集总参数和分布参数设计是射频电路设计的常用方式,本文讲简要介绍下两者的特点和区别。
特点概括
集总电路理论: 电路尺寸远远小于波长
分布电路理论:电路尺寸与波长可比
集总参数电路
集总参数电路(Lumped parameter):在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的电路模型称为集总电路。涉及的元件也称为集总参数元件,比如电阻、电感、电容及导线。
低频电路对应的就是集总参数电路,对于这类电路,导线上每个位置的电压和电流都是相同的。
这类电路所涉及电路元件的电磁过程都集中在元件内部进行。用集总电路近似实际电路是有条件的,这个条件是实际电路的尺寸要远小于电路工作时的电磁波长。对于集总参数电路,由基尔霍夫定律唯一地确定了结构约束(又称拓扑约束,即元件间的联接关系决定电压和电流必须遵循的一类关系)。
分布参数电路
分布参数电路(Distributed parameter)在集总参数电路中,实际电路参数具有分布性,必须考虑参数分布性的电路,称为分布参数电路. 又称为高速电路,是指传输线的长度与工作波长可相比拟,需用分参数电路来描述的电路.典型的分布参数电路是传输线(transmission line) .
随着频率的提高,信号的传输不再是电压和电流了,而是依靠电磁场传播,电磁场被锁定在导线和参考地之间。由于这种高频效应,如果等效为电路的话,导线上各个位置处的电压不同(周期重复点除外),各个位置的电流也不同,这是与集总参数电路的区别,这种情况下称为分布参数电路,导线称为传输线。分布参数电路也会用到集总元件,比如高频电感、电容等,只是选型时要注意自谐振频率。
同时,分布参数电路还有一个非常重要的概念——特征阻抗,就是传输线上某个位置处的等效电压与电流之比。理论上,特征阻抗是一个常数,只要源端和负载端阻抗匹配,就不会有反射。特征阻抗并不是损耗电阻,而是传输线的一个属性,可以表征信号在传输线上的反射情况。
分布电路分析法
为帮助理解,可以把分布电路分析法理解为集总电路分析法的微分。
例如,要分析一条导线,我们就把它分割成一个极小的线元,当切成无限小的线元时,波长远远大于线元尺寸,此时可以用基尔霍夫电压电流定律来分析,就实现了用已知的东西推出未知的东西。
集总电路理论,比如欧姆定律,基尔霍夫电压电流定律,它们应用的前提是电路尺寸远远小于波长,当电路尺寸和波长可比的时候,我们应该考虑更完备的理论——分布电路分析法。
可以说,集总电路理论是分布电路理论的一个特例,是为了简便计算做的一个近似。但即使是分布电路分析法,有时候为了简便计算,里面的模型同样要进行近似,简化。
设计及应用:
射频微波电路基本都是分布参数电路,但是在L、S、C等波段,有源电路的阻抗匹配依然可以使用高频电感电容等集总元件实现。在部分VHF频段,可能使用集总参数和分布参数电路原则设计均可,但是如何更好的去设计电路,就会取决于工程师的经验和客户实际需求。
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