mikroşerit örneğine veya merkezi metal dikdörtgenin altındaki ve sağındaki yerel osilatör filtrelerine kıyasla ) filtrenin geçmesi gereken geniş bant genişliğini yansıtır. Ayrıca, transistörlere ve diğer cihazlara DC öngerilimi sağlayan çok sayıda saplama filtresi örneği vardır; filtrenin, sinyalin güç kaynağına doğru gitmesini önlemek için gerekli olması. Bazı raylarda çitler adı verilen delik sıraları filtre yapıları değil, muhafazanın bir parçasını oluşturur. 20GHz Agilent N9344C spektrum analizörünün içindeki PCB, çeşitli mikroşerit dağıtılmış eleman filtre teknolojisi elemanlarını gösteriyor

Bir dağıtılmış-eleman filtre bir bir elektronik filtre olan kapasite , indüktans ve direnç ( elementler devrenin) ayrı lokalize olmayan kapasitörler , endüktans ve dirençler bunlar geleneksel filtrelere olduğu gibi. Amacı, bir dizi sinyal frekansının geçmesine izin vermek , ancak diğerlerini engellemektir. Konvansiyonel filtreler, indüktörler ve kapasitörlerden yapılır ve bu şekilde oluşturulan devreler , her bir elemanın tek bir yerde "bir araya toplandığını" düşünen toplu eleman modeli ile tanımlanır . Bu model kavramsal olarak basittir, ancak sinyalin frekansı arttıkça veya buna eşdeğer olarak dalga boyu azaldıkça giderek daha güvenilmez hale gelir . Dağıtılmış eleman modeli bütün frekanslarda geçerlidir ve kullanılan iletim hattı teorisi; birçok dağıtılmış eleman bileşeni, kısa iletim hattı uzunluklarından yapılmıştır. Devrelerin dağıtılmış görünümünde, elemanlar iletkenlerin uzunluğu boyunca dağıtılır ve ayrılmaz bir şekilde birbirine karıştırılır. Filtre tasarımı genellikle sadece endüktans ve kapasitans ile ilgilidir, ancak bu elementlerin karıştırılması nedeniyle ayrı "toplanmış" kapasitörler ve indüktörler olarak ele alınamazlar. Üzerinde dağıtılmış eleman filtrelerinin kullanılması gereken kesin bir frekans yoktur, ancak bunlar özellikle mikrodalga bandıyla ilişkilidir (dalga boyu bir metreden az).

Dağıtılmış eleman filtreleri, radyo kanalının seçiciliği , gürültünün bant sınırlaması ve birçok sinyalin bir kanalda çoğullanması gibi, toplu eleman filtreleriyle aynı uygulamaların çoğunda kullanılır . Dağıtılmış eleman filtreleri , genellikle yalnızca yaklaşık olarak verilen yüksek geçiş hariç, toplu elemanlarla ( düşük geçiş , bant geçişi , vb.) olası bant biçimlerinden herhangi birine sahip olacak şekilde yapılandırılabilir . Toplu eleman tasarımlarında kullanılan tüm filtre sınıfları ( Butterworth , Chebyshev , vb.) dağıtılmış eleman yaklaşımı kullanılarak uygulanabilir.

Dağıtılmış eleman filtreleri oluşturmak için kullanılan birçok bileşen formu vardır, ancak hepsinin ortak özelliği iletim hattında süreksizliğe neden olma özelliğidir . Bu süreksizlikler , hat boyunca ilerleyen bir dalga cephesine reaktif bir empedans sunar ve bu reaktanslar , filtrenin gerektirdiği şekilde, toplu indüktörler , kapasitörler veya rezonatörler için yaklaşık değerler olarak hizmet etmek üzere tasarımla seçilebilir .

Dağıtılmış eleman filtrelerinin geliştirilmesi, II. Dünya Savaşı sırasında radar ve elektronik karşı önlemlere yönelik askeri ihtiyaç tarafından teşvik edildi . Parçalı elemanlı analog filtreler çok önceden geliştirilmişti ancak bu yeni askeri sistemler mikrodalga frekanslarında çalışıyordu ve yeni filtre tasarımlarına ihtiyaç vardı. Savaş sona erdiğinde, teknoloji , telefon şirketleri ve televizyon yayıncıları gibi büyük sabit iletişim ağlarına sahip diğer kuruluşlar tarafından kullanılan mikrodalga bağlantılarında uygulamalar buldu . Günümüzde teknoloji, uydu televizyon çanaklarında kullanılan dönüştürücüler (şekil 1 bir örneği göstermektedir) gibi seri üretilen birkaç tüketici ürününde bulunabilir .

Genel yorumlar

Şekil 2. Mikroşerit yapısında paralel bağlı hatlar filtresi

λ sembolü , hat veya hattın o elektrik uzunluğunun bir bölümünde iletilen sinyalin dalga boyunu ifade etmek için kullanılır .

Dağıtılmış eleman filtreleri çoğunlukla VHF (Çok Yüksek Frekans) bandının (30 ila 300 MHz ) üzerindeki frekanslarda kullanılır . Bu frekanslarda, pasif bileşenlerin fiziksel uzunluğu , çalışma frekansının dalga boyunun önemli bir kısmıdır ve geleneksel toplu eleman modelini kullanmak zorlaşır . Dağıtılmış eleman modellemenin gerekli olduğu kesin nokta, söz konusu tasarıma bağlıdır. Genel bir kural, bileşen boyutları 0.1λ'dan büyük olduğunda dağıtılmış eleman modellemesi uygulamaktır. Elektroniğin artan minyatürizasyonu, devre tasarımlarının λ ile karşılaştırıldığında daha da küçüldüğü anlamına geliyor. Filtre tasarımına dağıtılmış eleman yaklaşımının gerekli hale geldiği frekanslar, bu ilerlemelerin bir sonucu olarak her zamankinden daha yüksek hale geliyor. Öte yandan, anten yapı boyutları genellikle tüm frekans bantlarında λ ile karşılaştırılabilir ve dağıtılmış eleman modelini gerektirir.

Dağıtılmış elemanlı bir filtre ile onun toplu elemanlı yaklaşımı arasındaki davranıştaki en belirgin fark , iletim hattı transfer karakteristikleri harmonik aralıklarla tekrarlandığından , birincisinin toplu eleman prototip geçiş bandının çoklu geçiş bandı kopyalarına sahip olmasıdır . Bu sahte geçiş bantları çoğu durumda istenmeyen bir durumdur.

Sunumun netliği için, bu makaledeki diyagramlar, şerit biçiminde uygulanan bileşenlerle çizilmiştir . Düzlemsel iletim hattı biçimleri (yani, iletkenlerin düz şeritlerden oluştuğu biçimler) popüler olmasına rağmen, bu bir endüstri tercihi anlamına gelmez, çünkü bunlar yerleşik baskılı devre kartı üretim teknikleri kullanılarak uygulanabilmektedir. Gösterilen yapılar ayrıca mikroşerit veya gömülü şerit hattı teknikleri (boyutlara uygun ayarlamalar ile) kullanılarak uygulanabilir ve bazı yapılar bazı uygulamalar için diğerlerinden daha uygun olsa da , koaksiyel kablolara , ikiz uçlara ve dalga kılavuzlarına uyarlanabilir . Örneğin, bir dizi yapının açık tel uygulamaları, Şekil 3'ün ikinci sütununda gösterilmektedir ve diğer şeritli yapıların çoğu için açık tel eşdeğerleri bulunabilir. Entegre devre tasarımlarında düzlemsel iletim hatları da kullanılmaktadır .

Tarih

Dağıtılmış eleman filtrelerinin geliştirilmesi, II. Dünya Savaşı'ndan önceki yıllarda başladı. Warren P. Mason , dağıtılmış eleman devreleri alanını kurdu . Konuyla ilgili önemli bir makale 1937'de Mason ve Sykes tarafından yayınlandı. Mason çok daha önce, 1927'de bir patent başvurusunda bulundu ve bu patent, toplu eleman analizinden uzaklaşan ilk yayınlanmış elektrik tasarımını içerebilir. Mason ve Sykes'ın çalışmaları, koaksiyel kablo ve dengeli tel çiftlerinin biçimlerine odaklanmıştı - düzlemsel teknolojiler henüz kullanımda değildi. Savaş yıllarında, radar ve elektronik karşı önlemlerin filtreleme ihtiyaçlarından kaynaklanan birçok gelişme gerçekleştirildi . Bunun büyük bir kısmı MIT Radyasyon Laboratuvarı'ndaydı , ancak ABD ve İngiltere'deki diğer laboratuvarlar da dahil oldu.

Filtrelerin savaş zamanı tasarımlarının ötesine geçebilmesi için ağ teorisinde bazı önemli gelişmelere ihtiyaç vardı. Bunlardan biri Paul Richards'ın orantılı çizgi teorisiydi . Orantılı çizgiler, farklı karakteristik empedanslar vermek için diğer boyutlarda farklılık gösterebilse de, tüm elemanların aynı uzunlukta (veya bazı durumlarda birim uzunluğunun katları) olduğu ağlardır. Richards'ın dönüşümü , toplu bir eleman tasarımının "olduğu gibi" alınmasına ve çok basit bir dönüşüm denklemi kullanılarak doğrudan dağıtılmış eleman tasarımına dönüştürülmesine izin verir.

Pratik filtreler oluşturma açısından Richards'ın dönüşümünün zorluğu, sonuçta ortaya çıkan dağıtılmış eleman tasarımının her zaman seri bağlantılı elemanlar içermesiydi. Bunu düzlemsel teknolojilerde uygulamak mümkün değildi ve diğer teknolojilerde genellikle sakıncalıydı. Bu sorun, seri elemanları ortadan kaldırmak için empedans transformatörleri kullanan K. Kuroda tarafından çözüldü. 1955'te Kuroda'nın kimlikleri olarak bilinen bir dizi dönüşüm yayınladı , ancak çalışmaları Japonca yazılmıştı ve fikirlerinin İngiliz dili literatürüne dahil edilmesinden birkaç yıl önceydi.

Savaşın ardından, önemli bir araştırma yolu, geniş bant filtrelerin tasarım bant genişliğini artırmaya çalışıyordu. O zamanlar kullanılan (ve bugün hala kullanımda olan) yaklaşım, toplu bir eleman prototip filtresi ile başlamak ve çeşitli dönüşümler yoluyla istenen filtreye dağıtılmış eleman formunda ulaşmaktı. Bu yaklaşımın en az beş Q'da takılı kaldığı görüldü ( Q'nun açıklaması için aşağıdaki Bant geçiren filtrelere bakın ). 1957'de Stanford Araştırma Enstitüsü'nden Leo Young , dağıtılmış eleman prototipiyle başlayan filtre tasarlamak için bir yöntem yayınladı . Bu prototip, çeyrek dalga empedans transformatörlerine dayanıyordu ve yaklaşık 1.3'lük bir Q'ya karşılık gelen bir oktav'a kadar bant genişliklerine sahip tasarımlar üretebildi . Young'ın bu makaledeki bazı prosedürleri deneyseldi, ancak daha sonra kesin çözümler yayınlandı. Young'ın makalesi özellikle doğrudan bağlantılı boşluklu rezonatörleri ele almaktadır, ancak prosedür, modern düzlemsel teknolojilerde bulunan ve bu makalede gösterilenler gibi diğer doğrudan bağlı rezonatör türlerine de aynı şekilde uygulanabilir. Kapasitif boşluk filtresi (şekil 8) ve paralel bağlı hatlar filtresi (şekil 9) doğrudan bağlı rezonatörlerin örnekleridir.

Şekil 3. İlk sütunda bazı basit düzlemsel filtre yapıları gösterilmektedir. İkinci sütun, bu yapılar için açık telli eşdeğer devreyi gösterir. Üçüncü sütun, K veya J ile işaretlenmiş elemanların sırasıyla empedans veya kabul transformatörleri olduğu yarı kümelenmiş bir eleman yaklaşımıdır . Dördüncü sütun, empedans transformatörlerinin λ/4 transformatörler olduğu varsayımını yapan toplu eleman yaklaşımını gösterir.

1. Ana hatta paralel bir kısa devre saplaması.
2. Ana hatta paralel bir açık devre saplaması.
3. Ana hatta bağlı bir kısa devre hattı.
4. Birleştirilmiş kısa devre hatları.
5. Birleştirilmiş açık devre hatlar.

altındaki yer düzlemi ile bağlantı kuran tahta boyunca bir kayışı temsil eder.

Basılı düzlemsel teknolojilerin tanıtılması , filtreler ve mikrodalga entegre devreleri de dahil olmak üzere birçok mikrodalga bileşeninin üretimini büyük ölçüde basitleştirdi ve daha sonra mümkün hale geldi. Düzlemsel iletim hatlarının ne zaman ortaya çıktığı bilinmemektedir, ancak bunları kullanan deneyler 1936 gibi erken bir tarihte kaydedilmiştir. Bununla birlikte, basılı şerit hattının mucidi bilinmektedir; bu fikri 1951'de yayınlayan Robert M. Barrett'ti. Bu hızla benimsendi ve Barrett'ın şerit çizgisi kısa sürede rakip düzlemsel formatlardan, özellikle üçlü ve mikro şeritlerden şiddetli ticari rekabete girdi . Modern kullanımdaki jenerik terim şerit çizgisi genellikle daha sonra üçlü plaka olarak bilinen forma atıfta bulunur .

İlk şerit hattı doğrudan bağlı rezonatör filtreleri uç bağlantılıydı, ancak paralel bağlı hat filtreleri, interdigital filtreler ve tarak hattı filtrelerinin tanıtılmasıyla uzunluk azaltıldı ve kompaktlık art arda arttı. Bu çalışmanın çoğu, George Matthaei liderliğindeki Stanford'daki grup tarafından ve yukarıda bahsedilen Leo Young da dahil olmak üzere, bugün hala devre tasarımcıları için bir referans olarak hizmet eden bir dönüm noktası kitabında yayınlandı. Firkete filtre ilk olarak 1972'de tanımlanmıştır. 1970'lere gelindiğinde, günümüzde yaygın olarak kullanılan filtre topolojilerinin çoğu tanımlanmıştı. Daha yeni araştırmalar, hala aynı temel topolojileri kullanırken veya askıya alınmış şerit çizgisi ve bitiş çizgisi gibi alternatif uygulama teknolojileriyle birlikte, sözde eliptik gibi filtrelerin yeni veya değişken matematiksel sınıflarına odaklandı .

Dağıtılmış eleman filtrelerinin askeri olmayan ilk uygulaması, telekomünikasyon şirketleri tarafından ağlarının omurgasını sağlamak için kullanılan mikrodalga bağlantılarındaydı . Bu bağlantılar, özellikle televizyon yayıncıları olmak üzere, büyük, sabit ağları olan diğer endüstriler tarafından da kullanıldı. Bu tür uygulamalar, büyük sermaye yatırım programlarının bir parçasıydı. Bununla birlikte, seri üretim, teknolojiyi yerli uydu televizyon sistemlerine dahil etmek için yeterince ucuz hale getirdi . Gelişmekte olan bir uygulama, cep telefonu şirketleri tarafından işletilen hücresel baz istasyonlarında kullanım için süper iletken filtrelerdir .

Temel bileşenler

Uygulanabilecek en basit yapı , iletim karakteristiklerinde bir süreksizlik oluşturan hattın karakteristik empedansındaki bir adımdır . Bu, düzlemsel teknolojilerde iletim hattının genişliğinde bir değişiklik ile yapılır. Şekil 4(a) empedansta bir artışı göstermektedir (daha dar çizgiler daha yüksek empedansa sahiptir). Empedanstaki bir adım, şekil 4(a)'nın ayna görüntüsü olacaktır. Süreksizlik yaklaşık olarak bir seri indüktör olarak veya daha kesin olarak şekil 4(a)'da gösterildiği gibi düşük geçişli T devresi olarak temsil edilebilir. Daha yüksek dereceli bir filtre üretmek için çoklu süreksizlikler genellikle empedans transformatörleri ile birleştirilir . Bu empedans transformatörleri, iletim hattının sadece kısa (genellikle λ/4) uzunluğunda olabilir. Bu kompozit yapılar , karşılık gelen toplu eleman filtresinin rasyonel transfer fonksiyonuna yaklaşarak filtre ailelerinden ( Butterworth , Chebyshev , vb.) herhangi birini uygulayabilir . Dağıtılmış eleman devreleri rasyonel olamayacağından ve toplu eleman ile dağıtılmış eleman davranışının ayrışmasının temel nedeni olduğundan bu yazışma kesin değildir. Empedans transformatörleri ayrıca, toplu ve dağıtılmış eleman filtrelerinin (yarı kümeli yapılar olarak adlandırılan) hibrit karışımlarında da kullanılır.

Şekil 4. Daha fazla şeritli eleman ve bunların toplu eleman karşılıkları.

1. Ani kademeli empedans.
2. Aniden sona eren bir çizgi.
3. Bir çizgide bir delik veya yarık.
4. Çizgi boyunca çapraz bir yarı yarık.
5. Çizgide bir boşluk.

Dağıtılmış eleman filtrelerinin bir diğer çok yaygın bileşeni saplamadır . Dar bir frekans aralığında, bir saplama bir kapasitör veya bir indüktör olarak kullanılabilir (empedansı uzunluğuna göre belirlenir), ancak geniş bir bant üzerinde bir rezonatör gibi davranır. Kısa devre, nominal olarak çeyrek dalga boyu saplamaları (şekil 3(a)) şönt LC antirezonatörleri gibi davranır ve bir açık devre nominal olarak çeyrek dalga boyu saplamaları (şekil 3(b)) bir seri LC rezonatörü gibi davranır . Saplamalar, daha karmaşık filtreler oluşturmak için empedans transformatörleri ile birlikte de kullanılabilir ve rezonans doğalarından bekleneceği gibi, en çok bant geçiren uygulamalarda faydalıdır. Düzlemsel teknolojilerde açık devre saplamalarının üretimi daha kolay olsa da, sonlandırmanın ideal bir açık devreden önemli ölçüde sapması dezavantajına sahiptir (bkz. uzunluğuna λ/4 ekleyerek veya çıkararak diğerinin yerine kullanılabilir).

Bir sarmal rezonatör , bir saplamaya benzer, çünkü onu temsil etmek için dağıtılmış bir eleman modeli gerektirir, ancak aslında toplu elemanlar kullanılarak inşa edilmiştir. Düzlemsel olmayan bir formatta inşa edilmişlerdir ve bir eski ve çekirdek üzerinde bir tel bobinden oluşurlar ve sadece bir uçta bağlanırlar. Cihaz genellikle, çekirdeği ayarlamak için üstte bir delik bulunan korumalı bir kutudadır. Genellikle benzer bir amaç için kullanılan toplu LC rezonatörlerine fiziksel olarak çok benzeyecektir. En çok üst VHF ve alt UHF bantlarında kullanışlıdırlar, oysa stub'lar daha yüksek UHF ve SHF bantlarında daha sık uygulanır .

Birleştirilmiş çizgiler (şekil 3(ce)) filtre elemanları olarak da kullanılabilir; saplamalar gibi, rezonatör olarak hareket edebilirler ve aynı şekilde kısa devre veya açık devre sonlandırılabilir. Birleştirilmiş çizgiler, uygulanmasının kolay olduğu düzlemsel teknolojilerde tercih edilirken, saplamalar başka yerlerde tercih edilme eğilimindedir. Düzlemsel teknolojide gerçek bir açık devre uygulamak, eşdeğer devrenin bir şönt kapasitansı içermesini her zaman sağlayacak olan alt tabakanın dielektrik etkisi nedeniyle mümkün değildir. Buna rağmen, açık devreler, uygulanması daha kolay olduğu için kısa devreler yerine genellikle düzlemsel formatlarda kullanılır. Çok sayıda eleman tipi birleştirilmiş çizgiler olarak sınıflandırılabilir ve daha yaygın olanlardan bir seçim şekillerde gösterilmiştir.

Şekil 3 ve 4'te bazı yaygın yapılar, toplu elemanlı karşılıklarıyla birlikte gösterilmektedir. Bu toplu eleman yaklaşımları, eşdeğer devreler olarak değil, belirli bir frekans aralığında dağıtılmış elemanların davranışı için bir kılavuz olarak alınmalıdır. Şekil 3(a) ve 3(b), sırasıyla bir kısa devre ve açık devre saplamasını göstermektedir. Saplama uzunluğu λ/4 olduğunda, bunlar sırasıyla anti-rezonatörler ve rezonatörler gibi davranırlar ve bu nedenle sırasıyla bant geçiren ve bant durduran filtrelerdeki elemanlar olarak faydalıdırlar . Şekil 3(c), ana hatta bağlı bir kısa devre hattını göstermektedir. Bu aynı zamanda bir rezonatör gibi davranır, ancak rezonans frekansı ilgilenilen bandın çok dışında olan alçak geçiren filtre uygulamalarında yaygın olarak kullanılır . Şekil 3(d) ve 3(e), her ikisi de bant geçiren filtrelerde faydalı olan birleştirilmiş hat yapılarını göstermektedir. Şekil 3(c) ve 3(e)'deki yapılar, hat ile seri olarak yerleştirilmiş saplamaları içeren eşdeğer devrelere sahiptir. Böyle bir topolojinin açık telli devrelerde uygulanması kolaydır, ancak düzlemsel bir teknolojiyle değil. Dolayısıyla bu iki yapı, eşdeğer bir seri elemanın uygulanması için kullanışlıdır.

Alçak geçiren filtreler

20 GHz Agilent N9344C spektrum analizörü içinde papyon saplamaları ile uygulanan bir mikroşerit alçak geçiren filtre

Şekil 5. Hattın alternatif yüksek ve düşük empedans bölümlerinden oluşturulan kademeli empedans alçak geçiren filtre

Bir düşük geçiş filtresi , bir oldukça direkt olarak uygulanabilir merdiven topolojisi Bu da adlandırılır, Şekil 5'te gösterilen kademeli empedans filtre ile prototip-elemanı toplu kaskat hatları tasarımı. Filtre, toplu eleman uygulamasında seri indüktörlere ve şönt kapasitörlere karşılık gelen yüksek empedanslı ve düşük empedanslı hatların alternatif bölümlerinden oluşur. Alçak geçiren filtreler, aktif bileşenlere doğru akım (DC) önyargısını beslemek için yaygın olarak kullanılır . Bu uygulama için tasarlanan filtrelere bazen jikle denir . Bu gibi durumlarda, filtrenin her bir elemanı λ/4 uzunluğundadır (burada λ, DC kaynağına iletilmesi engellenecek ana hat sinyalinin dalga boyudur) ve hattın yüksek empedanslı bölümleri dar olarak yapılır. çünkü üretim teknolojisi endüktansı en üst düzeye çıkarmak için izin verecektir. Filtrenin performansı için gerektiği gibi, toplu elemanlı muadili için olduğu gibi ek bölümler eklenebilir. Gösterilen düzlemsel formun yanı sıra, bu yapı, alternatif metal disklerin ve yalıtkanların merkezi iletkene vidalandığı koaksiyel uygulamalar için özellikle çok uygundur .

Şekil 6. Şönt rezonatörleri içeren başka bir kademeli empedans alçak geçiren filtre formu

Kademeli empedans tasarımının daha karmaşık bir örneği şekil 6'da gösterilmektedir. Yine, indüktörleri uygulamak için dar çizgiler kullanılır ve geniş çizgiler kapasitörlere karşılık gelir, ancak bu durumda, yığılı eleman karşıt ana hat boyunca şönt olarak bağlı rezonatörlere sahiptir. Bu topoloji , durdurma bandında zayıflama kutuplu eliptik filtreler veya Chebyshev filtreleri tasarlamak için kullanılabilir . Bununla birlikte, bu yapılar için bileşen değerlerinin hesaplanması ilgili bir süreçtir ve tasarımcıların genellikle bunları iyi performans gösteren ve hesaplanması çok daha kolay olan m-türetilmiş filtreler olarak uygulamayı seçmelerine yol açmıştır . Rezonatörlerin dahil edilmesinin amacı, durdurma bandı reddini iyileştirmektir . Ancak, en yüksek frekanslı rezonatörün rezonans frekansının ötesinde, rezonatörler açık devreye doğru hareket ettikçe durdurma bandı reddi bozulmaya başlar. Bu nedenle, bu tasarıma göre oluşturulan filtreler, genellikle filtrenin son elemanı olarak ek bir tek kademeli empedans kondansatörüne sahiptir. Bu aynı zamanda yüksek frekansta iyi bir reddetme sağlar.

Şekil 7. Saplamalardan oluşturulan alçak geçiren filtreler.

1. Ana hattın λ/4 aralıklı değişen taraflarında standart saplamalar.
2. Kelebek taslakları kullanılarak benzer yapı.
3. Çeşitli saplama biçimleri, sırasıyla, paralel olarak ikiye katlanmış saplamalar, radyal saplama, kelebek saplama (paralel radyal saplamalar), yonca yaprağı saplama (üçlü paralelleştirilmiş radyal saplamalar).

Diğer bir yaygın düşük geçişli tasarım tekniği, şönt kapasitörlerini, çalışma frekansının üzerinde ayarlanmış rezonans frekansı ile saplamalar olarak uygulamaktır, böylece saplama empedansı geçiş bandında kapasitif olur. Bu uygulama, şekil 6'daki filtreye benzer genel bir formun toplu elemanlı bir karşılığına sahiptir. Boşluğun izin verdiği durumlarda, koçanlar şekil 7(a)'da gösterildiği gibi ana hattın alternatif taraflarına yerleştirilebilir. Bunun amacı, frekans yanıtını değiştirerek filtre performansını düşüren bitişik saplamalar arasındaki eşleşmeyi önlemektir. Bununla birlikte, tüm saplamaların aynı tarafta olduğu bir yapı hala geçerli bir tasarımdır. Saplamanın çok düşük bir empedans hattı olması gerekiyorsa, saplama uygunsuz bir şekilde geniş olabilir. Bu durumlarda olası bir çözüm, iki daha dar saplamayı paralel olarak bağlamaktır. Yani, her bir saplama konumu, hattın her iki tarafında bir saplamaya sahiptir . Bu topolojinin bir dezavantajı, iki saplamanın birlikte oluşturduğu çizginin λ/2 uzunluğu boyunca ilave enine rezonans modlarının mümkün olmasıdır. Bir şok tasarımı için gereklilik, kapasitansı mümkün olduğu kadar büyük yapmaktır, bunun için maksimum uç genişliği λ/4 ana hattın her iki tarafında paralel koçanlarla kullanılabilir. Ortaya çıkan filtre, Şekil 5'teki kademeli empedans filtresine oldukça benziyor, ancak tamamen farklı ilkelere göre tasarlandı. Saplamaları bu kadar geniş kullanmanın bir zorluğu, ana hatta bağlandıkları noktanın tam olarak tanımlanmamış olmasıdır. λ ile karşılaştırıldığında dar olan bir saplama, merkez hattına bağlı olarak alınabilir ve bu varsayıma dayalı hesaplamalar filtre yanıtını doğru bir şekilde tahmin edecektir. Bununla birlikte, geniş bir saplama için, yan dalın ana hat üzerinde belirli bir noktada bağlı olduğunu varsayan hesaplamalar, artık iletim modelinin iyi bir modeli olmadığı için yanlışlıklara yol açar. Bu zorluğun bir çözümü, doğrusal saplamalar yerine radyal saplamalar kullanmaktır. Bir çift paralel radyal kütüğe (ana hattın her iki tarafında birer tane) kelebek koçan denir (bakınız şekil 7(b)). Bir çizginin sonunda elde edilebilen paralel olarak üç radyal saplamadan oluşan bir gruba yonca yaprağı saplaması denir.

Bant geçiren filtreler

Rezonans yapabilen herhangi bir eleman kullanılarak bir bant geçiren filtre oluşturulabilir. Saplamaları kullanan filtreler açıkça bant geçirebilir; çok sayıda başka yapı mümkündür ve bazıları aşağıda sunulmuştur.

Bant geçiren filtreleri tartışırken önemli bir parametre, kesirli bant genişliğidir. Bu, bant genişliğinin geometrik merkez frekansına oranı olarak tanımlanır. Bu miktarın tersi Q faktörü , Q olarak adlandırılır . ω ₁ ve ω ₂ geçiş bandı kenarlarının frekansları ise, o zaman:

bant genişliği ,${\displaystyle \Delta \omega =\omega _{2}-\omega _{1}\,}$

geometrik merkez frekansı ve${\displaystyle \omega _{0}={\sqrt {\omega _{1}\omega _{2}}}}$

${\displaystyle Q={\frac {\omega _{0}}{\Delta \omega }}}$

Kapasitif boşluk filtresi

Şekil 8. Kapasitif boşluk şerit çizgisi filtresi

Kapasitif boşluk yapısı, rezonatör olarak hareket eden ve iletim hattındaki boşluklarla "uçtan uca" bağlanan yaklaşık λ/2 uzunluğundaki çizgi bölümlerinden oluşur. Düzlemsel formatlar için özellikle uygundur, baskı devre teknolojisi ile kolayca uygulanabilir ve düz bir iletim hattından daha fazla yer kaplamama avantajına sahiptir. Bu topoloji kısıtlama, performans (özellikle bir ekleme kaybı ) fraksiyonel artan bant genişliği ile bozulur, ve kabul edilebilir sonuçlar elde edilmez Q düşük üretim daha az 5. Bir başka zorluk yaklaşık Q tasarımları olduğu için gerekli genişlik boşluğu daha geniş kesirli bant genişlikleri için daha küçük olun. Minimum boşluk genişliği, minimum iz genişliği gibi , baskı teknolojisinin çözünürlüğü ile sınırlıdır.

Paralel bağlantılı hatlar filtresi

Şekil 9. Stripline paralel bağlı hatlar filtresi. Bu filtre genellikle, tasarımın önemli bir özelliği olmamasına rağmen, alınan pano alanını en aza indirgemek için gösterildiği gibi bir açıyla yazdırılır. Uç elemanın veya iki uç elemanın üst üste binen yarısının, eşleştirme amacıyla daha dar bir genişlik olması da yaygındır (bu şemada gösterilmemiştir, bkz. Şekil 1).

Paralel-bağlı hatlar, baskılı levhalar için bir başka popüler topolojidir; bu topolojide, imalat, baskılı hattan başka bir şey içermediği için, uygulanması en basit olan açık devre hatlarıdır. Tasarım, bir dizi paralel λ/2 rezonatörden oluşur, ancak komşu rezonatörlerin her birine yalnızca λ/4 üzerinden bağlanır, böylece şekil 9'da gösterildiği gibi kademeli bir çizgi oluşturur. Bu filtre ile kapasitiften daha geniş kesirli bant genişlikleri mümkündür. boşluk filtresi, ancak dielektrik kaybı Q'yu azalttığı için basılı kartlarda benzer bir sorun ortaya çıkar . Alt Q hatları, daha sıkı bağlantı ve aralarında daha küçük boşluklar gerektirir, bu da baskı işleminin doğruluğu ile sınırlıdır. Bu soruna bir çözüm, parçayı, farklı katmanlar üzerinde oldukları için üst üste binen ancak temas halinde olmayan bitişik çizgilerle birden çok katman üzerine yazdırmaktır. Bu şekilde, hatlar genişlikleri boyunca birleştirilebilir, bu da uçtan uca olduklarından çok daha güçlü bir bağlantı sağlar ve aynı performans için daha büyük bir boşluk mümkün olur. Diğer (baskısız) teknolojiler için, kısa devre hat için mekanik bir bağlantı noktası sağladığından ve mekanik destek için Q azaltıcı dielektrik yalıtkanlara gerek olmadığından kısa devre hatları tercih edilebilir . Mekanik ve montaj nedenlerinden başka, kısa devre kuplajlı hatlar yerine açık devre için çok az tercih vardır. Her iki yapı da aynı elektrik performansı ile aynı filtre uygulamalarını gerçekleştirebilir. Paralel bağlı filtrelerin her iki türü de teoride, diğer birçok filtre topolojisinde (örn., saplamalar) görüldüğü gibi merkez frekansının iki katında sahte geçiş bantlarına sahip değildir. Bununla birlikte, bu sahte geçiş bandının bastırılması, pratikte gerçekleştirilmeyen birleştirilmiş hatların mükemmel bir şekilde ayarlanmasını gerektirir, dolayısıyla bu frekansta kaçınılmaz olarak bir miktar artık sahte geçiş bandı vardır.

Agilent N9344C spektrum analizöründe uygulanan bir mikro şerit firkete PCB filtresi

20GHz Agilent N9344C spektrum analizöründe bir PCB üzerinde bir mikroşerit firkete filtresi ve ardından bir alçak geçiş saplama filtresi

Şekil 10. Şeritli saç tokası filtresi

Saç tokası filtresi, paralel bağlı çizgiler kullanan başka bir yapıdır. Bu durumda, paralel bağlı hatların her çifti bir sonraki çifte kısa bir bağlantı ile bağlanır. Bu şekilde oluşturulan "U" şekilleri, firkete filtresi adını doğurur . Bazı tasarımlarda bağlantı daha uzun olabilir, bu da bölümler arasında λ/4 empedans trafo hareketi ile geniş bir firkete sağlar. Şekil 10'da görülen açılı bükümler, şeritli tasarımlarda ortaktır ve büyük bir süreksizlik oluşturan keskin bir dik açı ile bazı ürünlerde ciddi şekilde sınırlandırılabilen daha fazla tahta alanı kaplayan pürüzsüz bir büküm arasında bir uzlaşmayı temsil eder. Bu tür kıvrımlar genellikle, aksi takdirde mevcut alana yerleştirilemeyecekleri uzun saplamalarda görülür. Bu tür süreksizliğin toplu elemanlı eşdeğer devresi, kademeli empedans süreksizliğine benzer. Bu tür taslakların örnekleri, makalenin üst kısmındaki fotoğrafta çeşitli bileşenlere yönelik önyargı girdilerinde görülebilir.

interdigital filtre

Şekil 11. Stripline interdigital filtre

Bir spektrum analizörü PCB'sinden üç Interdigital Coupled Line filtresi

Interdigital filtreler, birleştirilmiş hat filtresinin başka bir şeklidir. Hattın her bölümü yaklaşık λ/4 uzunluğundadır ve sadece bir ucunda kısa devre ile sonlandırılır, diğer ucu açık devre olarak bırakılır. Kısa devre olan uç, her hat bölümünde dönüşümlü olarak bulunur. Bu topolojinin düzlemsel teknolojilerde uygulanması kolaydır, ancak özellikle metal bir kasanın içine sabitlenmiş hatların mekanik bir montajına da uygundur. Çizgiler ya dairesel çubuklar ya da dikdörtgen çubuklar olabilir ve bir koaksiyel format hattına arayüz oluşturmak kolaydır. Paralel bağlı hat filtresinde olduğu gibi, destek için yalıtkan gerektirmeyen mekanik bir düzenlemenin avantajı, dielektrik kayıplarının ortadan kaldırılmasıdır. Satırlar arasındaki boşluk gereksinimi, paralel hat yapısında olduğu kadar katı değildir; bu şekilde, daha yüksek kesirli bant genişlikleri elde edilebilir ve 1.4 kadar düşük Q değerleri mümkündür.

Tarak hattı filtresi, dielektrik desteği olmayan metal bir kasa içinde mekanik montaja uygun olması bakımından interdigital filtreye benzer. Tarak hattı durumunda, tüm hatlar alternatif uçlar yerine aynı uçta kısa devre yapılır. Diğer uçlar, kapasitörlerde toprağa sonlandırılmıştır ve sonuç olarak tasarım, yarı toplu olarak sınıflandırılmıştır. Bu tasarımın başlıca avantajı, üst durdurma bandının çok geniş, yani tüm ilgili frekanslarda sahte geçiş bantlarından arındırılabilmesidir.

Saplama bant geçiren filtreler

Şekil 12. λ/4 kısa devre saplamalarından oluşan şerit çizgi saplama filtresi

Yukarıda bahsedildiği gibi, taslaklar kendilerini bant geçiren tasarımlara borçludur. Bunların genel biçimleri, ana hattın artık dar bir yüksek empedans hattı olmaması dışında, saplama düşük geçişli filtrelere benzer. Tasarımcıların aralarından seçim yapabilecekleri birçok farklı saplama filtresi topolojisi vardır ve bunlardan bazıları aynı yanıtları üretir. Örnek bir saplama filtresi, şekil 12'de gösterilmiştir; λ/4 empedans transformatörleri ile birbirine bağlanmış bir dizi λ/4 kısa devre saplamasından oluşur. Filtre gövdesindeki saplamalar çift paralel saplamalardır, uç kısımlardaki saplamalar ise teklidir, empedans uyum avantajlarına sahip bir düzenlemedir. Empedans transformatörleri, şönt anti-rezonatör sırasını bir dizi rezonatör ve şönt anti-rezonatör merdivenine dönüştürme etkisine sahiptir. Düzlemsel teknolojilerde bu yapı mümkün olmasa da, hatta seri olarak yerleştirilmiş ve λ/4 empedans transformatörleri ile akuple edilmiş λ/4 açık devre saplamaları ile benzer özelliklere sahip bir filtre yapılabilir.

Şekil 13. Konishi'nin 60° kelebek saplaması

Mevcut başka bir yapı, λ/4 empedans transformatörleri ile birleştirilmiş hat boyunca λ/2 açık devre saplamalarıdır. Bu topoloji hem alçak geçiren hem de bant geçiren özelliklere sahiptir. DC'yi geçeceği için, kapasitörleri bloke etmeye gerek kalmadan aktif bileşenlere polarlama gerilimlerini iletmek mümkündür. Ayrıca kısa devre bağlantıları gerekmediğinden, şeritli olarak uygulandığında pano baskısı dışında herhangi bir montaj işlemine gerek yoktur. Dezavantajları şunlardır: (i) filtre, ilgili λ/4 saplama filtresinden daha fazla pano gayrimenkulü alacaktır, çünkü saplamaların tamamı iki kat daha uzundur; (ii) birinci sahte geçirme bandı 2ω olan ₀ 3ω aksine, ₀ λ / 4 saplama filtre için.

Konishi, 60° kelebek saplamaları kullanan ve ayrıca düşük geçiş yanıtına sahip (böyle bir yanıtı önlemek için kısa devre saplamaları gerekir) geniş bantlı 12 GHz bant geçiş filtresini açıklar. Dağıtılmış eleman filtrelerinde sıklıkla olduğu gibi, filtrenin sınıflandırıldığı bant biçimi büyük ölçüde hangi bantların istendiğine ve hangilerinin sahte olarak kabul edildiğine bağlıdır.

Yüksek geçiren filtreler

Orijinal yüksek geçiren filtrelerin dağıtılmış elemanlarla uygulanması imkansız değilse de zordur. Genel tasarım yaklaşımı, bir bant geçiren tasarımla başlamak, ancak üst durdurma bandının, ilgilenilmeyecek kadar yüksek bir frekansta gerçekleşmesini sağlamaktır. Bu tür filtreler, sözde yüksek geçişli olarak tanımlanır ve üst durdurma bandı, körelmiş bir durdurma bandı olarak tanımlanır. Şekil 8'deki kapasitif boşluk filtresi gibi "bariz" bir yüksek geçiş topolojisine sahip gibi görünen yapılar bile, çok kısa dalga boyları için davranışları göz önüne alındığında bant geçişli hale gelir.

Ayrıca bakınız

• RF ve mikrodalga filtresi
• dalga kılavuzu filtresi
• Spurline
• Güç bölücüler ve yönlü kuplörler

Referanslar

bibliyografya

• Bahl, RF ve Mikrodalga Devreleri için IJ Parçalanmış Elemanlar , Artech House, 2003 ISBN  1-58053-309-4 .
• Barrett, RM ve Barnes, MH "Mikrodalga baskılı devreler", Radio Telev. , cilt 46 , s. 16 Eylül 1951.
• Barrett, RM "Kazınmış levhalar mikrodalga bileşenleri olarak hizmet eder", Electronics , cilt 25 , s. 114–118 , Haziran 1952.
• Benoit, Hervé Uydu Televizyonu: Analog ve Dijital Televizyon Teknikleri , Butterworth-Heinemann, 1999 ISBN  0-340-74108-2 .
• Bhat, Bharathi ve Koul, Shiban K. Mikrodalga Entegre Devreler için Şerit-benzeri İletim Hatları , New Age International, 1989 ISBN  81-224-0052-3 .
• Carr, Joseph J. Teknisyenin Radyo Alıcısı El Kitabı , Newnes, 2001 ISBN  0-7506-7319-2
• Cohn, SB "Paralel-bağlı iletim hattı rezonatör filtreleri" , IRE İşlemleri: Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri , cilt.MTT-6 , s. 223–231, Nisan 1958.
• Connor, FR Dalga İletimi , Edward Arnold Ltd., 1972 ISBN  0-7131-3278-7 .
• Cristal, EG ve Frankel, S. "Firkete hattı/yarım dalga paralel-bağlı hat filtreleri" , IEEE İşlemleri: Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri , cilt.MTT-20 , s. 719–728, Kasım 1972.
• Fagen, MD ve Millman, S. Bell Sisteminde Mühendislik ve Bilim Tarihi: Cilt 5: İletişim Bilimleri (1925–1980) , AT&T Bell Laboratuvarları, 1984.
• Farago, PS Doğrusal Ağ Analizine Giriş , English Universities Press, 1961.
• Ford, Peter John ve Saunders, GA Süperiletkenlerin Yükselişi , CRC Press, 2005 ISBN  0-7484-0772-3 .
• Golio, John Michael RF ve Mikrodalga El Kitabı , CRC Press, 2001 ISBN  0-8493-8592-X .
• Hong, Jia-Sheng ve Lancaster, RF/Mikrodalga Uygulamaları için MJ Mikroşerit Filtreler , John Wiley and Sons, 2001 ISBN  0-471-38877-7 .
• Huurdeman, Anton A. Telekomünikasyonun Dünya Çapında Tarihi , Wiley-IEEE, 2003 ISBN  0-471-20505-2 .
• Jarry, Pierre ve Beneat, Minyatürize Fraktal Mikrodalga ve RF Filtrelerinin Jacques Tasarımı ve Gerçekleştirmeleri , John Wiley ve Sons, 2009 ISBN  0-470-48781-X .
• Kneppo, Ivan Mikrodalga Entegre Devreler , Springer, 1994 ISBN  0-412-54700-7 .
• Konishi, Yoshihiro Mikrodalga Entegre Devreler , CRC Press, 1991 ISBN  0-8247-8199-6 .
• Lee, Thomas H. Düzlemsel Mikrodalga Mühendisliği: Teori, Ölçüm ve Devreler İçin Pratik Bir Kılavuz , Cambridge University Press, 2004 ISBN  0-521-83526-7 .
• Levy, R. "Doğrudan bağlantılı boşluk filtreleri teorisi" , IEEE İşlemleri: Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri , cilt.MTT-15 , s. 340–348, Haziran 1967.
• Levy, R. Cohn, SB, "Mikrodalga filtre araştırma, tasarım ve geliştirme tarihi" , IEEE İşlemleri: Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri , s. 1055–1067 , cilt.32 , sayı 9, 1984.
• Lundström, Lars-Ingemar Dijital Televizyonu Anlamak , Elsevier, 2006 ISBN  0-240-80906-8 .
• Makimoto, Mitsuo ve Yamashita, Sadahiko "Kablosuz iletişim için mikrodalga rezonatörler ve filtreler: teori, tasarım ve uygulama" , Springer, 2001 ISBN  3-540-67535-3 .
• Mason, WP ve Sykes, RA "Yüksek radyo frekansları için filtrelerde ve geniş bant transformatörlerde koaksiyel ve dengeli iletim hatlarının kullanımı" , Bell Syst. Teknoloji J. , cilt 16 , s. 275-302, 1937.
• Matthaei, GL "Dijitaller arası bant geçiren filtreler" , IRE İşlemleri: Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri , cilt.MTT-10 , s. 479–491, Kasım 1962.
• Matthaei, GL "Dar veya orta bant genişliğine sahip birleşik hat bant geçiren filtreler", Microwave Journal , cilt 6 , s. 82–91, Ağustos 1963.
• Matthaei, George L.; Young, Leo ve Jones, EMT Mikrodalga Filtreleri, Empedans Eşleştirme Ağları ve Kuplaj Yapıları McGraw-Hill 1964 (1980 baskısı ISBN  0-89006-099-1'dir ).
• Niehenke, EC; Pucel, RA ve Bahl, IJ "Mikrodalga ve milimetre dalga entegre devreleri" , IEEE İşlemleri: Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri , ' vol.50 , Iss. 3 Mart 2002, s.846-857.
• Di Paolo, Düzlemsel İletim Hatlarını Kullanan Franco Ağları ve Cihazları , CRC Press, 2000 ISBN  0-8493-1835-1 .
• Ragan, GL (ed.) Mikrodalga iletim devreleri , Massachusetts Institute of Technology Radyasyon Laboratuvarı, Dover Publications, 1965.
• Richards PI "Direnç-iletim hattı devreler" , İRE Proceedings , vol.36 , s. 217-220, Şubat 1948.
• Rogers, John WM ve Plett, Calvin Radyo Frekansı Entegre Devre Tasarımı , Artech House, 2003 ISBN  1-58053-502-X .
• Sarkar, Tapan K. Kablosuz Tarihi , John Wiley and Sons, 2006 ISBN  0-471-71814-9 .
• Sevgi, Levent Karmaşık Elektromanyetik Problemler ve Sayısal Simülasyon Yaklaşımları , Wiley-IEEE, 2003 ISBN  0-471-43062-5 .
• Thurston, Robert N., "Warren P. Mason: 1900-1986" , Journal of the Acoustical Society of America , cilt. 81, is. 2, s. 570-571, Şubat 1987.
• Young, L. "Geniş ve dar bant genişlikleri için doğrudan birleştirilmiş boşluk filtreleri" IEEE İşlemleri: Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri , cilt.MTT-11 , s. 162–178, Mayıs 1963.