לדלג לתוכן

טיוטה:Distributed element filter

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

מסנן אלמנטים מבוזרים הוא מסנן אלקטרוני שבו הקיבול, השראות וההתנגדות (מרכיבי המעגל) אינם ממוקמים בקבלים בדידים, במשרנים ובנגדים כפי שהם במסננים רגילים. מטרתו היא לאפשר לטווח של תדרי אות לעבור, אך לחסום אחרים. מסננים קונבנציונליים בנויים משרנים וקבלים, והמעגלים שנבנו כך מתוארים על ידי מודל האלמנטים הגושיים, הרואה כל אלמנט כ"מגושם" במקום אחד. המודל הזה פשוט מבחינה רעיונית, אבל הוא הופך להיות יותר ויותר לא אמין ככל שתדירות האות עולה, או באופן שווה ערך ככל שאורך הגל פוחת. מודל האלמנטים המבוזרים חל בכל התדרים, ומשמש בתורת קווי השידור; רכיבים מבוזרים רבים עשויים מאורכים קצרים של קו תמסורת. בתצוגה המבוזרת של מעגלים, האלמנטים מפוזרים לאורכם של המוליכים ומתערבבים יחד באופן בלתי נפרד. עיצוב המסנן עוסק בדרך כלל רק בהשראות ובקיבול, אך בגלל ערבוב זה של אלמנטים לא ניתן להתייחס אליהם כאל קבלים ומשרנים "מגושים" נפרדים. אין תדר מדויק שמעליו יש להשתמש במסנני אלמנטים מבוזרים אך הם משויכים במיוחד לפס המיקרוגל (אורך גל פחות ממטר אחד).

מסנני אלמנטים מבוזרים משמשים ברבים מאותם יישומים כמו מסנני אלמנטים מקובצים, כגון סלקטיביות של ערוץ רדיו, הגבלת פס של רעש וריבוי אותות רבים לערוץ אחד. מסננים עם אלמנטים מבוזרים עשויים להיות בנויים כך שיהיו כל אחד מצורות הפס אפשריים עם אלמנטים משובצים (low-pass, band-pass וכו') למעט High-pass, שבדרך כלל משוער בלבד. ניתן ליישם את כל מחלקות הסינון המשמשות בעיצובי אלמנטים משולבים (Butterworth, Chebyshev וכו') באמצעות גישת אלמנט מבוזר.

ישנן צורות רכיבים רבות המשמשות לבניית מסנני אלמנטים מבוזרים, אך לכולם יש את המאפיין המשותף של גרימת אי רציפות בקו ההולכה. אי-רציפות אלו מציגות עכבה תגובתית לחזית גל העוברת לאורך הקו, וניתן לבחור את התגובתיות הללו לפי התכנון כך שישמשו כקירובים עבור משרנים, קבלים או מהודים משובצים, כנדרש על ידי המסנן.[1]

הפיתוח של מסנני אלמנטים מבוזרים נבע מהצורך הצבאי במכ"ם ובאמצעי נגד אלקטרוניים במהלך מלחמת העולם השנייה. מסננים אנלוגיים של אלמנטים משובצים פותחו זמן רב לפני כן, אך המערכות הצבאיות החדשות הללו פעלו בתדרי מיקרוגל ונדרש עיצובי מסננים חדשים. כשהמלחמה הסתיימה, הטכנולוגיה מצאה יישומים בקישורי המיקרוגל שבהם השתמשו חברות טלפון וארגונים אחרים עם רשתות תקשורת קבועות גדולות, כמו שידורי טלוויזיה. כיום ניתן למצוא את הטכנולוגיה במספר פריטי צריכה בייצור המוני, כגון הממירים (איור 1 מציג דוגמה) המשמשים עם צלחות טלוויזיה בלוויין.

תגובות כלליות

[עריכת קוד מקור | עריכה]
Photograph
איור 2. מסנן קווים מקבילים בבניית מיקרו-סטריפ
הסמל λ משמש למשמעות אורך הגל של האות המועבר על הקו או קטע קו באורך חשמלי זה.

מסנני אלמנטים מבוזרים משמשים בעיקר בתדרים מעל פס ה-VHF (תדר גבוה מאוד) (30 עד 300 מגה-הרץ). בתדרים אלה, האורך הפיזי של רכיבים פסיביים הוא חלק משמעותי מאורך הגל של תדר ההפעלה, וקשה להשתמש במודל האלמנטים הגושיים המקובלים. הנקודה המדויקת שבה מודלים מבוזרים הופך הכרחי תלויה בעיצוב הספציפי הנבחן. כלל אצבע נפוץ הוא ליישם מודלים של רכיבים מבוזרים כאשר ממדי הרכיבים גדולים מ-0.1λ. המזעור ההולך וגובר של האלקטרוניקה גרם לכך שעיצובי המעגלים נעשים קטנים יותר בהשוואה ל-λ. התדרים שמעבר להם נחוצה גישת אלמנטים מבוזרים לעיצוב מסננים הולכים ונעשים גבוהים יותר כתוצאה מההתקדמות הללו. מצד שני, ממדי מבנה האנטנה בדרך כלל דומים ל-λ בכל פסי התדר ודורשים את המודל המבוזר.[2]

ממיר בלוקים בעל רעש נמוך
המעגל המתואר באיור 1 הוא ממיר בלוקים בעל רעש נמוך ונועד להיות מחובר לאנטנת צלחת קליטה של טלוויזיה בלוויין. זה נקרא ממיר בלוק מכיוון שהוא ממיר מספר רב של ערוצים לווייניים כבלוק ללא ניסיון לחלץ לערוץ מסוים. למרות שהשידור עבר 22,000 קילומטרים ממסלול הלוויין, יש בעיה לקבל את האות בכמה מטרים האחרונים מהצלחת עד לנקודה שבה הוא ישמש בתוך הנכס. הקושי הוא שהאות מוכנס לתוך הנכס באמצעות כבל (נקרא downlead) ותדרי האותות הלוויינים הגבוהים מוחלשים מאוד כאשר נמצאים בכבל ולא בשטח פנוי. מטרת ממיר הבלוק היא להמיר את אות הלוויין לפס תדרים נמוך בהרבה, שניתן לטפל בו על ידי ה-downlead והממיר של המשתמש. התדרים תלויים במערכת הלוויין ובאזור הגאוגרפי, אבל המכשיר המסוים הזה ממיר בלוק של תדרים בפס 10.7GHz עד 11.8GHz. הפלט שהולך ל-downlead הוא ברצועת 950 מגה-הרץ עד 1950MHz. שני מחברי F בתחתית המכשיר מיועדים לחיבור ל-downleads. שניים מסופקים בדגם המסוים הזה (לממירי בלוק יכולים להיות כל מספר יציאות מאחד ומעלה) כך שניתן לכוון שתי טלוויזיות או טלוויזיה ו- VCR לשני ערוצים שונים בו-זמנית. צופר הקליטה בדרך כלל מותאם לחור העגול במרכז הלוח, שני הגשושים הבולטים לחלל זה מיועדים לקליטת אותות מקוטבים אופקית ואנכית בהתאמה וניתן להחליף את ההתקן בין שני אלה. ניתן לראות מבני פילטר רבים במעגל: ישנן שתי דוגמאות של מסנני קווים מקבילים-מצמודים בפס-פס אשר נמצאים שם כדי להגביל את האות הנכנס לרצועת העניין. הרוחב הגדול יחסית של המהודים (השוואה לדוגמה של המיקרו-סטריפ באיור 2, או מסנני המתנד המקומיים מתחת ומימין למלבן המתכת המרכזי) משקפים את רוחב הפס הרחב שהמסנן נדרש לעבור. ישנן גם דוגמאות רבות של מסנני סטאב המספקים הטיית DC לטרנזיסטורים והתקנים אחרים, כאשר המסנן נדרש כדי למנוע מהאות לעבור לכיוון מקור הכוח. שורות החורים בחלק מהמסילות, הנקראות דרך גדרות, אינן מבני סינון אלא מהוות חלק מהמתחם.[3][4][5]

ההבדל הבולט ביותר בהתנהגות בין מסנן אלמנט מבוזר לבין קירוב האלמנט הגוש שלו הוא שלראשון יהיו העתקים מרובים של פס-מעבר של פס-המעבר של אב-טיפוס של אלמנט, מכיוון שמאפייני העברה של קו תמסורת חוזרים על עצמם במרווחים הרמוניים. פסי מעבר מזויפים אלה אינם רצויים ברוב המקרים.[6]

לבהירות המצגת, התרשימים במאמר זה מצוירים עם הרכיבים מיושמים בפורמט רצועה. זה לא מרמז על העדפה בתעשייה, אם כי פורמטים של קווי תמסורת מישוריים (כלומר, פורמטים שבהם המוליכים מורכבים מרצועות שטוחות) הם פופולריים מכיוון שניתן ליישם אותם באמצעות טכניקות ייצור מעגלים מודפסים מבוססים. ניתן ליישם את המבנים המוצגים גם באמצעות טכניקות מיקרו -סטריפ או רצועות קבורות (עם התאמות מתאימות למידות) וניתן להתאים אותם לכבלים קואקסיאליים, מובילים תאומים ומובילי גל, אם כי מבנים מסוימים מתאימים ליישומים מסוימים יותר מאחרים. מימושי החוט הפתוח, למשל, של מספר מבנים מוצגים בעמודה השנייה של איור 3 וניתן למצוא מקבילות חוט פתוח עבור רוב מבני הרצועה האחרים. קווי תמסורת מישוריים משמשים גם בעיצובי מעגלים משולבים.[7]

היסטוריה

[עריכת קוד מקור | עריכה]

פיתוח מסנני אלמנטים מבוזרים החל בשנים שלפני מלחמת העולם השנייה. וורן פ. מייסון ייסד את תחום מעגלי האלמנטים המבוזרים.[8] מאמר מרכזי בנושא פורסם על ידי מייסון וסייקס ב-1937.[9] מייסון הגיש פטנט[10] הרבה קודם לכן, ב-1927, והפטנט הזה עשוי להכיל את העיצוב החשמלי הראשון שפורסם שמתרחק מניתוח אלמנטים גושים.[11] עבודתם של מייסון וסייקס התמקדה בפורמטים של כבל קואקסיאלי וזוגות חוטים מאוזנים - הטכנולוגיות המישוריות עדיין לא היו בשימוש. פיתוח רב בוצע במהלך שנות המלחמה מונע על ידי צורכי הסינון של מכ"ם ואמצעי נגד אלקטרוניים. חלק ניכר מזה היה במעבדת הקרינה של MIT,[12] אך מעבדות אחרות בארצות הברית ובבריטניה היו מעורבות גם כן.[13][14]

נדרשו כמה התקדמות חשובות בתורת הרשתות לפני שניתן היה לקדם מסננים מעבר לתכנונים בזמן מלחמה. אחד מהם היה תורת הקו התואמת של פול ריצ'רדס.[15] קווים תואמים הם רשתות שבהן כל האלמנטים הם באותו אורך (או במקרים מסוימים כפולות של אורך היחידה), אם כי הם עשויים להיות שונים בממדים אחרים כדי לתת עכבות אופייניות שונות. הטרנספורמציה של ריצ'רדס מאפשרת לקחת עיצוב אלמנט מגושם "כמו שהוא" ולהפוך אותו ישירות לעיצוב אלמנט מבוזר באמצעות משוואת טרנספורמציה פשוטה מאוד.[16]

הקושי עם הטרנספורמציה של ריצ'רדס מנקודת המבט של בניית מסננים מעשיים היה שעיצוב האלמנטים המבוזרים שהתקבל כלל כלל אלמנטים מחוברים בסדרה. זה לא היה אפשרי ליישם בטכנולוגיות מישוריות ולעיתים קרובות לא היה נוח בטכנולוגיות אחרות. בעיה זו נפתרה על ידי K. Kuroda שהשתמש בשנאי עכבה כדי לחסל את רכיבי הסדרה. הוא פרסם אוסף של תמורות הידועות בשם זהויות קורודה ב-1955, אך עבודתו נכתבה ביפנית ועברו מספר שנים עד שרעיונותיו שולבו בספרות האנגלית.[17]

לאחר המלחמה, אפיק מחקר חשוב אחד היה ניסיון להגדיל את רוחב הפס העיצובי של מסננים רחבי פס. הגישה ששימשה בזמנו (ועדיין בשימוש היום) הייתה להתחיל עם מסנן אב-טיפוס של אלמנט מגושם ובאמצעות טרנספורמציות שונות להגיע למסנן הרצוי בצורת אלמנט מבוזר. נראה היה שגישה זו תקועה ב-Q מינימלי של חמישה (ראה מסנני פס-פס להלן להסבר על Q). בשנת 1957, ליאו יאנג במכון המחקר סטנפורד פרסם שיטה לתכנון מסננים שהתחילה באב טיפוס של אלמנטים מבוזרים.[18] אב טיפוס זה התבסס על שנאי עכבה של רבע גל והיה מסוגל לייצר עיצובים עם רוחבי פס של עד אוקטבה, המקביל ל-Q של כ-1.3. חלק מהנהלים של יאנג במאמר זה היו אמפיריים, אך מאוחר יותר,[19] פורסמו פתרונות מדויקים. המאמר של יאנג מתייחס ספציפית לתהודי חלל בשילוב ישיר, אך ניתן ליישם את ההליך באותה מידה גם על סוגי תהודה בצימוד ישיר אחרים, כמו אלו שנמצאים בטכנולוגיות מישוריות מודרניות ומאויר במאמר זה. מסנן הפערים הקיבוליים (איור 8) ומסנן הקווים המצמדים מקבילים (איור 9) הם דוגמאות לתהודה מחוברת ישירה.[16]

ה-PCB בתוך מנתח ספקטרום Agilent N9344C במהירות 20GHz המציג אלמנטים שונים של טכנולוגיית פילטר אלמנטים מבוזרים של מיקרו-סטריפ
A matrix of diagrams. (a1), a stripline through line with a perpendicular branch line terminated in a short-circuit strap. The length of the branch line is marked as length θ. (a2), a wire pair through line with a perpendicular branch line in parallel, terminated in a short circuit. The length of the branch line is marked as length θ. (a3), a circuit diagram of a parallel LC circuit in shunt with the line. (a4), identical to (a3). (b1), identical to (a1) but without the terminating strap. (b2), as (a2) except the branch line is terminated in an open-circuit. (b3), a circuit diagram of a series LC circuit in shunt with the line. (b4), identical to (b3). (c1), a stripline through line with a short line running parallel to it. The short line is terminated with a short-circuit strap at the left end, is left open-circuit at the right end, and is marked as length θ. (c2), a wire pair through line with a perpendicular branch line in series with the upper conductor of the through line, terminated in a short circuit. The length of the branch line is marked as length θ, as is the distance from the input to the junction with the branch line. (c3), circuit diagram of an impedance transformer in cascade with a parallel LC circuit in series with the line. (c4), identical to (b3). (d1), an input stripline is terminated in a short-circuit strap. A second line running in parallel begins at a second short-circuit strap, runs past the point where the first line terminated and then becomes the output The length of the overlap is marked as length θ. (d2), a wire pair through line with two perpendicular branch lines both terminated in short-circuits. The length of both branch lines is marked as length θ, as is the distance between the junctions of the branch lines to the through line. (d3), a circuit diagram a parallel LC circuit in shunt with the line, in cascade with an admittance transformer, in cascade with another parallel LC circuit in shunt with the line. (d4), a circuit diagram of a parallel LC circuit in shunt with the line, in cascade with a series LC circuit in series with the line. (e1), as (d1) but without the short-circuit straps. (e2), as (d2) except the branch lines terminate in open-circuits instead of short-circuits. (e3), a circuit diagram a series LC circuit in series with the line, in cascade with an impedance transformer, in cascade with another series LC circuit in series with the line. (e4), a circuit diagram of a series LC circuit in series with the line, in cascade with a parallel LC circuit in shunt with the line.
איור 3. כמה מבני סינון מישוריים פשוטים מוצגים בעמודה הראשונה. העמודה השנייה מציגה את המעגל המקביל לחוט פתוח עבור מבנים אלה. העמודה השלישית היא קירוב אלמנט מגושם למחצה כאשר האלמנטים המסומנים K או J הם שנאי עכבה או קבלה בהתאמה. העמודה הרביעית מציגה קירוב של אלמנט מגושם תוך הנחה נוספת ששנאי העכבה הם שנאי λ/4. תבנית:Ordered list</img> מייצג רצועה דרך הלוח המחברת עם מישור ההארקה שמתחתיו.

הכנסת טכנולוגיות מישוריות מודפסות פשטה מאוד את הייצור של רכיבי מיקרוגל רבים, כולל מסננים ומעגלים משולבים במיקרוגל לאחר מכן. לא ידוע מתי נוצרו קווי תמסורת מישוריים, אך ניסויים בשימוש בהם נרשמו כבר בשנת 1936. ממציא הרצועה המודפסת, לעומת זאת, ידוע; זה היה רוברט מ. בארט שפרסם את הרעיון ב-1951. זה תפס במהירות, ולקו הסטריפ של בארט הייתה עד מהרה תחרות מסחרית עזה מצד פורמטים מישוריים מתחרים, במיוחד טריפלייט ומיקרו-סטריפ. המונח הגנרי stripline בשימוש מודרני מתייחס בדרך כלל לצורה הידועה אז כטריפלי.

מסנני תהודה בשילוב ישיר של רצועות רצועות מוקדמות היו מצמודות קצה, אך האורך הצטמצם והקומפקטיות גדלה ברציפות עם הכנסת מסנני קווים מקבילים,[20] מסננים בין-דיגיטליים,[21] ומסנני קו מסרק.[22] חלק גדול מהעבודה הזו פורסם על ידי הקבוצה בסטנפורד בראשותו של ג'ורג' מתיאי, וכולל גם את ליאו יאנג שהוזכר לעיל, בספר ציון דרך שעדיין משמש כאסמכתא למעצבי מעגלים.[23][24] מסנן סיכות השיער תואר לראשונה בשנת 1972.[25][26] עד שנות ה-70, רוב טופולוגיות המסנן בשימוש נפוץ כיום תוארו.[27] מחקר עדכני יותר התרכז במחלקות מתמטיות חדשות או שונות של המסננים, כגון פסאודו- אליפטי, תוך שימוש באותן טופולוגיות בסיסיות, או עם טכנולוגיות יישום חלופיות כגון רצועה תלויה ו-finline.[28]

היישום הראשוני הלא צבאי של מסנני אלמנטים מבוזרים היה בקישורי המיקרוגל ששימשו חברות תקשורת כדי לספק את עמוד השדרה של הרשתות שלהן. קישורים אלה שימשו גם תעשיות אחרות עם רשתות גדולות וקבועות, בעיקר שידורי טלוויזיה.[29] יישומים כאלה היו חלק מתוכניות השקעות הון גדולות. עם זאת, ייצור המוני הפך את הטכנולוגיה לזולה מספיק כדי לשלב אותה במערכות טלוויזיה בלוויין מקומיות.[30] אפליקציה מתפתחת היא במסננים מוליכים-על לשימוש בתחנות הבסיס הסלולריות המופעלות על ידי חברות הטלפון הנייד.[31]

רכיבים בסיסיים

[עריכת קוד מקור | עריכה]

המבנה הפשוט ביותר שניתן ליישם הוא שלב בעכבה האופיינית של הקו, אשר מציג אי רציפות במאפייני השידור. זה נעשה בטכנולוגיות מישוריות על ידי שינוי ברוחב קו ההולכה. איור 4(א) מציג עלייה בעכבה (לקווים צרים יותר יש עכבה גבוהה יותר). ירידה בעכבה תהיה תמונת המראה של איור 4(א). ניתן לייצג את האי-רציפות בקירוב כמשרן סדרתי, או ליתר דיוק, כמעגל T במעבר נמוך כפי שמוצג באיור 4(א).[32] אי-רציפות מרובות מחוברות לרוב יחד עם שנאי עכבה כדי לייצר מסנן מסדר גבוה יותר. שנאי עכבה אלה יכולים להיות רק באורך קצר (לעיתים קרובות λ/4) של קו תמסורת. מבנים מרוכבים אלה יכולים ליישם כל אחת ממשפחות המסננים (Butterworth, Chebyshev וכו') על ידי קירוב של פונקציית ההעברה הרציונלית של מסנן האלמנט הגוש המתאים. התאמה זו אינה מדויקת מאחר שמעגלים של אלמנט מבוזר אינם יכולים להיות רציונליים והיא הסיבה העיקרית לסטייה בין התנהגות של אלמנט גוש והתנהגות אלמנט מבוזר. שנאי עכבה משמשים גם בתערובות היברידיות של מסננים עם אלמנטים מבוזרים (מה שנקרא מבנים חצי-גושים).[33]

A matrix of diagrams. (a1), a stripline through line that abruptly changes to a narrower width of line. (a2), a circuit diagram showing a "T" circuit consisting of a series inductor in cascade with a shunt capacitor in cascade with another series inductor. (b1), a stripline ending in an open circuit. (b2), a circuit diagram of a shunt capacitor. (c1), a stripline through line with a rectangular hole in the line. (c2), a circuit diagram showing a "Π" circuit consisting of a shunt capacitor in cascade with a series inductor in cascade with another shunt capacitor. (d1), a stripline through line with a rectangular notch cut from the upper part of the line. (d2), a circuit diagram showing an inductor in series with the line. (e1), a stripline through line with a gap cut entirely through the line. (e2), a circuit diagram of a "Π" circuit consisting of a shunt capacitor in cascade with a series capacitor in cascade with another shunt capacitor.
איור 4. עוד אלמנטים סטריליים ועמיתיהם בעלי אלמנטים גושים.

עוד מרכיב נפוץ מאוד של מסנני אלמנטים מבוזרים הוא ה-stub. בטווח צר של תדרים, בדל יכול לשמש כקבל או כמשרן (העכבה שלו נקבעת על פי אורכו) אבל על פס רחב הוא מתנהג כמו תהודה. קצרי מעגל, רבע אורך גל נומינלי (איור 3(א)) מתנהגים כאנטי-מהודים LC של shunt, וסטב מעגל פתוח נומינלי רבע אורך גל (איור 3(ב)) מתנהג כתהודה LC סדרה. ניתן להשתמש בסטאב גם בשילוב עם שנאי עכבה לבניית מסננים מורכבים יותר, וכפי שניתן היה לצפות מאופי התהודה שלהם, הם שימושיים ביותר ביישומי פס פס.[34] בעוד שסתומים במעגל פתוח קלים יותר לייצור בטכנולוגיות מישוריות, יש להם החיסרון שהסיום סוטה באופן משמעותי ממעגל פתוח אידיאלי (ראה איור 4(ב)), מה שמוביל לעיתים קרובות להעדפה של בדלי קצר (אפשר תמיד לשמש במקום השני על ידי חיבור או הפחתה של λ/4 לאורך או ממנו).[32]

מהוד סליל דומה לסטב, בכך שהוא דורש מודל של אלמנט מבוזר כדי לייצג אותו, אך למעשה בנוי באמצעות אלמנטים משובצים. הם בנויים בפורמט לא מישורי ומורכבים מסליל של חוט, על קודקוד וליבה, ומחוברים רק בקצה אחד. המכשיר נמצא בדרך כלל בפחית מסוככת עם חור בחלק העליון להתאמת הליבה. לעיתים קרובות זה ייראה דומה מאוד מבחינה פיזית לתהודה LC עם גושים המשמשים למטרה דומה. הם שימושיים ביותר ברצועות ה-VHF העליונות והתחתונות של ה-UHF, בעוד שבדלים מיושמים לעיתים קרובות יותר ברצועות ה-UHF וה-SHF הגבוהות יותר.[35]

קווים מצמדים (איורים 3(ce)) יכולים לשמש גם כאלמנטים מסננים; כמו בלמים, הם יכולים לשמש תהודים וכמו כן להסתיים במעגל קצר או במעגל פתוח. קווים מצמדים נוטים להיות מועדפים בטכנולוגיות מישוריות, שם הם קלים ליישום, בעוד שבדלים נוטים להיות מועדפים במקומות אחרים. הטמעת מעגל פתוח אמיתי בטכנולוגיה מישורית אינה ריאלית בגלל ההשפעה הדיאלקטרית של המצע אשר תמיד תבטיח שהמעגל המקביל מכיל קיבול shunt. למרות זאת, מעגלים פתוחים משמשים לעיתים קרובות בפורמטים מישוריים על פני קצרים מכיוון שקל יותר ליישם אותם. ניתן לסווג סוגי אלמנטים רבים כשורות מצמודות ומבחר מהנפוצים יותר מוצג באיורים.[36]

כמה מבנים נפוצים מוצגים באיורים 3 ו-4, יחד עם עמיתיהם בעלי האלמנטים הגושים. אין לראות בקירוב האלמנטים הגושיים האלה מעגלים שווים אלא כמדריך להתנהגות האלמנטים המבוזרים בטווח תדרים מסוים. איורים 3(א) ו-3(ב) מציגים סתימה קצרה ופתוח, בהתאמה. כאשר אורך הגדם הוא λ/4, אלה מתנהגים, בהתאמה, כאנטי-מהודים ומהודים, ולכן שימושיים, בהתאמה, כאלמנטים במסנני פס-מעבר ו-band-stop. איור 3(ג) מציג קו קצר מחובר לקו הראשי. זה מתנהג גם בתור תהודה, אבל הוא נפוץ בשימוש ביישומי פילטר במעבר נמוך עם תדר התהודה מחוץ לתחום העניין. איורים 3(ד) ו-3(ה) מציגים מבני קווים מצמדים אשר שניהם שימושיים במסנני פס-מעבר. למבנים של איורים 3(ג) ו-3(ה) יש מעגלים שווי ערך הכוללים בדים הממוקמים בסדרה עם הקו. טופולוגיה כזו היא פשוטה ליישום במעגלי חוט פתוח אך לא בטכנולוגיה מישורית. לכן שני המבנים הללו שימושיים ליישום אלמנט סדרה שווה ערך.[37]

מסננים במעבר נמוך

[עריכת קוד מקור | עריכה]
מסנן microstrip low-pass מיושם עם בדלי פפיון בתוך 20 מנתח ספקטרום GHz Agilent N9344C
A stripline circuit consisting of sections of line that are alternately narrower than the input line and much wider. These are all directly connected in cascade. The narrow lines are annotated as inductors and the wide lines are annotated as capacitors. An equivalent circuit is shown below the stripline diagram consisting of series inductors alternating with shunt capacitors in a ladder network.
איור 5. מסנן מעבר נמוך בעל עכבה מדורגת הנוצר מקטעי קו לסירוגין עם עכבה גבוהה ונמוכה

מסנן מעבר נמוך יכול להיות מיושם די ישירות מאב-טיפוס טופולוגי של סולם של אלמנטים עם מסנן עכבה מדורג שמוצג באיור 5. זה נקרא גם עיצוב קווים מדורגים. המסנן מורכב מקטעים מתחלפים של קווים בעלי עכבה גבוהה ועם עכבה נמוכה, התואמים את משרני הסדרות וקבלי ה-shunt במימוש האלמנט הגוש. מסנני מעבר נמוך משמשים בדרך כלל להזנת הטיית זרם ישר (DC) לרכיבים פעילים. מסננים המיועדים ליישום זה מכונים לפעמים משנקים. במקרים כאלה, כל אלמנט של המסנן הוא באורך λ/4 (כאשר λ הוא אורך הגל של אות הקו הראשי שייחסם לשידור למקור DC) והקטעים בעלי העכבה הגבוהה של הקו עשויים כצרים כפי שטכנולוגיית הייצור תאפשר על מנת למקסם את השראות.[38] ניתן להוסיף קטעים נוספים לפי הצורך עבור ביצועי המסנן בדיוק כפי שיתווספו עבור רכיב האלמנט הגוש. כמו גם הצורה המישורית המוצגת, מבנה זה מתאים במיוחד למימושים קואקסיאליים עם דיסקים מתחלפים של מתכת ומבודד מושחלים על המוליך המרכזי.[39][40][41]

A stripline circuit consisting of sections of line that are narrower than the input line alternating with branch lines consisting of a narrow section of line in cascade with a wide line. An equivalent circuit is shown below the stripline diagram consisting of series inductors alternating with shunt series LC circuits in a ladder network.
איור 6. צורה נוספת של מסנן מעביר נמוך בעל עכבה מדורגת המשלבת תהודה shunt

דוגמה מורכבת יותר לתכנון עכבה מדורגת מוצגת באיור 6. שוב, קווים צרים משמשים ליישום משרנים וקווים רחבים תואמים קבלים, אך במקרה זה, למקביל האלמנט הגוש יש תהודה המחוברת ב-shunt על פני הקו הראשי. טופולוגיה זו יכולה לשמש לתכנון מסננים אליפטיים או מסנני Chebyshev עם קטבים של הנחתה בפס העצירה. עם זאת, חישוב ערכי רכיבים עבור מבנים אלה הוא תהליך מעורב והוביל לכך שמעצבים בוחרים לעיתים קרובות ליישם אותם כמסננים שמקורם ב-m במקום זאת, אשר מתפקדים היטב וקל הרבה יותר לחישוב. המטרה של שילוב מהודים היא לשפר את דחיית הפס העצירה. עם זאת, מעבר לתדר התהודה של מהוד בתדר הגבוה ביותר, דחיית פס העצירה מתחילה להידרדר ככל שהמהודים נעים לכיוון מעגל פתוח. מסיבה זו, למסננים הבנויים לתכנון זה יש לרוב קבל נוסף בעל עכבה מדורגת כמרכיב הסופי של המסנן.[42] זה גם מבטיח דחייה טובה בתדירות גבוהה.[43][44][45]

(a), a stripline diagram consisting of a through line, which is narrower than the input and output lines, with regular perpendicular branch lines joined to alternate sides of the through line. The branch lines are wider (same width as the input and output lines) than the through line. (b), similar to (a) except that at each junction, instead of a branch line, there are two sectors of a circle joined to the through line at their apexes. (c), a gallery of stub types in stripline.
איור 7. מסננים במעבר נמוך הבנויים מסטבים. תבנית:Ordered list

טכניקת תכנון נפוצה נוספת במעבר נמוך היא ליישם את קבלי ה-shunt כסטאבים עם תדר התהודה שנקבע מעל תדר ההפעלה, כך שעכבת הסטאב תהיה קיבולית בפס המעבר. ליישום זה יש מקבילה של אלמנט מגושם של צורה כללית הדומה למסנן של איור 6. היכן שהמקום מאפשר זאת, ניתן להגדיר את העמודים בצדדים חלופיים של הקו הראשי כפי שמוצג באיור 7(א). המטרה של זה היא למנוע צימוד בין בלמים סמוכים אשר פוגם בביצועי המסנן על ידי שינוי תגובת התדר. עם זאת, מבנה עם כל הבדלים באותו צד הוא עדיין עיצוב תקף. אם הסטב נדרש להיות קו עכבה נמוך מאוד, הסטאם עשוי להיות רחב באופן לא נוח. במקרים אלו, פתרון אפשרי הוא חיבור שני בלמים צרים יותר במקביל. כלומר, לכל עמדת בדל יש בדל משני צידי הקו. החיסרון של טופולוגיה זו הוא שאופני תהודה רוחביים נוספים אפשריים לאורך λ/2 של הקו הנוצר על ידי שני הקטעים יחד. עבור תכנון משנק, הדרישה היא פשוט להפוך את הקיבול לגדול ככל האפשר, עבורו ניתן להשתמש ברוחב הבדל המקסימלי של λ/4 עם בלמים במקביל משני צידי הקו הראשי. המסנן שהתקבל נראה דומה למדי למסנן העכבה המדורגת של איור 5, אך תוכנן על פי עקרונות שונים לחלוטין.[38] קושי בשימוש בסתימות רחבה כל כך הוא שהנקודה שבה הם מחוברים לקו הראשי אינה מוגדרת בצורה לא נכונה. ניתן לראות בדל שהוא צר בהשוואה ל-λ כמחובר על קו המרכז שלו וחישובים המבוססים על הנחה זו ינבאו במדויק את תגובת המסנן. עם זאת, עבור בדל רחב, חישובים המניחים שהענף הצדדי מחובר בנקודה מוגדרת על הקו הראשי מובילים לאי דיוקים מכיוון שזה כבר לא מודל טוב של דפוס השידור. אחד הפתרונות לקושי הזה הוא להשתמש בסתימות רדיאליות במקום בסתימות ליניאריות. זוג בדל רדיאלי במקביל (אחד משני צידי הקו הראשי) נקרא בדל פרפר (ראה איור 7(ב)). קבוצה של שלושה בדלי רדיאליים במקביל, שניתן להשיג בקצה קו, נקראת בדל עלה תלתן.[46][47]

מסנני פס-פס

[עריכת קוד מקור | עריכה]

ניתן לבנות מסנן פס-פס באמצעות כל אלמנט שיכול להדהד. ניתן לבצע בבירור מסננים באמצעות בדלי פס; מבנים רבים אחרים אפשריים וחלקם מוצגים להלן.

פרמטר חשוב כאשר דנים במסנני פס-פס הוא רוחב הפס השברירי. זה מוגדר כיחס בין רוחב הפס לתדר המרכז הגיאומטרי. ההפך של כמות זו נקרא Q-factor, Q. אם ω 1 ו-ω 2 הם התדרים של קצוות פס המעבר, אז:[48]

רוחב פס ,
תדר מרכז גיאומטרי ו

מסנן פערים קיבוליים

[עריכת קוד מקור | עריכה]
A stripline circuit consisting of a through line with regularly spaced gaps across the line
הספרה 8. מסנן רצועת מרווח קיבולי

מבנה הפער הקיבולי מורכב מקטעי קו באורך של כ-λ/2 אשר פועלים כתהודה ומקושרים "בקצה" על ידי פערים בקו ההולכה. הוא מתאים במיוחד לפורמטים מישוריים, מיושם בקלות בטכנולוגיית מעגלים מודפסים ויש לו את היתרון בכך שהוא לא תופס יותר מקום מאשר קו תמסורת רגיל. המגבלה של טופולוגיה זו היא שהביצועים (במיוחד אובדן הכנסה) מתדרדרים עם הגדלת רוחב הפס החלקי, ותוצאות מקובלות לא מתקבלות עם Q פחות מ-5 בערך. קושי נוסף בהפקת עיצובי Q נמוך הוא שרוחב הפער נדרש להיות קטן יותר עבור רוחבי פס רחבים יותר. הרוחב המינימלי של הרווחים, כמו הרוחב המינימלי של המסלולים, מוגבל על ידי הרזולוציה של טכנולוגיית ההדפסה.[41][49]

מסנן קווים מקבילים

[עריכת קוד מקור | עריכה]
A stripline circuit consisting of a number of parallel, but overlapping lines. The left end of the first line is marked as continuing (the input) and likeise the right end of the last line (the output). All other line ends are left open-circuit.
איור 9. מסנן קווים מצמדים מקבילים ברצועה. מסנן זה מודפס בדרך כלל בזווית כפי שמוצג כדי למזער את שטח הלוח שתופס, אם כי זו אינה תכונה חיונית של העיצוב. מקובל גם שאלמנט הקצה או החצאים החופפים של שני אלמנטי הקצה יהיו ברוחב צר יותר למטרות התאמה (לא מוצג בתרשים זה, ראה איור 1).

קווים מצמדים מקבילים היא טופולוגיה פופולרית נוספת עבור לוחות מודפסים, שעבורם קווים במעגל פתוח הם הפשוטים ביותר ליישום מכיוון שהייצור אינו מורכב יותר מאשר המסלול המודפס. התכנון מורכב משורה של מהודים מקבילים λ/2, אך מצמידים רק λ/4 לכל אחד מהמהודים השכנים, כך שיוצרים קו מדורג כפי שמוצג באיור 9. רוחבי פס חלקיים רחבים יותר אפשריים עם מסנן זה מאשר עם מסנן הפער הקיבולי, אך בעיה דומה מתעוררת בלוחות מודפסים מכיוון שהפסד דיאלקטרי מפחית את ה- Q. קווי Q תחתונים דורשים צימוד הדוק יותר ומרווחים קטנים יותר ביניהם, אשר מוגבלים על ידי הדיוק של תהליך ההדפסה. אחד הפתרונות לבעיה זו הוא להדפיס את המסלול על מספר שכבות עם קווים סמוכים חופפים אך לא במגע מכיוון שהם על שכבות שונות. בדרך זו, ניתן לחבר את הקווים לרוחבם, מה שגורם לצימוד הרבה יותר חזק מאשר כאשר הם מקצה לקצה, ומתאפשר פער גדול יותר עבור אותם ביצועים.[50]

מסנן סיכת ראש מסוג מיקרו-סטריפ ואחריו מסנן סיכות נמוך על גבי PCB בנתח ספקטרום 20GHz Agilent N9344C

עבור טכנולוגיות אחרות (לא מודפסות), קווי קצר חשמלי עשויים להיות מועדפים מאחר שהקצר מספק נקודת חיבור מכנית לקו ומבודדים דיאלקטריים מפחיתי Q אינם נדרשים לתמיכה מכנית. מלבד מסיבות מכניות והרכבה, אין עדיפות למעגל פתוח על פני קווים מקושרים. שני המבנים יכולים לממש את אותו טווח של יישומי מסננים עם אותם ביצועים חשמליים. לשני הסוגים של מסננים מצמודים מקבילים, בתיאוריה, אין פסי מעבר מזויפים בתדר כפול מהתדר המרכזי כפי שניתן לראות בטופולוגיות מסננים רבות אחרות (למשל, בדל). עם זאת, דיכוי של פס מעבר מזויף זה מצריך כוונון מושלם של הקווים המצורפים אשר אינו מתממש בפועל, כך שבהכרח ישנו פס מעבר מזויף שיורי בתדר זה.[41][51][52]

מסנן PCB סיכת ראש מסוג מיקרו-סטריפ מיושם בנתח ספקטרום Agilent N9344C

מסנן סיכות השיער הוא מבנה נוסף המשתמש בקווים מצמדים מקבילים. במקרה זה, כל זוג קווים מקבילים מחוברים לזוג הבא באמצעות קישור קצר. צורות ה"U" שנוצרו כך מולידות את השם מסנן סיכות ראש. בעיצובים מסוימים הקישור יכול להיות ארוך יותר, ונותן סיכת ראש רחבה עם פעולת שנאי עכבה λ/4 בין הקטעים.[53][54]

A diagram of a stripline circuit. A number of elongated "U" shapes (the hairpins) are placed in cascade, but not actually touching. The input line joins the left side of the first hairpin and the output line joins the right side of the last hairpin. The lines making up the hairpins are narrower than the main input and output lines.
איור 10. מסנן סיכות ראש ברצועה

עיקולי הזווית הנראים באיור 10 משותפים לעיצובי רצועות ומייצגים פשרה בין זווית ישרה חדה, המייצרת אי רציפות גדולה, לבין עיקול חלק, שתופס יותר שטח לוח אשר יכול להיות מוגבל מאוד במוצרים מסוימים. עיקולים כאלה נראים לעיתים קרובות בפסלים ארוכים שבהם לא ניתן היה להתאים אותם בדרך אחרת לחלל הפנוי. המעגל המקביל של אלמנטים בגוש של אי-רציפות מסוג זה דומה לאי-רציפות של עכבה מדורגת. ניתן לראות דוגמאות לקטעים כאלה על כניסות ההטיה למספר רכיבים בתצלום בראש המאמר.[41][55]

מסנן בין-דיגיטלי

[עריכת קוד מקור | עריכה]
A stripline circuit consisting of a number of long parallel vertical lines. There are two horizontal lines with numerous short-circuit straps fed through holes to the board's ground plane. The vertical lines are alternately connected to the top and bottom horizontal lines. The free end of the first and last horizontal lines form the input and output respectively.
איור 11. מסנן בין-דיגיטלי Stripline
שלושה מסנני קו בין-דיגיטלי מ-PCB של מנתח ספקטרום

מסננים בין-דיגיטליים הם צורה נוספת של מסנן קו מצמוד. אורך כל קטע קו הוא כ-λ/4 והוא מסתיים בקצר בקצה אחד בלבד, הקצה השני נותר במעגל פתוח. הקצה המקצר מתחלף בכל קטע קו. טופולוגיה זו היא פשוטה ליישום בטכנולוגיות מישוריות, אך גם מתאימה במיוחד להרכבה מכנית של קווים קבועים בתוך מארז מתכת. הקווים יכולים להיות מוטות עגולים או מוטות מלבניים, והתממשקות לקו בפורמט קואקסיאלי קלה. בדומה למסנן הקווים המקבילים, היתרון של סידור מכני שאינו מצריך מבודדים לתמיכה הוא שההפסדים הדיאלקטריים מתבטלים. דרישת המרווח בין הקווים אינה מחמירה כמו במבנה הקו המקביל; ככזה, ניתן להשיג רוחב פס חלקי גבוה יותר, וערכי Q נמוכים עד 1.4 אפשריים.[56][57]

מסנן קו המסרק דומה למסנן הבין-דיגיטלי בכך שהוא מתאים להרכבה מכנית במארז מתכת ללא תמיכה דיאלקטרית. במקרה של קו המסרק, כל הקווים קצרים באותו קצה ולא בקצוות חלופיים. הקצוות האחרים מסתיימים בקבלים לאדמה, וכתוצאה מכך העיצוב מסווג כחצי גוש. היתרון העיקרי של עיצוב זה הוא שניתן להפוך את פס העצירה העליון רחב מאוד, כלומר, ללא פסי מעבר מזויפים בכל התדרים המעניינים.[58]

מסנני פס-פס סטאב

[עריכת קוד מקור | עריכה]
A stripline circuit consisting of a through line with regularly spaced branch lines perpendicular to it. Each branch line (except the first and the last) extends both sides of the through line and is terminated in short-circuit straps at both ends. The first and last branch line extend to only one side, are half the length of the other branches, and have only one terminating short-circuit strap.
איור 12. מסנן סטריפליין המורכב מ-λ/4 בדלי קצר חשמלי

כפי שצוין לעיל, בלמים מתאימים לעיצובי להקה. צורות כלליות של אלה דומות למסנני דחף נמוך, פרט לכך שהקו הראשי אינו עוד קו צר עם עכבה גבוהה. למעצבים יש טופולוגיות רבות ושונות של מסנני סטאב לבחירה, שחלקן מייצרות תגובות זהות. מסנן בדל דוגמה מוצג באיור 12; הוא מורכב משורה של λ/4 סתימות קצרות המחוברות יחד על ידי שנאי עכבה λ/4.

הסטבים בגוף הפילטר הם בדלי מקבילים כפולים ואילו הסטבים בקטעי הקצה הם בודדים בלבד, סידור בעל יתרונות התאמת עכבה. לשנאי העכבה יש את ההשפעה של הפיכת שורת אנטי-תהודה shunt לסולם של תהודה סדרה ואנטי-תהודה shunt. ניתן לבנות מסנן בעל מאפיינים דומים עם גזעי מעגל פתוח λ/4 הממוקמים בסדרה עם הקו ומצמדים יחד עם שנאי עכבה λ/4, אם כי מבנה זה אינו אפשרי בטכנולוגיות מישוריות.[59]

מבנה נוסף שזמין הוא λ/2 בדלי מעגל פתוח על פני הקו יחד עם שנאי עכבה λ/4. לטופולוגיה זו יש גם מאפייני מעבר נמוך וגם מאפייני מעבר פס. מכיוון שהוא יעבור DC, ניתן להעביר מתחי הטיה לרכיבים פעילים ללא צורך בקבלים חוסמים. כמו כן, מכיוון שלא נדרשים קישורי קצר חשמלי, אין צורך בפעולות הרכבה מלבד הדפסת הלוח כשהם מיושמים כסטריפליין. החסרונות הם

(i) המסנן יתפוס יותר נכסי לוח מהמסנן המקביל λ/4 בדל, שכן הסטבים כולם באורך כפול;
(ii) פס המעבר המזויף הראשון הוא ב-2ω 0, בניגוד ל-3ω 0 עבור מסנן λ/4 stub.[60]
A stripline circuit consisting of a through line with two 60° circle sectors attached to the line (one either side) by their apexes
איור 13. בדל הפרפר 60° של Konishi

Konishi מתאר פס רחב 12 מסנן פס פס ג'יגה-הרץ, המשתמש בסתמי פרפר של 60° וגם בעל תגובת מעבר נמוך (נדרשים בדלי קצר כדי למנוע תגובה כזו). כפי שקורה לעיתים קרובות עם מסנני אלמנטים מבוזרים, צורת הפס שלתוכו מסווג המסנן תלויה במידה רבה באילו פסים רצויים ואילו נחשבים למזויפים.[61]

מסננים במעבר גבוה

[עריכת קוד מקור | עריכה]

קשה, אם לא בלתי אפשרי, ליישם מסנני High-pass אמיתיים עם אלמנטים מבוזרים. גישת התכנון הרגילה היא להתחיל עם תכנון פס-מעבר, אך לגרום לפס העצירה העליון להתרחש בתדר שהוא כל כך גבוה עד שאין בו עניין. מסננים כאלה מתוארים כפסאודו-גבוהים ופס העצירה העליון מתואר כפס עצור שריד. אפילו מבנים שנראים כבעלי טופולוגיה "ברורה" של מעבר גבוה, כגון מסנן הפער הקיבולי של איור 8, מתגלים כפס-מעבר כאשר מתחשבים בהתנהגותם עבור אורכי גל קצרים מאוד.[62]

קישורים חיצוניים

[עריכת קוד מקור | עריכה]
ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא Distributed element filter בוויקישיתוף

הערות שוליים

[עריכת קוד מקור | עריכה]
  1. ^ Connor, pp.13–14.
  2. ^ Golio, pp.1.2–1.3,4.4–4.5.
  3. ^ Bahl, pp.290–293.
  4. ^ Benoit, pp.44–51.
  5. ^ Lundström, pp.80–82
  6. ^ Matthaei et al., pp.17–18.
  7. ^ Rogers et al., p.129.
  8. ^ Thurston, p. 570
  9. ^ Mason and Sykes, 1937.
  10. ^ Mason, Warren P., "Wave filter", U.S. Patent 1,781,469, filed: 25 June 1927, issued: 11 November 1930.
  11. ^ Fagen and Millman, p.108.
  12. ^ Ragan, 1965.
  13. ^ Makimoto and Yamashita, p.2.
  14. ^ Levy and Cohn, p.1055.
  15. ^ Richards, 1948.
  16. ^ 1 2 Levy and Cohn, p.1056.
  17. ^ Levy and Cohn, p.1057.
  18. ^ Young, 1963.
  19. ^ Levy, 1967.
  20. ^ Cohn, 1958.
  21. ^ Matthaei, 1962.
  22. ^ Matthaei, 1963.
  23. ^ Matthaei et al., 1964.
  24. ^ Levy and Cohn, pp.1057–1059.
  25. ^ Cristal and Frankel, 1972.
  26. ^ Levy and Cohn, p.1063.
  27. ^ Niehenke et al., p.847.
  28. ^ Levy and Cohn, p.1065.
  29. ^ Huurdeman, pp.369–371.
  30. ^ Benoit, p.34.
  31. ^ Ford and Saunders, pp.157–159.
  32. ^ 1 2 Bhat and Koul, p.498.
  33. ^ Matthaei et al., pp.144–149, 203–207.
  34. ^ Matthaei et al., pp.203–207.
  35. ^ Carr, pp.63–64.
  36. ^ Matthaei et al., pp.217–218.
  37. ^ Matthaei et al., pp.217–229.
  38. ^ 1 2 Kneppo, pp.213–214.
  39. ^ Matthaei et al., pp.373–374.
  40. ^ Lee, pp.789–790.
  41. ^ 1 2 3 4 Sevgi, p.252.
  42. ^ Hong and Lancaster, p.217.
  43. ^ Matthaei et al., pp.373–380.
  44. ^ Lee, pp.792–794.
  45. ^ Kneppo, p.212.
  46. ^ Lee, pp.790–792.
  47. ^ Kneppo, pp.212–213.
  48. ^ Farago, p.69.
  49. ^ Matthaei et al., pp.422, 440–450.
  50. ^ Matthaei et al., pp.585–595.
  51. ^ Matthaei et al., pp.422, 472–477.
  52. ^ Kneppo, pp.216–221.
  53. ^ Hong and Lancaster, pp.130–132.
  54. ^ Jarry and Beneat, p.15.
  55. ^ Paolo, pp.113–116.
  56. ^ Matthaei et al., pp.424, 614–632.
  57. ^ Hong and Lancaster, p.140.
  58. ^ Matthaei et al., pp.424, 497–518.
  59. ^ Matthaei et al., pp.595–605.
  60. ^ Matthaei et al., pp.605–614.
  61. ^ Konishi, pp.80–82.
  62. ^ Matthaei et al., p.541.

קטגוריה:גלי מיקרו קטגוריה:דפים עם תרגומים שלא נסקרו

אוחזר מתוך "https://he.wikipedia.org/w/index.php?title=טיוטה:Distributed_element_filter&oldid=40088609"