I circuiti a elementi distribuiti sono circuiti elettrici costituiti da tratti di linee di trasmissione o altri componenti distribuiti. Questi circuiti svolgono le stesse funzioni dei circuiti convenzionali costituiti da componenti passivi, come condensatori, induttori e trasformatori. Essi vengono usati principalmente alle frequenze delle microonde, alle quali i componenti convenzionali sono difficili (o impossibili) da implementare.
I circuiti convenzionali sono costituiti da singoli componenti prodotti separatamente poi connessi insieme con un mezzo conduttore. I circuiti a elementi distribuiti sono costruiti realizzando il mezzo stesso secondo modelli specifici. Uno dei principali vantaggi dei circuiti a elementi distribuiti è che possono essere prodotti, senza costi eccessivi, sotto forma di circuiti stampati per gli articoli di consumo, come la televisione satellitare. Essi vengono realizzati anche nel formato coassiale e nel formato a guida d'onda per applicazioni quali i radar, le telecomunicazioni satellitari e i ponti a microonde.
Un fenomeno comunemente utilizzato nei circuiti a elementi distribuiti è che si può fare in modo che un tratto di linea di trasmissione si comporti come un risuonatore. I componenti a elementi distribuiti che fanno ciò includono gli stub, le linee accoppiate e le linee in cascata. I circuiti costruiti da questi componenti includono filtri, divisori di potenza, accoppiatori direzionali e circolatori.
I circuiti a elementi distribuiti furono studiati durante gli anni '20 e gli anni '30 del XX secolo ma non divennero importanti fino alla seconda guerra mondiale, quando furono utilizzati nei radar. Dopo la guerra il loro uso fu limitato alle infrastrutture militari, spaziali e broadcasting, ma i miglioramenti nel campo della scienza dei materiali hanno presto portato ad applicazioni più ampie. Ora possono essere trovati in prodotti domestici come antenne paraboliche e telefoni cellulari.
Modellazione di circuiti I circuiti a elementi distribuiti vengono progettati con il modello a elementi distribuiti, un'alternativa al modello a elementi concentrati in cui si assume che i componenti elettrici passivi di resistenza, capacità e induttanza siano "concentrati" in un punto dello spazio rispettivamente in forma di resistori, condensatori o induttori. Il modello a elementi distribuiti viene usato quando questa ipotesi non è più valida e queste proprietà vengono considerate distribuite nello spazio. L'ipotesi viene meno quando alle onde elettromagnetiche occorre un tempo significativo affinché si propaghino da un terminale di un componente all'altro terminale; in questo contesti "significativo" vuol dire un tempo sufficiente per osservare un cambiamento di fase evidente. L'entità del cambiamento di fase dipende dalla frequenza dell'onda (e inversamente dalla lunghezza d'onda). Una regola pratica comune tra gli ingegneri è quella di passare dal modello concentrato a quello distribuito quando le distanze coinvolte sono maggiori di un decimo della lunghezza d'onda (corrispondente a un cambiamento di fase di 36°). Il modello concentrato fallisce completamente a un quarto di lunghezza d'onda (corrispondente a un cambiamento di fase di 90°), con non solo il valore, ma anche la natura del componente che non è più come previsto. A causa di questa dipendenza dalla lunghezza d'onda, il modello a elementi distribuiti viene utilizzato principalmente a frequenze più elevate; alle basse frequenze, i componenti ad elementi distribuiti sono troppo ingombranti. Le progettazioni a elementi distribuiti sono fattibili al di sopra dei 300 MHz e sono la tecnologia tipicamente scelta alle frequenze delle microonde al di sopra di 1 GHz.Vendelin et al., pp. 35–37
Non esiste una netta demarcazione tra le frequenze alle quali debba essere utilizzato un modello o l'altro. Sebbene il passaggio da un modello all'altro, solitamente, avvenga, grosso modo, tra i 100 e i 500 MHz, anche la scala tecnologica è significativa; i circuiti miniaturizzati possono utilizzare il modello concentrato a una frequenza maggiore. I circuiti stampati che utilizzano la tecnologia through-hole sono più grandi dei modelli equivalenti che utilizzano la surface mount technology. I circuiti integrati ibridi sono più piccoli rispetto alle tecnologie con circuiti stampati e i circuiti integrati monolitici sono più piccoli rispetto a entrambi. I circuiti integrati possono utilizzare progettazioni a elementi concentrati a frequenze più elevate rispetto ai circuiti stampati e questo viene fatto in alcuni circuiti integrati per la radiofrequenza. Questa scelta è particolarmente significativa per i dispositivi portatili, perché le progettazioni a elementi concentrati generalmente danno come risultato un prodotto più piccolo.Nguyen, p. 28Vendelin et al., pp. 35–36
Costruzione con linee di trasmissione
La stragrande maggioranza dei circuiti ad elementi distribuiti è composta da tratti di linee di trasmissione, in una forma particolarmente semplice da modellare. Le dimensioni della sezione trasversale della linea sono invariate per tutta la sua lunghezza e sono piccole rispetto alla lunghezza d'onda del segnale; quindi, è necessario considerare solo la distribuzione per tutta la lunghezza della linea. Un tale elemento di un circuito distribuito è completamente caratterizzato dalla sua lunghezza e dalla sua impedenza caratteristica. Un'ulteriore semplificazione si ha nei circuiti a linee commisurate, dove tutti gli elementi hanno la stessa lunghezza. Con i circuiti a linee commisurate, un prototipo di progettazione di circuiti a elementi concentrati costituito da condensatori e induttori può essere convertito direttamente in un circuito a elementi distribuiti con una corrispondenza biunivoca tra gli elementi di ciascun circuito.Hunter, pp. 137–138
I circuiti a linee commisurate sono importanti perché esiste una teoria progettuale per produrli; invece, non esiste una teoria generale per i circuiti costituiti da tratti di linee di trasmissione di lunghezze arbitrarie (o per qualsiasi forma arbitraria). Sebbene una forma arbitraria possa essere analizzata con le equazioni di Maxwell per determinarne il comportamento, trovare strutture utili è una questione di tentativi ed errori o congetture.Hunter, p. 137
Un'importante differenza tra i circuiti a elementi distribuiti e i circuiti a elementi concentrati è che la risposta in frequenza di un circuito a elementi distribuiti si ripete periodicamente come mostrato nell'esempio del filtro di Chebyshev; il circuito equivalente a elementi concentrati non ha questa caratteristica. Questa è dovuto al fatto che le funzioni di trasferimento delle forme concentrate sono funzioni razionali della Frequenza complessa; per le forme distribuite sono funzioni irrazionali. Un'altra differenza è che dei tratti di linea connessi in cascata introducono un ritardo fissato a tutte le frequenze (assumendo una linea ideale). Non esiste un equivalente nei circuiti a elementi concentrati per un ritardo fisso, sebbene sia possibile costruire un'approssimazione per un intervallo di frequenze limitato.Hunter, pp. 139–140
Vantaggi e svantaggi I circuiti a elementi distribuiti sono economici e facili da produrre in alcuni formati, ma occupano più spazio rispetto ai circuiti a elementi concentrati. Ciò risulta problematico nei dispositivi mobili (specialmente per quelli palmari), per i quali lo spazio è prezioso. Se le frequenze operative non sono troppo elevate, il progettista può miniaturizzare i componenti invece di passare a elementi distribuiti. Tuttavia, gli elementi parassiti e le perdite resistive nei componenti concentrati aumentano al crescere della frequenza proporzionalmente al valore nominale dell'impedenza dell'elemento concentrato. In alcuni casi, i progettisti possono scegliere un progetto a elementi distribuiti (anche se alla frequenza in questione sono disponibili componenti concentrati) per trarre vantaggio da un miglioramento della qualità. I progetti a elementi distribuiti tendono ad avere una migliore capacità di gestione della potenza; con un componente concentrato, tutta l'energia erogata da un circuito è concentrata in un piccolo volume.Doumanis et al., pp. 45–46Nguyen, pp. 27–28
Supporti Conduttori accoppiati Esistono diversi tipi di linee di trasmissione e ognuno di essi può essere utilizzato per costruire circuiti ad elementi distribuiti. Il più antico (e ancora il più utilizzato) è una coppia di conduttori; la sua forma più comune è il doppino, utilizzato per le linee telefoniche e per le connessioni Internet. Non viene usato spesso per i circuiti a elementi distribuiti poiché le frequenze usate sono inferiori al punto al quale le progettazioni a elementi distribuiti diventano vantaggiose. Tuttavia, frequentemente, i progettisti partono da una progettazione a elementi concentrati e la convertono in una progettazione a elementi distribuiti open-wire. Per open wire si intende una coppia di conduttori paralleli non isolati utilizzata, per esempio, per le linee telefoniche su pali telefonici. Il progettista di solito non intende implementare il circuito in questa forma; si tratta di una fase intermedia nel processo di progettazione. Le progettazioni a elementi distribuiti con coppie di conduttori sono limitate a pochi utilizzi specialistici, come le linee di Lecher e i cavi bifilari usati per le linee di alimentazione delle antenne.Hura & Singhal, pp. 178–179Magnusson et al., p. 240Gupta, p. 5.5Craig, pp. 291–292Henderson & Camargo, pp. 24–25Chen et al., p. 73
Linea coassiale
La linea coassiale, costituita da un conduttore centrale circondato da un conduttore schermante isolato, viene largamente utilizzata per unità di interconnessione di apparecchiature a microonde e per trasmissioni a lunga distanza. Sebbene i dispositivi coassiali ad elementi distribuiti fossero comunemente prodotti durante la seconda metà del XX secolo, essi sono stati sostituiti in molte applicazioni dai formati planari per motivi di costi e dimensioni. La linea coassiale con dielettrico ad aria viene utilizzata per applicazioni a basse perdite e ad alta potenza. Per scopi di interconnessionie, presso le porte dei circuiti, comunemente, si passa ancora dai circuiti a elementi distribuiti con altri supporti ai connettori coassiali.Natarajan, pp. 11–12
Linea planare La maggioranza dei moderni circuiti a elementi distribuiti, specialmente quelli presenti negli articoli di consumo prodotti in serie, utilizzano linee di trasmissione planari. Ci sono diverse forme di linee planari, ma il tipo noto come microstriscia è il più comune. Le linee a microstriscia possono essere prodotte mediante lo stesso processo dei circuiti stampati e perciò sono economiche da realizzare. Si prestano anche all'integrazione con circuiti concentrati su una stessa scheda. Altre forme di linee planari stampate includono la stripline, la finline e molte varianti. Le linee planari possono inoltre essere utilizzate nei circuiti integrati per le microonde, dove sono parte integrante del chip del dispositivo.Ghione & Pirola, pp. 18–19
Guida d'onda