miniaturadaimagem|255px|alt=Um conversor de bloco de baixo ruído com a tampa e a corneta removidas, expondo a circuitaria complexa interna, com exceção do oscilador local, que permanece coberto. As sondas de polarização horizontal e vertical podem ser vistas projetando-se para dentro do espaço circular onde a corneta normalmente é fixada. Dois conectores de saída podem ser vistos na parte inferior do dispositivo.|Figura 1. Um circuito que apresenta muitas das estruturas de filtro descritas neste artigo. A frequência de operação dos filtros é de aproximadamente 11 gigahertz (GHz). Mais detalhes abaixo. Conversor de bloco de baixo ruído O circuito representado na figura 1 é um conversor de bloco de baixo ruído para uma antena receptora de televisão por satélite. Ele converte um grande bloco de canais de satélite para uma banda de frequências muito mais baixa, permitindo transmissão eficiente em um cabo coaxial. Este dispositivo específico converte frequências na banda de 10,7 GHz a 11,8 GHz, dentro da banda X, para a faixa de 1 GHz a 2 GHz, dentro da banda L. Muitas estruturas de filtro podem ser vistas no circuito: há dois filtros passa-faixa de linhas acopladas em paralelo que restringem o sinal de entrada à banda de interesse. A largura relativamente grande dos ressonadores, em comparação com o exemplo em microfita na figura 2 ou com os filtros do oscilador local abaixo e à direita do oblongo metálico central, reflete a ampla largura de banda que o filtro precisa deixar passar. Há também numerosos exemplos de filtros de stub que fornecem polarização CC a transistores e outros dispositivos, sendo o filtro necessário para impedir que o sinal viaje em direção à fonte de alimentação. As fileiras de furos em algumas trilhas, chamadas cercas de vias, não são estruturas de filtragem, mas fazem parte do invólucro.Bahl, pp. 290–293.Benoit, pp. 44–51.Lundström, pp. 80–82. miniaturadaimagem|direita|A placa de circuito impresso dentro de um analisador de espectro Agilent N9344C de 20 GHz, mostrando vários elementos de tecnologia de filtros de elementos distribuídos em microfita.
Um filtro de elementos distribuídos é um filtro eletrônico no qual capacitância, indutância e resistência — os elementos do circuito — não estão localizadas em capacitores, indutores e resistores discretos, como ocorre nos filtros convencionais. Sua finalidade é permitir a passagem de uma faixa de frequências de sinal, bloqueando outras. Filtros convencionais são construídos com indutores e capacitores, e os circuitos assim formados são descritos pelo modelo de elementos concentrados, que considera cada elemento como "concentrado" em um único ponto. Esse modelo é conceitualmente simples, mas torna-se cada vez menos confiável à medida que a frequência do sinal aumenta, ou, de modo equivalente, à medida que o comprimento de onda diminui. O modelo de elementos distribuídos se aplica em todas as frequências e é usado na teoria de linhas de transmissão; muitos componentes de elementos distribuídos são feitos de pequenos comprimentos de linha de transmissão. Na visão distribuída dos circuitos, os elementos estão distribuídos ao longo do comprimento dos condutores e misturados de modo inseparável. O projeto do filtro geralmente se preocupa apenas com indutância e capacitância, mas, por causa dessa mistura de elementos, eles não podem ser tratados como capacitores e indutores "concentrados" separados. Não há uma frequência exata acima da qual filtros de elementos distribuídos devam ser usados, mas eles são especialmente associados à faixa de micro-ondas (comprimento de onda inferior a um metro).
Filtros de elementos distribuídos são usados em muitas das mesmas aplicações que filtros de elementos concentrados, como seletividade de canal de rádio, limitação de banda de ruído e multiplexação de muitos sinais em um canal. Filtros de elementos distribuídos podem ser construídos para apresentar qualquer uma das formas de banda possíveis com elementos concentrados, como passa-baixa e passa-faixa, com exceção da forma passa-alta, que geralmente é apenas aproximada. Todas as classes de filtros usadas em projetos de elementos concentrados, como Butterworth e Chebyshev, podem ser implementadas por uma abordagem de elementos distribuídos.
Há muitas formas de componentes usadas para construir filtros de elementos distribuídos, mas todas têm a propriedade comum de causar uma descontinuidade na linha de transmissão. Essas descontinuidades apresentam uma impedância reativa a uma frente de onda que se desloca pela linha, e essas reatâncias podem ser escolhidas no projeto para servir como aproximações de indutores, capacitores ou ressonadores concentrados, conforme exigido pelo filtro.Connor, pp. 13–14.
O desenvolvimento de filtros de elementos distribuídos foi impulsionado pela necessidade militar de radar e contramedidas eletrônicas durante a Segunda Guerra Mundial. Filtros analógicos de elementos concentrados já haviam sido desenvolvidos muito antes, mas esses novos sistemas militares operavam em frequências de micro-ondas e exigiam novos projetos de filtros. Quando a guerra terminou, a tecnologia encontrou aplicações nos enlaces de micro-ondas usados por companhias telefônicas e outras organizações com grandes redes fixas de comunicação, como emissoras de televisão. Atualmente, a tecnologia pode ser encontrada em vários produtos de consumo produzidos em massa, como os conversores usados com antenas de televisão por satélite; a figura 1 mostra um exemplo.
Comentários gerais miniaturadaimagem|esquerda|alt=Fotografia|Figura 2. Um filtro de linhas acopladas em paralelo em construção de microfita.
O símbolo λ é usado para indicar o comprimento de onda do sinal transmitido na linha, ou em uma seção de linha, com determinado comprimento elétrico.
Filtros de elementos distribuídos são usados principalmente em frequências acima da faixa VHF (Very High Frequency, 30 a 300 MHz). Nessas frequências, o comprimento físico dos componentes passivos representa uma fração significativa do comprimento de onda da frequência de operação, tornando difícil usar o modelo convencional de elementos concentrados. O ponto exato em que a modelagem por elementos distribuídos se torna necessária depende do projeto específico considerado. Uma regra prática comum é aplicar a modelagem por elementos distribuídos quando as dimensões dos componentes são maiores que 0,1λ. A crescente miniaturização da eletrônica fez com que os projetos de circuitos se tornassem cada vez menores em comparação com λ. Como resultado, as frequências acima das quais uma abordagem de elementos distribuídos se torna necessária no projeto de filtros vêm se tornando cada vez mais altas. Por outro lado, as dimensões estruturais de uma antena geralmente são comparáveis a λ em todas as faixas de frequência e requerem o modelo de elementos distribuídos.Golio, pp. 1.2–1.3, 4.4–4.5.
A diferença mais perceptível de comportamento entre um filtro de elementos distribuídos e sua aproximação por elementos concentrados é que o primeiro terá múltiplas réplicas da banda passante do protótipo de elementos concentrados, pois as características de transferência de linhas de transmissão se repetem em intervalos harmônicos. Essas bandas passantes espúrias são indesejáveis na maioria dos casos.Matthaei et al., pp. 17–18.
Para maior clareza de apresentação, os diagramas deste artigo são desenhados com os componentes implementados em formato stripline. Isso não implica preferência industrial, embora formatos de linha de transmissão planar, isto é, formatos em que os condutores consistem em tiras planas, sejam populares porque podem ser implementados por técnicas estabelecidas de fabricação de placas de circuito impresso. As estruturas mostradas também podem ser implementadas usando microfita ou técnicas de stripline enterrada, com ajustes adequados de dimensões, e podem ser adaptadas a cabos coaxiais, pares paralelos e guias de onda, embora algumas estruturas sejam mais adequadas a determinadas implementações do que a outras. As implementações em fio aberto, por exemplo, de várias estruturas são mostradas na segunda coluna da figura 3, e equivalentes em fio aberto podem ser encontrados para a maioria das outras estruturas em stripline. Linhas de transmissão planares também são usadas em projetos de circuitos integrados.Rogers et al., p. 129.
História O desenvolvimento de filtros de elementos distribuídos começou nos anos anteriores à Segunda Guerra Mundial. Warren P. Mason fundou o campo dos circuitos de elementos distribuídos.Thurston, p. 570. Um artigo importante sobre o tema foi publicado por Mason e Sykes em 1937.Mason e Sykes, 1937. Mason havia depositado uma patenteMason, Warren P., "Wave filter", patente dos Estados Unidos n.º 1.781.469, depositada em 25 de junho de 1927, concedida em 11 de novembro de 1930. muito antes, em 1927, e essa patente pode conter o primeiro projeto elétrico publicado que se afasta de uma análise por elementos concentrados.Fagen e Millman, p. 108. O trabalho de Mason e Sykes concentrou-se nos formatos de cabo coaxial e pares balanceados de fios; as tecnologias planares ainda não estavam em uso. Grande parte do desenvolvimento ocorreu durante os anos de guerra, impulsionada pelas necessidades de filtragem do radar e das contramedidas eletrônicas. Boa parte disso ocorreu no MIT Radiation Laboratory,Ragan, 1965. mas outros laboratórios nos Estados Unidos e no Reino Unido também participaram.Makimoto e Yamashita, p. 2.Levy e Cohn, p. 1055.
Alguns avanços importantes em teoria de redes foram necessários antes que os filtros pudessem avançar além dos projetos do período de guerra. Um deles foi a teoria das linhas comensuradas de Paul Richards.Richards, 1948. Linhas comensuradas são redes em que todos os elementos têm o mesmo comprimento, ou em alguns casos múltiplos do comprimento unitário, embora possam diferir em outras dimensões para fornecer diferentes impedâncias características. A transformação de Richards permite que um projeto de elementos concentrados seja tomado "como está" e transformado diretamente em um projeto de elementos distribuídos por meio de uma equação de transformação muito simples.Levy e Cohn, p. 1056.
A dificuldade com a transformação de Richards, do ponto de vista da construção de filtros práticos, era que o projeto de elementos distribuídos resultante invariavelmente incluía elementos conectados em série. Isso não podia ser implementado em tecnologias planares e muitas vezes era inconveniente em outras tecnologias. Esse problema foi resolvido por K. Kuroda, que usou transformadores de impedância para eliminar os elementos em série. Ele publicou em 1955 um conjunto de transformações conhecido como identidades de Kuroda, mas seu trabalho foi escrito em japonês, e vários anos se passaram antes que suas ideias fossem incorporadas à literatura em língua inglesa.Levy e Cohn, p. 1057.