Low-noise block converterIl circuito rappresentato nella figura 1 è un low noise block converter ed è progettato per essere collegato a un'antenna parabolica ricevente per la televisione satellitare. Viene chiamato block converter perché converte un gran numero di canali satellitari in blocco senza alcun tentativo di estrarre in un particolare canale. Anche se la trasmissione ha percorso ( miglia) dall'orbita satellitare (considerando l'orbita geostazionaria), si manifesta un problema nel far passare il segnale attraverso gli ultimi pochi metri dalla parabola fino al punto in cui verrà utilizzato dall'utente all'interno della sua abitazione. La difficoltà è che il segnale viene portato all'interno dell'abitazione mediante un cavo e le alte frequenze del segnale satellitare subiscono una notevole attenuazione quando esso si propaga in un cavo piuttosto che nello spazio libero. Lo scopo del block converter è di convertire il segnale satellitare a una banda di frequenze molto più basse che possono essere gestite dal cavo e dal set-top box dell'utente. Le frequenze dipendono dal sistema satellitare e dalla regione geografica, ma questo particolare dispositivo converte un blocco di frequenze corrispondente alla banda da 10,7 GHz a 11,8 GHz. L'uscita che va al cavo è nella banda da 950 MHz a . I due connettori F nella parte inferiore del dispositivo servono per il collegamento ai cavi. In questo particolare modello ne sono forniti due (i block converter possono avere un numero qualsiasi di uscite, da una in su) in modo che due televisori oppure un televisore e un videoregistratore possano essere sintonizzati su due differenti canali allo stesso tempo. L'antenna a tromba ricevente sarebbe normalmente montata nel foro circolare al centro della scheda, le due sonde sporgenti in questo spazio servono, rispettivamente, per la ricezione dei segnali polarizzati orizzontalmente e verticalmente e il dispositivo può essere commutato tra queste due modalità di ricezione. Nel circuito si possono vedere molte strutture per la realizzazione di un filtro: ci sono due esempi di filtri passa-banda a linee accoppiate parallele che sono presenti per restringere il segnale in arrivo alla banda di interesse. La larghezza relativamente grande dei risuonatori (confrontare con l'esempio della microstriscia nella figura 2, o con i filtri con oscillatore locale sotto e a destra dell'oggetto oblungo metallico centrale) riflette la grande larghezza della banda che il filtro deve far passare. Ci sono anche numerosi esempi di filtri a stub che forniscono il DC offset ai transistor e ad altri dispositivi, essendo richiesto al filtro di impedire al segnale di viaggiare verso la sorgente di alimentazione. Le file di fori in alcune tracce, chiamate via fence, non sono strutture filtranti ma fanno parte del contenitore.Bahl, pp.290–293.Benoit, pp.44–51.Lundström, pp.80–82 Un filtro a elementi distribuiti è un filtro in cui capacità, induttanza e resistenza (gli elementi del circuito) non sono localizzati in condensatori, induttori e resistori discreti come invece lo sono nei filtri convenzionali. Lo scopo dei filtri a elementi distribuiti è lasciar passare un intervallo di frequenze dei segnali, ma di bloccare le altre. I filtri convenzionali vengono realizzati con induttori e condensatori e i circuiti così costruiti sono descritti dal modello a elementi concentrati, che considera ogni elemento come se fosse "interamente concentrato" in unico punto. Questo modello è concettualmente semplice, ma diventa sempre meno accurato all'aumentare della frequenza dei segnali, o equivalentemente al diminuire della lunghezza d'onda. Il modello a elementi distribuiti si applica a tutte le frequenze ed è usato nella teoria delle linee di trasmissione; molti componenti a elementi distribuiti sono costituiti da brevi tratti di linee di trasmissione. Nella trattazione secondo il modello a elementi distribuiti dei circuiti, gli elementi sono distribuiti in tutta la lunghezza dei conduttori e sono indissolubilmente mescolati insieme. La progettazione di un filtro di solito riguarda solo l'induttanza e la capacità, ma a causa di questa mescolanza di elementi, essi non possono essere trattati come condensatori e induttori "concentrati" separati. Non c'è una frequenza precisa sopra la quale devono essere usati i filtri a elementi distribuiti ma essi sono associati specialmente con la banda delle microonde (lunghezza d'onda minore di un metro).
I filtri a elementi distribuiti sono usati in molte delle stesse applicazioni in cui si utilizzano i filtri a elementi concentrati, come la selettività dei canali radio, la filtrazione del rumore e il multiplexing di molti segnali in un canale. I filtri a elementi distribuiti possono essere costruiti in modo da avere una qualsiasi forma di banda tra quelle possibile con i filtri a elementi concentrati (passa basso, passa banda, ecc.) con l'eccezione del filtro passa alto, che in generale è solo approssimativo. Tutte le classi di filtri usati nelle progettazioni a elementi concentrati (Butterworth, Chebyshev, ecc.) possono essere implementati usando un approccio a elementi distribuiti.
Ci sono molte forme di componenti utilizzati per costruire filtri ad elementi distribuiti, ma tutti hanno la comune proprietà di causare una discontinuità su una linea di trasmissione. Queste discontinuità presentano una impedenza reattiva a un fronte d'onda che viaggia lungo la linea e queste reattanze possono essere scelte, in base alla progettazione, per approssimare il comportamento di induttori, condensatori, o risuonatori concentrati, così come richiesto dal filtro.Connor, pp.13–14.
Lo sviluppo di filtri a elementi distribuiti è stato stimolato dalla necessità militare di radar e contromisure elettroniche durante la Seconda Guerra Mondiale. I filtri analogici a elementi concentrati erano stati sviluppati molto tempo prima, ma questi nuovi sistemi militari operavano alle frequenze delle microonde ed erano necessari nuovi modelli di filtri. Quando la guerra finì, la tecnologia trovò applicazioni nei ponti radio a microonde utilizzati dalle compagnie telefoniche o dal altre organizzazioni con grandi reti di comunicazione fissa, come le emittenti televisive. Al giorno d'oggi la tecnologia può essere trovata in diversi articoli di consumo prodotti in serie, come i low noise block converter (la figura 1 mostra un esempio) usati con le antenne paraboliche per la televisione satellitare.
Considerazioni generali
Il simbolo λ è usato per indicare la lunghezza d'onda del segnale che viene trasmesso sulla linea o una sezione della linea di tale lunghezza elettrica.
I filtri a elementi distribuiti sono usati principalmente a frequenze sopra la banda delle VHF (Very High Frequency) (da 30 a 300 MHz). A queste frequenze, la lunghezza fisica dei componenti passivi è una frazione significativa della lunghezza d'onda corrispondente alla frequenza operativa, per cui diventa difficile usare il modello a elementi concentrati convenzionale. Il punto esatto al quale il modello a elementi distribuiti diviene necessario dipende dalla particolare progettazione in esame. Una regola pratica comune è applicare il modello a elementi distribuiti quando le dimensioni dei componenti sono maggiori di 0,1λ. La crescente miniaturizzazione dell'elettronica ha fatto sì che le progettazioni dei circuiti diventino sempre più piccole rispetto a λ. Come conseguenza di questi progressi, le frequenze oltre le quali diventa necessario un approccio a elementi distribuiti per la progettazione di un filtro stanno diventando sempre più elevate. D'altra parte, generalmente le dimensioni della struttura di un'antenna sono paragonabili a λ in tutte le bande di frequenza e richiedono il modello a elementi distribuiti.Golio, pp.1.2–1.3,4.4–4.5.
La differenza nel comportamento più evidente tra un filtro a elementi distribuiti e la sua approssimazione a elementi concentrati è che il primo avrà intervalli multipli di frequenze corrispondenti a ripetizioni della banda passante rispetto alla banda passante che si ha con il prototipo a elementi concentrati, perché le caratteristiche di trasferimento della linea di trasmissione si ripetono a intervalli armonici. Nella maggior parte dei casi queste bande passanti spurie sono indesiderate.Matthaei et al., pp.17–18.
Per chiarezza di presentazione, i diagrammi in questo articolo sono disegnati con i componenti implementati nel formato a stripline. Ciò non implica una preferenza del settore, sebbene i formati con linee di trasmissione planari (cioè, i formati in cui i conduttori consistono in strisce piatte) siano popolari poiché possono essere implementati usando tecniche prestabilite di produzione di circuiti stampati. Le strutture mostrate possono essere implementate anche usando tecniche basate su microstrip o su stripline immerse nel supporto (con opportuni adattamenti nelle dimensioni) e possono essere adattate a cavi coassiali, cavi bifilari e guide d'onda, sebbene alcune strutture siano più adatte per alcune implementazioni rispetto ad altre. Le implementazioni a filo aperto, ad esempio, di un certo numero di strutture sono mostrate nella seconda colonna della figura 3 e si possono trovare gli equivalenti a filo aperto per la maggior parte delle altre strutture con stripline. Nelle progettazioni di circuiti integrati vengono usate anche le linee di trasmissione planari.Rogers et al., p.129.
Storia Lo sviluppo di filtri a elementi distribuiti è iniziato negli anni prima della Seconda Guerra Mondiale. Warren P. Mason è stato il padre degli studi nel campo dei circuiti a elementi distribuiti.Thurston, p. 570 Un importante articolo sull'argomento venne pubblicato da Mason e Sykes nel 1937.Mason and Sykes, 1937. Mason aveva depositato un brevettoMason, Warren P., "Wave filter", U.S. Patent 1,781,469, filed: 25 June 1927, issued: 11 November 1930.. molto prima, nel 1927 e tale brevetto conteneva il primo progetto elettrico pubblicato che si allontanava dall'analisi a elementi concentrati.Fagen and Millman, p.108. Il lavoro di Mason e Sykes era focalizzato sui formati con cavi coassiali e coppie bilanciate di fili – le tecnologie planari non erano ancora in uso. Si è avuto un grande sviluppo durante gli anni della guerra, spinto dalle esigenze di filtraggio per i radar e per le contromisure elettroniche. Molto di questo si ebbe presso il MIT Radiation Laboratory,Ragan, 1965. ma furono coinvolti anche altri laboratori negli Stati Uniti e nel Regno Unito.Makimoto and Yamashita, p.2.Levy and Cohn, p.1055.
Alcuni importanti progressi nella teoria delle reti elettriche erano necessari prima che i filtri potessero essere migliorati oltre le progettazioni in tempo di guerra. Uno di questi fu la teoria delle linee commisurate di Paul Richards.Richards, 1948. Le linee commisurate sono reti nelle quali tutti gli elementi sono della stessa lunghezza (o in alcuni casi di lunghezza multipla rispetto alla lunghezza base), sebbene possano differire in altre dimensioni per dare differenti impedenze caratteristiche. La trasformazione di Richards consente di prendere una progettazione a elementi concentrati "così com'è" e di trasformarla direttamente in una progettazione a elementi distribuiti utilizzando un'equazione di trasformazione molto semplice.Levy and Cohn, p.1056.