Circuito de elementos distribuidos

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 mediante un medio conductor. Los circuitos de elementos distribuidos se construyen formando el propio medio en patrones específicos. Una de las principales ventajas de los circuitos de elementos distribuidos es que se pueden producir de forma económica como una placa de circuito impreso para productos de consumo, como la televisión por satélite . También se fabrican en formatos coaxiales y de guía de ondas para aplicaciones como el radar , la comunicación por satélite y los enlaces de microondas .

Un fenómeno que se utiliza con frecuencia en los 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 radares . 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 dieron lugar a aplicaciones más amplias. Ahora 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 concentrados en el que se supone que los elementos eléctricos pasivos de resistencia eléctrica , capacitancia e inductancia están "concentrados" en un punto del espacio en un resistor , capacitor o inductor , respectivamente. El modelo de elementos distribuidos se utiliza cuando esta suposición ya no se cumple y se considera que estas propiedades están distribuidas en el espacio. La suposición se rompe cuando hay un tiempo significativo para que las ondas electromagnéticas viajen 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 dependiente 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 a un cuarto de longitud de onda (un cambio de fase de 90°), y no solo 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 a frecuencias más altas; a frecuencias bajas, los componentes de elementos distribuidos son demasiado voluminosos. Los diseños distribuidos son factibles por encima de los 300 MHz y son la tecnología de elección a frecuencias de microondas superiores a 1 GHz . ^[1]

No existe una demarcación clara en la frecuencia en la que se deben utilizar estos modelos. Aunque el cambio suele estar en algún 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 superficial . Los circuitos integrados híbridos son más pequeños que las tecnologías de PCB, y los circuitos integrados monolíticos son más pequeños que ambos. Los circuitos integrados pueden utilizar diseños concentrados a frecuencias más altas que los circuitos impresos, y esto se hace en algunos circuitos integrados de radiofrecuencia . Esta elección es particularmente significativa para los dispositivos portátiles, porque los diseños de elementos concentrados generalmente dan como resultado un producto más pequeño. ^[2]

La gran mayoría de los circuitos de elementos distribuidos se componen de tramos de línea de transmisión , una forma particularmente sencilla de modelar. Las dimensiones de la sección transversal de la línea son invariables a lo largo de su longitud y son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la señal; por lo tanto, solo es necesario considerar la distribución a lo largo de la longitud de la línea. Un elemento de este tipo de un circuito distribuido se caracteriza completamente por su longitud e impedancia característica . Una simplificación adicional ocurre en los circuitos de línea conmensurados , donde todos los elementos tienen la misma longitud. Con circuitos conmensurados, un prototipo de diseño de circuito concentrado 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 líneas conmensurables son importantes porque existe una teoría de diseño para producirlos; no existe una teoría general para circuitos que consisten en 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 ensayo y error o de conjeturas. ^[4]

Una diferencia importante entre los circuitos de elementos distribuidos y los circuitos de elementos concentrados es que la respuesta de frecuencia de un circuito distribuido se repite periódicamente como se muestra en el ejemplo del filtro Chebyshev ; el circuito concentrado equivalente no lo hace. Esto es resultado de que la función de transferencia de las formas concentradas es una función racional de la frecuencia compleja ; las formas distribuidas son una función irracional. Otra diferencia es que las longitudes de línea conectadas en cascada introducen un retardo fijo en todas las frecuencias (suponiendo una línea ideal ). No existe un equivalente en los circuitos concentrados 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 concentrados. Esto es problemático en los dispositivos móviles (especialmente los portátiles), donde el espacio es un bien escaso. Si las frecuencias de funcionamiento 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 con el aumento de la frecuencia como proporción del valor nominal de la impedancia de los elementos concentrados. En algunos casos, los diseñadores pueden elegir un diseño de elementos distribuidos (incluso si hay componentes concentrados disponibles en 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 volumen pequeño. ^[6]

Existen varios tipos de líneas de transmisión y cualquiera de ellos puede utilizarse para construir circuitos de elementos distribuidos. El más antiguo (y aún el 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 a menudo para circuitos de elementos distribuidos porque las frecuencias utilizadas son inferiores al punto en el que los diseños de elementos distribuidos se vuelven ventajosos. Sin embargo, los diseñadores suelen empezar con un diseño de elementos concentrados y lo convierten en un diseño de elementos distribuidos de cable abierto. El cable abierto es un par de conductores paralelos sin aislamiento utilizados, por ejemplo, para líneas telefónicas en postes de telégrafo . El diseñador normalmente no tiene la intención de implementar el circuito en 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 las líneas de doble conductor utilizadas para las líneas de alimentación de antena . ^[7]

La línea coaxial , un conductor central rodeado por un conductor de protección aislado, se utiliza ampliamente para interconectar unidades de equipos de microondas y para transmisiones a larga 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 dieléctrica de aire se utiliza para aplicaciones de baja pérdida y alta potencia. Los circuitos de elementos distribuidos en otros medios todavía suelen pasar a conectores coaxiales en los puertos del circuito para fines de interconexión. ^[8]

La mayoría de los circuitos de elementos distribuidos modernos utilizan líneas de transmisión planas, especialmente las de los artículos de consumo producidos en masa. Hay varias formas de línea plana, pero la conocida como microbanda es la más común. Se puede fabricar mediante el mismo proceso que las placas de circuitos impresos y, por lo tanto, es barata de hacer. También se presta a la integración con circuitos agrupados en la misma placa. Otras formas de líneas planas impresas incluyen la línea de banda , la línea 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 ondas, ya que son posibles múltiples modos . Estos 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 relativo y volumen significa que a menudo se prefiere la microbanda. Las guías de ondas se utilizan principalmente en productos de alta gama, como radares militares de alta potencia y las bandas de microondas superiores (donde los formatos planares tienen demasiadas pérdidas). Las guías de ondas se vuelven más voluminosas con frecuencias más bajas, lo que milita contra su uso en las bandas inferiores. ^[10]

En algunas aplicaciones especializadas, como los filtros mecánicos en transmisores de radio de alta gama (marina, militar, radioaficionados), los circuitos electrónicos se pueden implementar como componentes mecánicos; esto se hace en gran parte debido a la alta calidad de los resonadores mecánicos. Se utilizan en la banda de frecuencia de radio (por debajo de las frecuencias de microondas), donde de lo contrario se podrían utilizar guías de ondas. Los circuitos mecánicos también se pueden implementar, en su totalidad o en parte, como circuitos de elementos distribuidos. La frecuencia a 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]

Existen varias estructuras que se utilizan repetidamente en circuitos de elementos distribuidos. A continuación se describen algunas de las más comunes.

Un stub es un tramo corto de línea que se ramifica hacia un lado de una línea principal. El extremo del stub suele dejarse abierto o en cortocircuito, pero también puede terminarse con un componente concentrado. Un stub se puede utilizar solo (por ejemplo, para la adaptación de impedancias ), o se pueden utilizar varios de ellos juntos en un circuito más complejo, como un filtro. Un stub se puede diseñar como el equivalente de un condensador, inductor o resonador concentrado. ^[12]

Las desviaciones de la construcción con líneas de transmisión uniformes en circuitos de elementos distribuidos son raras. Una de esas desviaciones que se usa ampliamente es el conector radial, que tiene la forma de un sector de un círculo . A menudo se usan en pares, uno a cada lado de la línea de transmisión principal. Estos pares se denominan conectores de mariposa o de pajarita. ^[13]

Las líneas acopladas son dos líneas de transmisión entre las cuales existe algún tipo de acoplamiento electromagnético . El acoplamiento puede ser directo o indirecto. En el acoplamiento indirecto, las dos líneas se extienden juntas a lo largo de una distancia sin apantallamiento entre ellas. La fuerza del acoplamiento depende de la distancia entre las líneas y de la sección transversal que presenta la otra línea. En el acoplamiento directo, las líneas secundarias 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 tramos de línea de transmisión donde la salida de una línea está conectada 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 denomina estructura de impedancia escalonada. ^[16] Una sola línea en cascada de un cuarto de longitud de onda forma un transformador de impedancia de cuarto de onda . Esto tiene la propiedad útil 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 elemento concentrado en topología de escalera como un circuito de elementos distribuidos. Los transformadores de cuarto de onda se alternan con un resonador de elementos distribuidos para lograr esto. Sin embargo, este es ahora un diseño anticuado; en su lugar, se utilizan inversores más compactos, como el escalón de impedancia. Un escalón 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 material dieléctrico) rodeado de paredes conductoras. Las aberturas en las paredes acoplan el resonador al resto del circuito. La resonancia se produce debido a las ondas electromagnéticas reflejadas de ida y vuelta desde las paredes de la cavidad, lo que genera ondas estacionarias . Los resonadores de cavidad se pueden utilizar en muchos medios, pero se forman de forma más natural 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 expuesta a ondas electromagnéticas. Suele tener la forma de un cilindro o un disco grueso. Aunque los resonadores de cavidad pueden llenarse 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 no está conectado y el otro está unido a la pared de la cavidad. Aunque superficialmente son similares a los inductores concentrados, los resonadores helicoidales son componentes de elementos distribuidos y se utilizan en las bandas de VHF y UHF inferior . ^[20]

El uso de curvas fractales como componente de circuitos es un campo emergente en los circuitos de elementos distribuidos. ^[22] Los fractales se han utilizado para hacer resonadores para filtros y antenas. Uno de los beneficios de utilizar fractales es su propiedad de llenar el espacio, lo que los hace más pequeños que otros diseños. ^[23] Otras ventajas incluyen la capacidad de producir diseños de banda ancha y multibanda , buen rendimiento dentro de la banda y buen rechazo fuera de banda . ^[24] En la práctica, no se puede hacer un fractal verdadero porque en cada iteración 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 es cercano al de un fractal verdadero. Estos pueden llamarse prefractales o fractales de orden finito donde es necesario distinguirlos de un fractal verdadero. ^[25]

Los fractales que se han utilizado como componente de circuito incluyen el copo de nieve de Koch , la isla de Minkowski , la curva de Sierpiński , la curva de Hilbert y la curva de Peano . ^[26] Las primeras tres son curvas cerradas, adecuadas para antenas de parche. Las dos últimas son curvas abiertas con terminaciones en lados opuestos del fractal. Esto las hace adecuadas para su uso donde 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 de adaptación. ^[29] Los conos pueden proporcionar transiciones entre líneas en diferentes medios, especialmente diferentes formas de medios planos. ^[30] Los conos cambian de forma comúnmente de forma lineal, pero se puede utilizar una variedad de otros perfiles. El perfil que logra una coincidencia específica en la longitud más corta se conoce como cono Klopfenstein y se basa en el diseño del filtro Chebychev . ^[31]

Los conos se pueden utilizar para adaptar una línea de transmisión a 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 otros conos, suelen ser lineales, pero la mejor adaptación se obtiene con una curva exponencial. La antena Vivaldi es una versión plana (ranurada) del cono exponencial. ^[32]

Los elementos resistivos no suelen ser 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 película gruesa . ^[33] En una 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, entre las que se incluyen stubs, líneas acopladas y líneas en cascada. Entre las variaciones se incluyen filtros interdigitales, filtros de línea combinada 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 concentrados, cuantos más elementos se utilicen, más se acercará el filtro a una respuesta ideal ; la estructura puede llegar a ser bastante compleja. ^[37] Para requisitos simples de banda estrecha, un solo resonador puede ser suficiente (como un filtro de ramal o de ramal ). ^[38]

La adaptación de impedancia para aplicaciones de banda estrecha se logra frecuentemente con un único stub de adaptación. Sin embargo, para aplicaciones de banda ancha, la red de adaptación de impedancia supone un diseño similar al de 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 de carga del filtro difieren. ^[39]

Un acoplador direccional es un dispositivo de cuatro puertos que acopla la energía que fluye en una dirección desde una ruta a otra. Dos de los puertos son los puertos de entrada y salida de la línea principal. Una parte de la energía que entra al puerto de entrada se acopla a un tercer puerto, conocido como puerto acoplado . Ninguna de la energía que entra al puerto de entrada se acopla al cuarto puerto, generalmente conocido como puerto aislado . Para la energía que fluye en la dirección inversa y entra al puerto de salida, se produce una situación recíproca; parte de la energía se acopla al puerto aislado, pero ninguna se acopla al puerto acoplado. ^[41]

Un divisor de potencia se construye a menudo como un acoplador direccional, con el puerto aislado terminado permanentemente en una carga acoplada (lo que lo convierte en un dispositivo de tres puertos). No hay una diferencia esencial entre los dos dispositivos. El término acoplador direccional se utiliza normalmente 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 utilizado a la inversa. En las implementaciones de elementos distribuidos que utilizan líneas acopladas, las líneas acopladas indirectamente son más adecuadas para acopladores direccionales de bajo acoplamiento; los acopladores de línea de derivación 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 solo para una frecuencia. Por lo tanto, los diseños simples tienen un ancho de banda limitado en el que funcionarán correctamente. 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 equitativamente 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 concentrado utilizado en teléfonos), ahora tiene un significado más amplio. Un híbrido de elementos distribuidos ampliamente utilizado que no utiliza líneas acopladas es el acoplador híbrido de anillo o 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, creando ondas estacionarias . En algunos puntos del anillo, la interferencia destructiva da como resultado un nulo; ninguna potencia 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 la diferencia de dos señales. En la ilustración, se introducen dos señales de entrada en 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 es un dispositivo de tres o cuatro puertos en el que la energía que entra en un puerto se transfiere al siguiente puerto en rotación, como si estuviera dando vueltas en 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 circuladores se utilizan como aisladores para proteger un transmisor (u otro equipo) de daños debidos a los reflejos de la antena, y como duplexores que conectan 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 potencia de entrada y salida a puertos separados. ^[50]

Los circuitos pasivos, tanto los distribuidos como los concentrados, son casi siempre recíprocos ; sin embargo, los circuladores son una excepción. Existen varias formas equivalentes de definir o representar la reciprocidad. Una forma conveniente para los 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 . A partir de la definición de un circulador, queda claro que este no será el caso,

${\displaystyle [S]={\begin{pmatrix}0&0&1\\1&0&0\\0&1&0\end{pmatrix}}}$

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 esencial para que el dispositivo funcione. ^[51]

Los elementos distribuidos suelen ser pasivos, pero la mayoría de las aplicaciones requerirán componentes activos en 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 estar empaquetados o pueden colocarse en el sustrato en forma de chip sin empaquetado individual para reducir el tamaño y eliminar los parásitos inducidos por el empaquetado . ^[52]

Los amplificadores distribuidos consisten en una serie de 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 en cada etapa adicional; en un amplificador distribuido, el ancho de banda general 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 telégrafo transatlántico temprano había sido difícil y lenta debido a la dispersión , un efecto que no se entendía 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 con 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 de Mason se centró en la forma coaxial y otros cables conductores, aunque gran parte de él también podría adaptarse para guías de ondas. El trabajo acústico había llegado 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 guías de ondas. ^[59]

Antes de la Segunda Guerra Mundial , había poca demanda de circuitos de elementos distribuidos; las frecuencias utilizadas para transmisiones de radio eran más bajas que el punto en el que los elementos distribuidos se volvieron ventajosos. Las frecuencias más bajas tenían un mayor alcance, una consideración primordial para fines de transmisión . Estas frecuencias requieren antenas largas para un funcionamiento eficiente, y esto llevó a trabajar en sistemas de frecuencia más alta. Un avance clave fue la introducción en 1940 del magnetrón de cavidad que operaba en la banda de microondas y dio como resultado un equipo de radar lo suficientemente pequeño para instalarlo en aeronaves. ^[60] A esto le 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 condujo al primer uso generalizado de la guía de ondas, extendiendo la tecnología de filtros del dominio coaxial al dominio de la guía de ondas. ^[61]

El trabajo realizado durante la guerra no se publicó hasta después de la guerra por razones de seguridad, lo que dificultó determinar quién era responsable de cada desarrollo. Un centro importante para esta investigación fue el Laboratorio de Radiación del MIT (Rad Lab), pero también se realizaron trabajos en otros lugares de los EE. UU. y Gran Bretaña. El trabajo del 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 Bell Labs y fue publicado ^[64] después de la guerra por WA Tyrrell. Tyrrell describe anillos híbridos implementados en guías de ondas y los analiza en términos de la conocida tee mágica de guías de ondas . Otros investigadores ^[65] pronto publicaron versiones coaxiales de este dispositivo. ^[66]

George Matthaei dirigió un grupo de investigación en el Stanford Research Institute , 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 de línea combinada ^[68] . El trabajo del grupo se publicó ^[69] en un libro de referencia de 1964 que cubría el estado del diseño de circuitos de elementos distribuidos en ese momento y que siguió siendo una obra de referencia importante durante muchos años ^{[70] .}

Los formatos planares comenzaron a utilizarse con la invención de la línea de banda por Robert M. Barrett. Aunque la línea de banda fue otra invención de la época de la guerra, sus detalles no se publicaron ^[71] hasta 1951. La microbanda , inventada en 1952, ^[72] se convirtió en un rival comercial de la línea de banda; sin embargo, los formatos planares no comenzaron a usarse 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 de temperatura no se desarrollaron hasta la década de 1970. Los filtros de resonador dieléctrico ahora son comunes en los filtros de guía de ondas y de línea de transmisión. ^[75]

Entre los desarrollos teóricos importantes se encuentran la teoría de líneas conmensurables de Paul I. Richards , publicada ^[76] en 1948, y las identidades de Kuroda , un conjunto de transformadas que superaron algunas limitaciones prácticas de la teoría de Richards, publicada ^[77] por Kuroda en 1955. ^[78] Según Nathan Cohen, la antena log-periódica , inventada por Raymond DuHamel y Dwight Isbell en 1957, debería considerarse la primera antena fractal. Sin embargo, en su momento se pasó por alto su naturaleza autosimilar y, por lo tanto, su relación con los fractales. Todavía no se suele clasificar como una 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]

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