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 por 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 ventaja importante de los circuitos de elementos distribuidos es que pueden producirse de forma económica como placa de circuito impreso para productos de consumo, como la televisión por satélite . También se fabrican en formatos coaxial y de guía de ondas para aplicaciones como radar , comunicaciones por satélite y enlaces de microondas .
Un fenómeno comúnmente utilizado en 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 adquirieron importancia hasta la Segunda Guerra Mundial , cuando se utilizaron en radar . Después de la guerra, su uso se limitó a la infraestructura militar, espacial y de radiodifusión , pero las mejoras en la ciencia de los materiales en este campo pronto llevaron a aplicaciones más amplias. Actualmente se pueden encontrar en productos domésticos como antenas parabólicas y teléfonos móviles.
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 , capacitancia e inductancia eléctricas 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 se considera que estas propiedades están distribuidas en el espacio. La suposición se derrumba cuando las ondas electromagnéticas tardan mucho en viajar de 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 depende de la longitud de onda ). Una regla general común entre los ingenieros es cambiar del modelo concentrado 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 concentrado falla completamente en un cuarto de longitud de onda (un cambio de fase de 90°), y no sólo el valor, sino también la naturaleza del componente no son los previstos. 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 viables por encima de 300 MHz y son la tecnología preferida en frecuencias de microondas superiores a 1 GHz . [1]
No existe una demarcación clara en la frecuencia con la que se deben utilizar estos modelos. Aunque el cambio suele tener lugar en el rango de 100 a 500 MHz , la escala tecnológica también es significativa; Los circuitos miniaturizados pueden utilizar el modelo concentrado 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 ambas. 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 importante para los dispositivos portátiles, porque los diseños de elementos agrupados generalmente dan como resultado un producto más pequeño. [2]
La inmensa mayoría de los circuitos de elementos distribuidos se componen de longitudes de líneas 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 lo tanto, sólo es necesario considerar la distribución a lo largo de la línea. Un elemento de este tipo de un circuito distribuido se caracteriza enteramente por su longitud e impedancia característica . Otra simplificación se produce 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 circuitos que constan de longitudes arbitrarias de líneas de transmisión (o cualquier forma arbitraria). Aunque una forma arbitraria puede analizarse con las ecuaciones de Maxwell para determinar su comportamiento, encontrar estructuras útiles es una cuestión de prueba y error o de 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 de Chebyshev ; el circuito concentrado 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 retraso fijo en todas las frecuencias (suponiendo una línea ideal ). No existe un equivalente en circuitos agrupados para un retardo fijo, aunque se podría construir una aproximación para un rango de frecuencia limitado. [5]
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 los portátiles), donde el espacio es escaso. Si las frecuencias operativas no son demasiado altas, el diseñador puede miniaturizar los componentes en lugar de cambiar a elementos distribuidos. Sin embargo, los elementos parásitos y las pérdidas resistivas en los componentes concentrados son mayores al aumentar la frecuencia como proporción del valor nominal de la impedancia del elemento concentrado. En algunos casos, los diseñadores pueden elegir un diseño de elementos distribuidos (incluso si los componentes agrupados están disponibles con esa frecuencia) para beneficiarse de una calidad mejorada . Los diseños de elementos distribuidos tienden a tener una mayor capacidad de manejo de potencia; Con un componente concentrado, toda la energía que pasa por un circuito se concentra en un pequeño volumen. [6]
Existen varios tipos de líneas de transmisión y cualquiera de ellas puede usarse 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 utiliza con frecuencia para circuitos de elementos distribuidos porque las frecuencias utilizadas son más bajas que el punto en el que los diseños de elementos distribuidos se vuelven ventajosos. Sin embargo, los diseñadores frecuentemente comienzan con un diseño de elementos agrupados y lo convierten en un diseño de elementos distribuidos de alambre 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 los cables gemelos utilizados para las líneas de alimentación de antenas . [7]
La línea coaxial , un conductor central rodeado por un conductor blindado aislado, se usa ampliamente para interconectar unidades de equipos de microondas y para transmisiones a mayor distancia. Aunque los dispositivos coaxiales de elementos distribuidos se fabricaron comúnmente durante la segunda mitad del siglo XX, han sido reemplazados en muchas aplicaciones por formas planas debido a consideraciones de costo y tamaño. La línea coaxial aire- dieléctrica se utiliza para aplicaciones de baja pérdida y alta potencia. Los circuitos de elementos distribuidos en otros medios todavía comúnmente hacen la transición a conectores coaxiales en los puertos del circuito para fines de interconexión. [8]
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 microstrip 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]
Muchos diseños de elementos distribuidos se pueden implementar directamente en guías de ondas. Sin embargo, existe una complicación adicional con las guías de onda en el sentido de que son posibles múltiples modos . A veces existen simultáneamente y esta situación no tiene analogía en las líneas conductoras. Las guías de ondas tienen las ventajas de una menor pérdida y resonadores de mayor calidad sobre las líneas conductoras, pero su costo y volumen relativos significan que a menudo se prefiere la microbanda. Waveguide encuentra usos principalmente en productos de alta gama, como radares militares de alta potencia y las bandas superiores de microondas (donde los formatos planos generan demasiadas pérdidas). La guía de ondas se vuelve más voluminosa con una frecuencia más baja, lo que va en contra de su uso en las bandas más bajas. [10]
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 debe en gran parte 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 pueden realizarse total o parcialmente como circuitos de elementos distribuidos. La frecuencia con 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 las señales viajan a través de medios mecánicos es mucho menor que la velocidad de las señales eléctricas. [11]
Hay varias estructuras que se utilizan repetidamente en circuitos de elementos distribuidos. Algunos de los más comunes se describen a continuación.
Un trozo es un tramo corto de línea que se bifurca al costado de una línea principal. El extremo del trozo a menudo se deja abierto o en cortocircuito, pero también se puede terminar con un componente agrupado. Se puede usar un trozo por sí solo (por ejemplo, para igualar impedancia ), o se pueden usar varios de ellos juntos en un circuito más complejo, como un filtro. Un trozo 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 variantes que se utiliza ampliamente es el trozo radial, que tiene forma de sector de círculo . A menudo se utilizan en pares, uno a cada lado de la línea de transmisión principal. Estos pares se denominan talones de mariposa o pajarita. [13]
Las líneas acopladas son dos líneas de transmisión entre las cuales existe algún acoplamiento electromagnético . El acoplamiento puede ser directo o indirecto. En el acoplamiento indirecto, las dos líneas corren muy juntas a lo largo de una distancia sin ningún apantallamiento entre ellas. La fuerza del acoplamiento depende de la distancia entre las líneas y la sección transversal que se presenta 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]
Las líneas en cascada son longitudes de línea de transmisión donde la salida de una línea se conecta a la entrada de la siguiente. Se pueden utilizar 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 única 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 esta función, 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. Para ello, los transformadores de cuarto de onda se alternan con un resonador de elementos distribuidos. 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]
Un resonador de cavidad es un espacio vacío (o, a veces, lleno de dieléctrico) rodeado de 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, generando ondas estacionarias . Los resonadores de cavidad se pueden utilizar en muchos medios, pero lo más natural es que se formen en guías de ondas a partir de las paredes metálicas ya existentes de la guía. [18]
Un resonador dieléctrico es una pieza de material dieléctrico expuesto a ondas electromagnéticas. Suele tener 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 completamente contenido dentro de las paredes de la cavidad. Un resonador dieléctrico tiene algún campo en el espacio circundante. Esto puede provocar un acoplamiento indeseable con otros componentes. La principal ventaja de los resonadores dieléctricos es que son considerablemente más pequeños que la cavidad equivalente llena de aire. [19]
Un resonador helicoidal es una hélice de alambre en una cavidad; un extremo está desconectado 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 VHF y UHF inferiores. [20]
El uso de curvas tipo fractal como componente de circuito es un campo emergente en circuitos de elementos distribuidos. [22] Los fractales se han utilizado para fabricar resonadores para filtros y antenas. Uno de los beneficios de utilizar 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 del fractal las tolerancias de fabricación se vuelven más estrictas y eventualmente son mayores de lo que el método de construcción puede lograr. Sin embargo, después de un pequeño número de iteraciones, el rendimiento se acerca al de un verdadero fractal. Estos pueden denominarse prefractales o fractales de orden finito donde es necesario distinguirlos de un fractal verdadero. [25]
Los fractales que se han utilizado como componente del circuito incluyen el copo de nieve de Koch , la isla Minkowski , la curva de Sierpiński , la curva de Hilbert y la curva de Peano . [26] Las tres primeras son curvas cerradas, adecuadas para antenas de parche. Las dos últimas son curvas abiertas con terminaciones en lados opuestos del fractal. Esto los hace adecuados para su uso cuando se requiere una conexión en cascada . [27]
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 diferentes impedancias características. El uso de conos 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] Las puntas pueden proporcionar transiciones entre líneas en diferentes medios, especialmente 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 específica en la longitud más corta se conoce como cono de Klopfenstein y se basa en el diseño del filtro de Chebychev . [31]
Se pueden utilizar conos para hacer coincidir una línea de transmisión con una antena. En algunos diseños, como la antena de bocina y la antena Vivaldi , el cono es en sí mismo la antena. Las antenas de bocina, al igual que otras antenas cónicas, suelen ser lineales, pero la mejor coincidencia se obtiene con una curva exponencial. La antena Vivaldi es una versión plana (ranura) del cono exponencial. [32]
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 delgada o gruesa . [33] En la guía de ondas, se puede insertar una tarjeta de material absorbente de microondas en la guía de ondas. [34]
Los filtros constituyen un gran porcentaje de circuitos construidos con elementos distribuidos. Para su construcción se utiliza una amplia gama de estructuras, incluidos trozos, líneas acopladas y líneas en cascada. Las variaciones incluyen filtros interdigitales, filtros combinados 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 y de banda estrecha, un solo resonador puede ser suficiente (como un filtro corto o espurlado ). [38]
La adaptación de impedancia para aplicaciones de banda estrecha se logra frecuentemente con un único trozo 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 las impedancias de fuente y carga del filtro difieren. [39]
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 . Ninguna parte de la energía que ingresa al puerto de entrada está acoplada al cuarto puerto, generalmente conocido como puerto aislado . Para la energía que fluye en dirección inversa y entra al puerto de salida, se produce una situación recíproca; algo de energía está acoplada al puerto aislado, pero nada está acoplado 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 coincidente (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 utiliza generalmente cuando el factor de acoplamiento (la proporción de potencia que llega al puerto acoplado) es bajo y divisor de potencia cuando el factor de acoplamiento es alto. Un combinador de potencia es simplemente un divisor de potencia que se utiliza 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 líneas secundarias acoplados directamente son más adecuados para divisores de potencia de alto acoplamiento. [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 válido sólo en una frecuencia. Por lo tanto, los diseños simples tienen un ancho de banda limitado sobre el cual funcionarán exitosamente. 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]
Un acoplador direccional que divide la potencia en partes iguales entre los puertos de salida y acoplados (un acoplador de 3 dB ) se denomina híbrido . [44] Aunque "híbrido" originalmente se refería a un transformador híbrido (un dispositivo agrupado utilizado en teléfonos), ahora tiene un significado más amplio. Un híbrido de elementos distribuidos ampliamente utilizado que no utiliza líneas acopladas es el anillo híbrido o 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, formando ondas estacionarias . En algunos puntos del anillo, la interferencia destructiva produce un resultado nulo; ninguna energía saldrá de un puerto establecido 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 diferencia de dos señales. En la ilustración, se envían dos señales de entrada a los puertos marcados 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 conjuntos de antenas . [47]
Un circulador suele ser un dispositivo de tres o cuatro puertos en el que la energía que entra por un puerto se transfiere al siguiente en rotación, como si formara un círculo. La energía puede fluir en una sola dirección alrededor del círculo (en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj) 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 los circuladores incluyen como aislador para proteger un transmisor (u otro equipo) de daños debidos a reflejos de la antena, y como duplexor que conecta la antena, el transmisor y el 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 utiliza para reflejar más potencia de la que recibió. El circulador se utiliza para dirigir los flujos de energía 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 opción conveniente para circuitos en frecuencias de microondas (donde se utilizan 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 se desprende claramente que este no será el caso,
para un circulador ideal de tres puertos, lo que demuestra 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 fundamental para que el dispositivo funcione. [51]
Los elementos distribuidos suelen ser pasivos, pero la mayoría de las aplicaciones requerirán componentes activos que desempeñen 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 pueden empaquetarse o pueden colocarse sobre el sustrato en forma de chip sin empaquetamiento individual para reducir el tamaño y eliminar los parásitos inducidos por el empaquetamiento . [52]
Los amplificadores distribuidos constan de varios dispositivos amplificadores (normalmente 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 con 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 complejo de múltiples transistores) sería demasiado grande para tratarlo como un componente agrupado; las líneas de transmisión de enlace separan los transistores individuales. [53]
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 del primer telégrafo transatlántico había sido difícil y lenta debido a la dispersión , un efecto que no se comprendía bien en ese momento. El análisis de Heaviside, ahora conocido como las 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 mediante 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. El trabajo se centró en la forma coaxial y otros cables conductores, aunque gran parte también podría adaptarse para guías de ondas. El trabajo acústico fue lo primero, y los colegas de Mason en el departamento de radio de Bell Labs le pidieron que los ayudara con los 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 eran más bajas que el punto en el que los elementos distribuidos se volvieron ventajosos. Las frecuencias más bajas tenían un alcance mayor, una consideración primordial para fines de transmisión . Estas frecuencias requieren antenas largas para un funcionamiento eficiente, lo que 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 dio como resultado equipos de radar lo suficientemente pequeños como para instalarlos en aviones. [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 filtrado del dominio coaxial al dominio de la guía de ondas. [61]
La mayoría de los trabajos de guerra no se publicaron hasta después de la guerra por razones de seguridad, lo que hizo difícil determinar quién fue el 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 los Laboratorios Bell y fue publicado [64] después de la guerra por WA Tyrrell. Tyrrell describe anillos híbridos implementados en guías de onda y los analiza en términos de la conocida camiseta mágica de 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 combinado. [68] El trabajo del grupo fue publicado [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 utilizarse con la invención de stripline por Robert M. Barrett. Aunque stripline fue otro invento en tiempos de guerra, sus detalles no se publicaron [71] hasta 1951. Microstrip , inventado en 1952, [72] se convirtió en un rival comercial de stripline; sin embargo, los formatos planos no comenzaron a utilizarse ampliamente en aplicaciones de microondas hasta que estuvieron disponibles mejores materiales dieléctricos para los sustratos en la década de 1960. [73] Otra estructura que tuvo que esperar a 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 los materiales con buena estabilidad térmica no se desarrollaron hasta la década de 1970. Los filtros de resonador dieléctrico son ahora comunes en los filtros de guías de ondas y líneas de transmisión. [75]
Entre los desarrollos teóricos importantes se incluyen la teoría de la línea proporcional de Paul I. Richards , que se publicó [76] en 1948, y las identidades de Kuroda , un conjunto de transformaciones que superaron algunas limitaciones prácticas de la teoría de Richards, publicada [77] por Kuroda en 1955. [78 ] Según Nathan Cohen, la antena logarítmica , inventada por Raymond DuHamel y Dwight Isbell en 1957, debería considerarse la primera antena fractal. Sin embargo, en ese momento se pasó por alto su naturaleza autosemejante y, por tanto, su relación con los fractales. Todavía no se suele clasificar como 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]
![{\displaystyle [S]={\begin{pmatrix}0&0&1\\1&0&0\\0&1&0\end{pmatrix}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e5b27e5499189d86ec26fd7e5d2e7402c282366a)