miniaturadeimagen|Un conversor de reducción de ruido en bloque con elementos distribuidos. El circuito a la derecha está compuesto por elementos concentrados. El circuito de elementos distribuidos se encuentra en el centro y a la izquierda del centro, y está construido en microstrip. Los circuitos de elementos distribuidos son circuitos eléctricos que están compuestos por longitudes 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 consisten en componentes individuales fabricados por separado y conectados mediante un medio conductor. En cambio, los circuitos de elementos distribuidos se construyen formando el propio medio en patrones específicos. Una ventaja significativa de estos circuitos es que pueden fabricarse de manera económica como placas de circuito impreso para productos de consumo, como televisores satelitales. También se producen en formatos coaxiales y de guía de ondas para aplicaciones como radares, comunicaciones por satélite y enlaces de microondas.
Un fenómeno común en estos circuitos es que una longitud de línea de transmisión puede comportarse como un resonador. Los componentes de elementos distribuidos que logran esto incluyen stubs, líneas acopladas y líneas en cascada. Los circuitos construidos con estos componentes incluyen filtros, divisores de potencia, acopladores direccionales y circuladores.
Los circuitos de elementos distribuidos fueron estudiados durante las décadas de 1920 y 1930, pero su importancia creció durante la Segunda Guerra Mundial debido a su uso en radares. Después de la guerra, su uso se limitó a aplicaciones militares, espaciales e infraestructuras de radiodifusión. Sin embargo, las mejoras en la ciencia de materiales llevaron a una expansión hacia aplicaciones comerciales, y hoy en día se encuentran en productos domésticos como antenas parabólicas y teléfonos móviles.
Modelado de circuitos miniaturadeimagen|Un filtro paso bajo como componentes discretos convencionales conectados en una placa de circuito impreso (izquierda) y como un diseño de elementos distribuidos impreso directamente en la placa (derecha). Los circuitos de elementos distribuidos se diseñan utilizando el modelo de elementos distribuidos, una alternativa al modelo de elementos concentrados. En este último, los elementos eléctricos pasivos (resistencia, capacidad e inductancia) se consideran "concentrados" en un punto en el espacio dentro de un componente como un resistor, un condensador o un inductor. El modelo de elementos distribuidos se utiliza cuando esta suposición ya no es válida, y estas propiedades se consideran distribuidas en el espacio. La suposición falla cuando existe un tiempo significativo para que las ondas electromagnéticas viajen de un terminal de un componente al otro; "significativo", en este contexto, implica suficiente tiempo para un cambio de fase perceptible. La cantidad de cambio de fase depende de la frecuencia de la onda (e inversamente de su longitud de onda). Una regla general común entre los ingenieros es cambiar del modelo de elementos concentrados al modelo de elementos distribuidos cuando las distancias involucradas son mayores a una décima parte de la longitud de onda (un cambio de fase de 36°). El modelo de elementos concentrados falla completamente a un cuarto de longitud de onda (un cambio de fase de 90°), no solo en el valor, sino en la naturaleza del componente, que ya no corresponde a lo predicho. Debido a esta dependencia de la longitud de onda, el modelo de elementos distribuidos se usa principalmente en frecuencias altas; a frecuencias bajas, los componentes de elementos distribuidos son demasiado voluminosos. Los diseños distribuidos son viables por encima de los 300 MHz y son la opción preferida en frecuencias de microondas superiores a 1 GHz.
No existe una demarcación clara en la frecuencia a la que se deben usar estos modelos. Aunque el cambio generalmente ocurre en un rango entre 100 y 500 MHz, la escala tecnológica también es significativa; los circuitos miniaturizados pueden usar el modelo de elementos concentrados a frecuencias más altas. Las placas de circuito impreso (PCBs) que emplean tecnología de agujeros pasantes son más grandes que los diseños equivalentes que utilizan tecnología de montaje superficial. Los circuitos integrados híbridos son más pequeños que las tecnologías PCB, y los circuitos integrados monolíticos son más pequeños que ambos. Los circuitos integrados pueden utilizar diseños de elementos concentrados a frecuencias más altas que los circuitos impresos, y esto se realiza en algunos circuitos integrados de radiofrecuencia. Esta elección es particularmente significativa para dispositivos portátiles, ya que los diseños de elementos concentrados generalmente resultan en un producto más pequeño.
Construcción con líneas de transmisión miniaturadeimagen|Respuesta en frecuencia de un filtro de Chebyshev de quinto orden construido con elementos concentrados (arriba) y distribuidos (abajo). La gran mayoría de los circuitos de elementos distribuidos están compuestos por longitudes de líneas de transmisión, una forma particularmente sencilla de modelar. Las dimensiones transversales de la línea son uniformes 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 línea. Un elemento de este tipo en un circuito distribuido se caracteriza completamente por su longitud e impedancia característica. Se produce una simplificación adicional en los circuitos de líneas conmensuradas, donde todos los elementos tienen la misma longitud. Con los circuitos conmensurados, un diseño prototipo de circuito concentrado compuesto por condensadores e inductores puede convertirse directamente en un circuito distribuido con una correspondencia uno a uno entre los elementos de cada circuito.
Los circuitos de líneas conmensuradas son importantes porque existe una teoría de diseño para producirlos; no existe una teoría general para los 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 intuición.
Una diferencia importante entre los circuitos de elementos distribuidos y los de elementos concentrados es que la respuesta en frecuencia de un circuito distribuido se repite periódicamente, como se muestra en el ejemplo del filtro de Chebyshev; el circuito concentrado equivalente no lo hace. Esto se debe a que la función de transferencia de los formatos concentrados es una función racional de la frecuencia compleja; los formatos distribuidos son una función irracional. Otra diferencia es que las longitudes de líneas conectadas en cascada introducen un retraso fijo en todas las frecuencias (asumiendo una línea ideal). No existe un equivalente en circuitos concentrados para un retraso fijo, aunque se podría construir una aproximación para un rango de frecuencias limitado.
Ventajas y desventajas Los circuitos de elementos distribuidos son económicos y fáciles de fabricar en ciertos formatos, pero ocupan más espacio que los circuitos de elementos concentrados. Esto resulta problemático en dispositivos móviles (especialmente los portátiles), donde el espacio es un recurso limitado. Si las frecuencias de operación no son demasiado altas, el diseñador puede optar por miniaturizar los componentes en lugar de cambiar a un diseño de elementos distribuidos. Sin embargo, los elementos parásitos y las pérdidas resistivas en los componentes concentrados aumentan con la frecuencia como una proporción del valor nominal de la impedancia del elemento concentrado. En algunos casos, los diseñadores pueden optar por un diseño de elementos distribuidos (incluso si hay componentes concentrados disponibles para esa frecuencia) para aprovechar una mejor calidad. Los diseños de elementos distribuidos tienden a tener una mayor capacidad de manejo de potencia; en un componente concentrado, toda la energía que pasa por el circuito se concentra en un pequeño volumen.
Medio
Conductores en pares Existen varios tipos de líneas de transmisión, y cualquiera de ellas puede usarse para construir circuitos de elementos distribuidos. La más antigua (y aún la más utilizada) es un par de conductores, cuya forma más común es el par trenzado, empleado en líneas telefónicas y conexiones a Internet. No se utiliza con frecuencia en circuitos de elementos distribuidos porque las frecuencias empleadas son más bajas que el punto donde los diseños de elementos distribuidos se vuelven ventajosos. Sin embargo, los diseñadores suelen comenzar con un diseño de elementos concentrados y lo convierten en un diseño de elementos distribuidos de alambre abierto. El alambre abierto consiste en un par de conductores paralelos sin aislamiento, como los utilizados en las líneas telefónicas sobre postes telegráficos. Por lo general, el diseñador 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 algunos usos especializados, como las líneas de Lecher y el cable bifilar utilizado para líneas de alimentación de antenas.
Coaxial miniaturadeimagen|Una colección de acopladores direccionales coaxiales. Uno de ellos tiene la cubierta retirada, mostrando su estructura interna. El cable coaxial, compuesto por un conductor central rodeado por un conductor de blindaje aislado, se utiliza ampliamente para interconectar unidades de equipos de microondas y para transmisiones de mayor distancia. Aunque los dispositivos de elementos distribuidos en formato coaxial fueron comunes durante la segunda mitad del , han sido reemplazados en muchas aplicaciones por formas planarias debido a consideraciones de costo y tamaño. Los cables coaxiales con dieléctrico de aire se emplean en aplicaciones de baja pérdida y alta potencia. Aún es común que los circuitos de elementos distribuidos en otros medios hagan la transición a conectores coaxiales en los puertos del circuito para propósitos de interconexión.
Planar
La mayoría de los circuitos modernos de elementos distribuidos utilizan líneas de transmisión planarias, especialmente aquellos en productos de consumo fabricados en masa. Existen varias formas de líneas planarias, pero el tipo conocido como microstrip es el más común. Puede fabricarse mediante el mismo proceso que las placas de circuito impreso, por lo que es barato de producir. Además, se presta a la integración con circuitos concentrados en la misma placa. Otras formas de líneas planarias impresas incluyen la stripline, la finline y muchas variaciones. Las líneas planarias también se pueden utilizar en circuitos integrados monolíticos de microondas, donde son parte integral del chip del dispositivo.
Guía de onda
miniaturadeimagen|Filtro de guía de onda.