alt=Un conversor de reducción de ruido con la tapa y la bocina retiradas, exponiendo el complejo circuito interno, con la excepción del oscilador local, que permanece cubierto. Se pueden observar las sondas de polarización horizontal y vertical sobresaliendo en el espacio circular donde normalmente se conecta la bocina. En la parte inferior del dispositivo se pueden ver dos conectores de salida.|miniaturadeimagen|385x385px|Figura 1. Un circuito que incluye muchas de las estructuras de filtro descritas en este artículo. La frecuencia de operación de los filtros es de aproximadamente 11 gigahercios (GHz). Este circuito se describe en el cuadro a continuación.Conversor de reducción de ruido en bloqueEl circuito representado en la figura 1 es un conversor de reducción de ruido en bloque (LNB, low-noise block) diseñado para conectarse a una antena parabólica receptora de televisión satelital. Se le llama «convertidor de bloque» porque convierte un gran número de canales satelitales en bloque, sin intentar extraer un canal en particular. Aunque la transmisión ha viajado 22,000 millas desde la órbita satelital, existe un problema para llevar la señal los últimos metros desde la antena hasta el punto donde será utilizada dentro de la propiedad. La dificultad radica en que la señal se transmite al interior de la propiedad mediante un cable (downlead), y las altas frecuencias de las señales satelitales se atenúan considerablemente al pasar por un cable en lugar de hacerlo en el espacio libre. El propósito del convertidor de bloque es transformar la señal satelital a una banda de frecuencia mucho más baja que pueda ser manejada por el cable de bajada y el receptor del usuario (como un decodificador). Las frecuencias varían según el sistema satelital y la región geográfica, pero este dispositivo en particular convierte un bloque de frecuencias en la banda de 10.7 GHz a 11.8 GHz. La salida que va hacia el cable de bajada está en la banda de 950 MHz a 1950 MHz. Los dos conectores F en la parte inferior del dispositivo se utilizan para conectar los cables de bajada. Este modelo específico incluye dos conectores (los convertidores de bloque pueden tener cualquier número de salidas, comenzando por una) para permitir que dos televisores, o un televisor y una videograbadora (VCR), puedan sintonizar canales diferentes al mismo tiempo. La bocina receptora normalmente se instala en el agujero circular en el centro de la placa. Las dos sondas que sobresalen en este espacio están diseñadas para recibir señales con polarización horizontal y vertical, respectivamente, y el dispositivo puede alternar entre estas dos opciones. En el circuito se pueden observar muchas estructuras de filtros. Por ejemplo, hay dos filtros de líneas acopladas en paralelo de paso banda, que limitan la señal entrante a la banda de interés. El ancho relativamente grande de los resonadores (en comparación con el ejemplo de microcinta de la figura 2 o los filtros del oscilador local, ubicados abajo y a la derecha del oblong metálico central) refleja el ancho de banda amplio que el filtro debe permitir. También hay numerosos filtros de tipo stub que suministran polarización de corriente continua (DC bias) a transistores y otros dispositivos. Estos filtros evitan que la señal se dirija hacia la fuente de alimentación. Las filas de agujeros en algunas pistas, llamadas via fences, no son estructuras de filtrado, sino que forman parte del aislamiento del circuito.Bahl, pp.290–293.Benoit, pp.44–51.Lundström, pp.80–82 derecha|miniaturadeimagen|La placa de circuito impreso (PCB) dentro de un analizador de espectro Agilent N9344C de 20 GHz muestra diversos elementos de tecnología de filtros de microcinta basados en componentes distribuidos. Un filtro de elementos distribuidos es un filtro electrónico en el que la capacidad, la inductancia y la resistencia (los elementos del circuito) no están localizadas en condensadores, inductores y resistores discretos como en los filtros convencionales. Su propósito es permitir el paso de un rango de frecuencias de señal mientras bloquea otras. Los filtros convencionales se construyen a partir de inductores y condensadores, y los circuitos resultantes se describen mediante el modelo de parámetros concentrados, que considera que cada elemento está «concentrado» en un punto. Este modelo es conceptualmente simple, pero se vuelve cada vez menos fiable a medida que aumenta la frecuencia de la señal o, de manera equivalente, a medida que disminuye la longitud de onda.

El modelo de elementos distribuidos se aplica a todas las frecuencias y se utiliza en la teoría de líneas de transmisión; muchos componentes de elementos distribuidos están formados por segmentos cortos de líneas de transmisión. En la perspectiva distribuida de los circuitos, los elementos están distribuidos a lo largo de los conductores y se encuentran intrínsecamente mezclados. El diseño de estos filtros generalmente se ocupa solo de la inductancia y la capacitancia, pero debido a esta mezcla, no pueden tratarse como inductores y condensadores «concentrados» separados. No existe una frecuencia precisa a partir de la cual deban usarse los filtros de elementos distribuidos, pero están especialmente asociados con la banda de microondas (longitudes de onda menores a un metro).

Los filtros de elementos distribuidos se utilizan en muchas de las mismas aplicaciones que los filtros de elementos concentrados, como la selectividad de canales de radio, la limitación de ruido y la multiplexación de muchas señales en un solo canal. Estos filtros pueden diseñarse para tener cualquier configuración de banda posible con elementos concentrados (paso-bajo, paso-banda, etc.), con la excepción de paso-alto, que generalmente solo se aproxima. Todas las clases de filtros utilizadas en diseños de elementos concentrados (Butterworth, Chebyshev, etc.) pueden implementarse con un enfoque de elementos distribuidos.

Existen muchas formas de componentes utilizadas para construir filtros de elementos distribuidos, pero todas tienen la propiedad común de causar una discontinuidad en la línea de transmisión. Estas discontinuidades presentan una impedancia reactiva a un frente de onda que viaja por la línea, y estas reactancias pueden ser diseñadas para servir como aproximaciones de inductores, condensadores o resonadores concentrados, según lo requiera el filtro.

El desarrollo de los filtros de elementos distribuidos fue impulsado por la necesidad militar de radares y medidas de contramedida electrónica durante la Segunda Guerra Mundial. Los filtros analógicos de elementos concentrados ya se habían desarrollado mucho antes, pero estos nuevos sistemas militares operaban en frecuencias de microondas, lo que requería diseños de filtros novedosos. Cuando terminó la guerra, la tecnología encontró aplicaciones en los enlaces de microondas utilizados por las compañías telefónicas y otras organizaciones con grandes redes de comunicación fija, como las emisoras de televisión. Hoy en día, esta tecnología se encuentra en varios productos de consumo masivo, como los conversores (figura 1 muestra un ejemplo) utilizados con antenas parabólicas para televisión satelital.

Características generales izquierda|miniaturadeimagen|Figura 2. Un filtro de líneas acopladas en paralelo construido con microcintas. El símbolo λ se utiliza para referirse a la longitud de onda de la señal transmitida en la línea o en una sección de línea de esa longitud eléctrica.

Los filtros de elementos distribuidos se usan principalmente en frecuencias superiores a la banda VHF (frecuencia muy alta, 30 a 300 MHz). A estas frecuencias, la longitud física de los componentes pasivos representa una fracción significativa de la longitud de onda de la frecuencia de operación, lo que dificulta el uso del modelo convencional de elementos concentrados. El punto exacto en el que se hace necesario el modelado de elementos distribuidos depende del diseño particular en consideración. Una regla general es aplicar el modelado de elementos distribuidos cuando las dimensiones de los componentes son mayores al 0.1λ. La creciente miniaturización de la electrónica ha reducido el tamaño de los diseños de circuitos en comparación con λ, lo que eleva las frecuencias a partir de las cuales se requiere un enfoque de elementos distribuidos en el diseño de filtros. Por otro lado, las dimensiones de las estructuras de antenas suelen ser comparables a λ en todas las bandas de frecuencia, por lo que requieren el modelo de elementos distribuidos.

La diferencia más notable en el comportamiento entre un filtro de elementos distribuidos y su aproximación con elementos concentrados es que el primero tendrá múltiples réplicas de la pasabanda del prototipo de elementos concentrados, ya que las características de transferencia de las líneas de transmisión se repiten en intervalos armónicos. Estas pasabanda espurias son indeseables en la mayoría de los casos.

Para mayor claridad en la presentación, los diagramas en este artículo están dibujados con los componentes implementados en formato de stripline. Esto no implica una preferencia en la industria, aunque los formatos de líneas de transmisión planar (es decir, formatos donde los conductores son tiras planares) son populares porque pueden implementarse con técnicas establecidas de fabricación de placas de circuito impreso. Las estructuras mostradas también pueden implementarse con técnicas de microstrip o stripline enterrado (con los ajustes adecuados en las dimensiones) y pueden adaptarse a cables coaxiales, cables bifilares y guías de onda, aunque algunas estructuras son más adecuadas para ciertas implementaciones que otras. Por ejemplo, las implementaciones de alambre abierto de varias estructuras se muestran en la segunda columna de la figura 3, y se pueden encontrar equivalentes de alambre abierto para la mayoría de las demás estructuras de stripline. Las líneas de transmisión planares también se usan en diseños de circuitos integrados.

Historia El desarrollo de los filtros de elementos distribuidos comenzó en los años previos a la Segunda Guerra Mundial. Warren P. Mason fundó el campo de los circuitos de elementos distribuidos. Un artículo importante sobre el tema fue publicado por Mason y Sykes en 1937. Mason había presentado una patenteMason, Warren P., "Wave filter" (en inglés), , procesado el 25 de junio de 1927, registrado el 11 de noviembre de 1930. mucho antes, en 1927, y esa patente podría contener el primer diseño eléctrico publicado que se aparta del análisis de elementos concentrados. El trabajo de Mason y Sykes se centró en los formatos de cables coaxiales y pares de cables balanceados; las tecnologías planares aún no estaban en uso. Se realizaron muchos avances durante los años de la guerra, impulsados por las necesidades de filtrado del radar y las contramedidas electrónicas. Una gran parte de este trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio de Radiación del MIT, aunque otros laboratorios en los EE. UU. y el Reino Unido también participaron.

Antes de poder avanzar más allá de los diseños de tiempos de guerra, fue necesario realizar avances importantes en la teoría de redes. Uno de estos avances fue la teoría de líneas conmensuradas de Paul Richards. Las líneas conmensuradas son redes en las que todos los elementos tienen la misma longitud (o, en algunos casos, múltiplos de la longitud unitaria), aunque pueden diferir en otras dimensiones para proporcionar diferentes impedancias características. La transformación de Richards permite tomar un diseño de elementos concentrados «tal cual» y transformarlo directamente en un diseño de elementos distribuidos mediante una ecuación de transformación muy simple.