مرشح العناصر الموزعة

محول كتلة منخفض الضوضاء الدائرة الموضحة في الشكل 1 هي محول نطاق منخفض الضوضاء لطبق استقبال البث التلفزيوني عبر الأقمار الصناعية . يقوم هذا المحول بتحويل نطاق واسع من قنوات الأقمار الصناعية إلى نطاق ترددي أقل بكثير لضمان كفاءة الإرسال عبر كابل محوري. يقوم هذا الجهاز تحديدًا بتحويل الترددات في النطاق من 10.7  جيجاهرتز إلى 11.8  جيجاهرتز إلى نطاق من 1  جيجاهرتز إلى 2  جيجاهرتز . تتضمن الدائرة العديد من هياكل الترشيح: مرشحان لتمرير النطاق متوازيان، يعملان على حصر الإشارة الواردة في النطاق المطلوب. يعكس العرض الكبير نسبيًا للرنانات (مقارنةً بمثال الشريط الميكروي في الشكل 2 ، أو مرشحات المذبذب المحلي أسفل ويمين المستطيل المعدني المركزي) عرض النطاق الترددي الواسع المطلوب للمرشح. كما توجد أمثلة عديدة لمرشحات التوصيل التي توفر انحيازًا مستمرًا للترانزستورات والأجهزة الأخرى، حيث يُستخدم المرشح لمنع الإشارة من الوصول إلى مصدر الطاقة. لا تُعدّ صفوف الثقوب الموجودة في بعض المسارات، والتي تُسمى "أسوارًا فاصلة" ، هياكل ترشيح، بل تُشكّل جزءًا من السياج. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

مرشح العناصر الموزعة هو مرشح إلكتروني لا تتمركز فيه السعة والحث والمقاومة ( عناصر الدائرة) في مكثفات ومحاثات ومقاومات منفصلة كما هو الحال في المرشحات التقليدية. يهدف هذا المرشح إلى السماح بمرور نطاق من ترددات الإشارة ، مع حجب ترددات أخرى. تُصنع المرشحات التقليدية من محاثات ومكثفات، وتُوصَف الدوائر المبنية بهذه الطريقة بنموذج العناصر المجمعة ، الذي يعتبر كل عنصر "مُجمّعًا" في مكان واحد. هذا النموذج بسيط من حيث المفهوم، ولكنه يصبح أقل موثوقية مع ازدياد تردد الإشارة، أو بعبارة أخرى مع انخفاض الطول الموجي . ينطبق نموذج العناصر الموزعة على جميع الترددات، ويُستخدم في نظرية خطوط النقل ؛ حيث تُصنع العديد من مكونات العناصر الموزعة من أطوال قصيرة من خطوط النقل. في منظور التوزيع للدوائر، تتوزع العناصر على طول الموصلات وتختلط معًا بشكل لا ينفصم. عادةً ما يقتصر تصميم المرشحات على الحث والسعة فقط، ولكن نظرًا لتداخل هذه العناصر، لا يمكن التعامل معها كمكثفات ومحاثات منفصلة. لا يوجد تردد محدد يجب استخدام مرشحات العناصر الموزعة عنده، ولكنها ترتبط بشكل خاص بنطاق الموجات الميكروية (طول الموجة أقل من متر واحد).

تُستخدم مرشحات العناصر الموزعة في العديد من التطبيقات نفسها التي تُستخدم فيها مرشحات العناصر المجمعة، مثل انتقائية قناة الراديو، وتحديد نطاق الضوضاء، ودمج العديد من الإشارات في قناة واحدة. يمكن تصميم مرشحات العناصر الموزعة لتتمتع بأي من أشكال النطاق الممكنة مع العناصر المجمعة ( تمرير منخفض ، تمرير نطاقي ، إلخ) باستثناء تمرير عالي ، الذي عادةً ما يكون تقريبيًا فقط. يمكن تنفيذ جميع فئات المرشحات المستخدمة في تصميمات العناصر المجمعة ( باترورث ، تشيبيشيف ، إلخ) باستخدام نهج العناصر الموزعة.

تُستخدم أشكالٌ عديدةٌ من المكونات لبناء مرشحات العناصر الموزعة، ولكن جميعها تشترك في خاصية إحداث انقطاع في خط النقل. تُشكّل هذه الانقطاعات مقاومةً تفاعليةً لجبهة الموجة التي تنتقل عبر الخط، ويمكن اختيار هذه المفاعلات تصميمياً لتكون بمثابة تقريبات للمحاثات أو المكثفات أو الرنانات المجمعة ، حسب متطلبات المرشح. ^{[ 4 ]}

حفّزت الحاجة العسكرية إلى الرادار والتدابير الإلكترونية المضادة خلال الحرب العالمية  الثانية تطوير مرشحات العناصر الموزعة. وكانت مرشحات العناصر المجمعة التناظرية قد طُوّرت قبل ذلك بفترة طويلة، إلا أن هذه الأنظمة العسكرية الجديدة كانت تعمل بترددات الميكروويف، مما استدعى تصميمات مرشحات جديدة. وبعد انتهاء الحرب، وجدت هذه التقنية تطبيقات في وصلات الميكروويف التي تستخدمها شركات الهاتف وغيرها من المؤسسات ذات شبكات الاتصالات الثابتة الواسعة، مثل محطات البث التلفزيوني. واليوم، تُستخدم هذه التقنية في العديد من المنتجات الاستهلاكية واسعة الانتشار، مثل المحولات (يوضح الشكل 1 مثالاً) المستخدمة مع أطباق استقبال البث الفضائي .

يُستخدم الرمز λ للدلالة على الطول الموجي للإشارة التي يتم إرسالها على الخط أو جزء من الخط ذي الطول الكهربائي المحدد .

تُستخدم مرشحات العناصر الموزعة في الغالب عند ترددات أعلى من نطاق الترددات العالية جدًا ( VHF ) (من 30 إلى 300 ميجاهرتز ). عند هذه الترددات، يُشكّل الطول الفعلي للمكونات السلبية جزءًا كبيرًا من طول موجة تردد التشغيل، مما يجعل استخدام نموذج العناصر المجمعة التقليدي صعبًا . وتعتمد النقطة الدقيقة التي يصبح عندها استخدام نموذج العناصر الموزعة ضروريًا على التصميم المحدد قيد الدراسة. وتتمثل القاعدة العامة في تطبيق نموذج العناصر الموزعة عندما تكون أبعاد المكونات أكبر من 0.1λ. وقد أدى التصغير المتزايد للإلكترونيات إلى أن تصبح تصميمات الدوائر أصغر حجمًا باستمرار مقارنةً بـ λ. ونتيجةً لهذه التطورات، تتزايد الترددات التي يصبح عندها استخدام نموذج العناصر الموزعة في تصميم المرشحات ضروريًا. من ناحية أخرى، عادةً ما تكون أبعاد بنية الهوائي قابلة للمقارنة مع λ في جميع نطاقات التردد، مما يستلزم استخدام نموذج العناصر الموزعة. ^{[ 5 ]}

يتمثل أبرز اختلاف في سلوك مرشح العناصر الموزعة ونظيره ذي العناصر المجمعة في أن الأول سيحتوي على نسخ متعددة من نطاق تمرير النموذج الأولي ذي العناصر المجمعة ، وذلك لأن خصائص نقل خط النقل تتكرر على فترات توافقية. وتُعد نطاقات التمرير الزائفة هذه غير مرغوب فيها في معظم الحالات. ^{[ 6 ]}

لتبسيط العرض، رُسمت المخططات في هذه المقالة باستخدام مكونات مُنفذة بتنسيق الخطوط الشريطية . لا يعني هذا تفضيلًا صناعيًا، مع أن تنسيقات خطوط النقل المستوية (أي التنسيقات التي تتكون فيها الموصلات من شرائح مسطحة) شائعة نظرًا لإمكانية تنفيذها باستخدام تقنيات تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة المعروفة . يمكن أيضًا تنفيذ الهياكل الموضحة باستخدام تقنيات الخطوط الشريطية الدقيقة أو المدفونة (مع إجراء تعديلات مناسبة على الأبعاد)، ويمكن تكييفها مع الكابلات المحورية ، والأسلاك المزدوجة ، والموجات الدليلية ، على الرغم من أن بعض الهياكل أنسب لبعض التطبيقات من غيرها. على سبيل المثال، تُظهر العمود الثاني من الشكل 3 تطبيقات الأسلاك المفتوحة لعدد من الهياكل، ويمكن إيجاد مكافئات الأسلاك المفتوحة لمعظم هياكل الخطوط الشريطية الأخرى. تُستخدم خطوط النقل المستوية أيضًا في تصميمات الدوائر المتكاملة . ^{[ 7 ]}

بدأ تطوير مرشحات العناصر الموزعة في السنوات التي سبقت الحرب العالمية  الثانية. أسس وارن ب. ماسون مجال دوائر العناصر الموزعة . ^{[ 8 ]} نُشرت ورقة بحثية هامة حول هذا الموضوع من قِبل ماسون وسايكس عام 1937. ^{[ 9 ]} كان ماسون قد سجل براءة اختراع ^{[ 10 ]} في وقت سابق، عام 1927، وقد تحتوي هذه البراءة على أول تصميم كهربائي منشور يبتعد عن تحليل العناصر المجمعة. ^{[ 11 ]} ركز عمل ماسون وسايكس على أشكال الكابلات المحورية وأزواج الأسلاك المتوازنة - لم تكن التقنيات المستوية مستخدمة بعد. أُجري الكثير من التطوير خلال سنوات الحرب مدفوعًا باحتياجات الترشيح للرادار والتدابير الإلكترونية المضادة . تم إنجاز جزء كبير من هذا في مختبر الإشعاع التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ^{[ 12 ]} ولكن شاركت أيضًا مختبرات أخرى في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

تطلّب تطوير المرشحات لتتجاوز تصاميم زمن الحرب بعض التطورات الهامة في نظرية الشبكات . ومن هذه التطورات نظرية الخطوط المتناسبة لبول ريتشاردز . ^{[ 15 ]} الخطوط المتناسبة هي شبكات تكون فيها جميع العناصر متساوية الطول (أو في بعض الحالات مضاعفات طول الوحدة)، على الرغم من اختلافها في أبعاد أخرى مما يُعطي معاوقات مميزة مختلفة. يسمح تحويل ريتشاردز بتحويل تصميم العناصر المجمعة "كما هو" مباشرةً إلى تصميم العناصر الموزعة باستخدام معادلة تحويل بسيطة للغاية. ^{[ 16 ]}

تمثلت الصعوبة التي واجهناها في تحويل ريتشاردز، من منظور بناء مرشحات عملية، في أن تصميم العناصر الموزعة الناتج كان يتضمن حتمًا عناصر موصولة على التوالي . لم يكن من الممكن تطبيق ذلك في التقنيات المستوية، وكان غالبًا ما يمثل عائقًا في التقنيات الأخرى. وقد حلّ ك. كورودا هذه المشكلة باستخدام محولات المعاوقة للتخلص من العناصر الموصولة على التوالي. نشر كورودا مجموعة من التحويلات تُعرف باسم متطابقات كورودا عام ١٩٥٥، ولكن عمله كُتب باللغة اليابانية، واستغرق الأمر عدة سنوات قبل أن تُدمج أفكاره في الأدبيات الإنجليزية. ^{[ ١٧ ]}

بعد الحرب، كان أحد أهم مسارات البحث محاولة زيادة عرض نطاق تصميم مرشحات النطاق العريض. كان النهج المُستخدم آنذاك (ولا يزال مُستخدمًا حتى اليوم) هو البدء بنموذج أولي لمرشح ذي عناصر مُجمّعة ، ومن خلال تحويلات مُختلفة، الوصول إلى المرشح المطلوب في شكل عناصر مُوزّعة. بدا أن هذا النهج مُقيّد بقيمة Q دنيا تبلغ خمسة (انظر مرشحات تمرير النطاق أدناه لشرح قيمة Q ). في عام 1957، نشر ليو يونغ من معهد ستانفورد للأبحاث طريقة لتصميم المرشحات تبدأ بنموذج أولي ذي عناصر مُوزّعة. ^{[ 18 ]} استند هذا النموذج الأولي إلى مُحوّلات مُعاوقة ربع موجة ، وكان قادرًا على إنتاج تصميمات بعرض نطاق يصل إلى أوكتاف ، ما يُقابل قيمة Q تبلغ حوالي 1.3. كانت بعض إجراءات يونغ في تلك الورقة تجريبية، ولكن لاحقًا ^{[ 19 ]} نُشرت حلول دقيقة. تتناول ورقة يونغ على وجه التحديد رنانات التجويف المقترنة مباشرة، ولكن يمكن تطبيق الإجراء نفسه على أنواع أخرى من الرنانات المقترنة مباشرة، مثل تلك الموجودة في التقنيات المستوية الحديثة والموضحة في هذه المقالة. يُعد مرشح الفجوة السعوي (الشكل 8) ومرشح الخطوط المقترنة بالتوازي (الشكل 9) مثالين على الرنانات المقترنة مباشرة. ^{[ 16 ]}

أدى إدخال تقنيات الطباعة المستوية إلى تبسيط تصنيع العديد من مكونات الموجات الميكروية، بما في ذلك المرشحات، وأصبح من الممكن حينها تصنيع الدوائر المتكاملة للموجات الميكروية. لا يُعرف تاريخ ظهور خطوط النقل المستوية، ولكن سُجلت تجارب باستخدامها منذ عام 1936. ^{[ 20 ]} ومع ذلك، فإن مخترع خط النقل المطبوع معروف؛ وهو روبرت م. باريت الذي نشر الفكرة عام 1951. ^{[ 21 ]} وقد لاقت هذه الفكرة رواجًا سريعًا، وسرعان ما واجه خط باريت منافسة تجارية شرسة من الأشكال المستوية المنافسة، وخاصةً خطوط النقل ثلاثية الصفائح وخطوط النقل الميكروية . يشير مصطلح "خط النقل" في الاستخدام الحديث عادةً إلى الشكل المعروف آنذاك باسم "ثلاثي الصفائح" . ^{[ 22 ]}

كانت مرشحات الرنان ذات الاقتران المباشر في الخطوط الشريطية المبكرة تُقترن من طرفيها، ولكن تم تقليل طولها وزيادة صغر حجمها تدريجيًا مع ظهور مرشحات الخطوط المتوازية ^{[ 23 ]} ، والمرشحات المتداخلة ^{[ 24 ]} ، ومرشحات الخطوط المشطية ^{[ 25 ]} . نُشر جزء كبير من هذا العمل من قِبل المجموعة في جامعة ستانفورد بقيادة جورج ماثاي، والتي ضمت أيضًا ليو يونغ المذكور أعلاه، في كتاب مرجعي لا يزال يُستخدم حتى اليوم كمرجع لمصممي الدوائر ^{[ 26 ] [ 27 ]} . وُصف مرشح دبوس الشعر لأول مرة عام 1972 ^{[ 28 ] [ 29 ]} . وبحلول سبعينيات القرن العشرين، وُصفت معظم طوبولوجيات المرشحات الشائعة الاستخدام اليوم ^{[ 30 ]} . ركزت الأبحاث الحديثة على فئات رياضية جديدة أو متغيرة من المرشحات، مثل المرشحات شبه الإهليلجية ، مع الاستمرار في استخدام نفس الطوبولوجيات الأساسية، أو باستخدام تقنيات تنفيذ بديلة مثل الخطوط الشريطية المعلقة والخطوط الزعنفية ^{[ 31 ]} .

كان أول تطبيق غير عسكري لمرشحات العناصر الموزعة في وصلات الميكروويف التي تستخدمها شركات الاتصالات لتوفير البنية التحتية لشبكاتها. كما استُخدمت هذه الوصلات في قطاعات أخرى ذات شبكات ثابتة واسعة النطاق، ولا سيما محطات البث التلفزيوني. ^{[ 32 ]} شكلت هذه التطبيقات جزءًا من برامج استثمار رأسمالي ضخمة. ومع ذلك، أدى الإنتاج الضخم إلى خفض تكلفة هذه التقنية بما يكفي لدمجها في أنظمة التلفزيون الفضائي المنزلية. ^{[ 33 ]} ومن التطبيقات الناشئة استخدامها في مرشحات فائقة التوصيل في محطات البث الخلوية التي تشغلها شركات الهواتف المحمولة. ^{[ 34 ]}

أبسط بنية يمكن تطبيقها هي تغيير مفاجئ في المعاوقة المميزة للخط، مما يُحدث انقطاعًا في خصائص النقل. ويتم ذلك في التقنيات المستوية بتغيير عرض خط النقل. يوضح الشكل 4(أ) ارتفاعًا مفاجئًا في المعاوقة (الخطوط الأضيق لها معاوقة أعلى). أما الانخفاض المفاجئ في المعاوقة فهو صورة معكوسة للشكل 4(أ). يمكن تمثيل الانقطاع تقريبًا بملف حث متسلسل، أو بدقة أكبر، بدائرة تمرير منخفض على شكل حرف T كما هو موضح في الشكل 4(أ). ^{[ 35 ]} غالبًا ما تُربط عدة انقطاعات مع محولات المعاوقة لإنتاج مرشح من رتبة أعلى . يمكن أن تكون محولات المعاوقة هذه مجرد قطعة قصيرة (غالبًا λ/4) من خط النقل. يمكن لهذه البنى المركبة تطبيق أي من عائلات المرشحات ( باترورث ، تشيبيشيف ، إلخ) عن طريق تقريب دالة النقل النسبية لمرشح العناصر المجمعة المقابل. لا يُعدّ هذا التطابق تامًا، إذ لا يمكن أن تكون الدوائر ذات العناصر الموزعة منطقية، وهذا هو السبب الرئيسي لاختلاف سلوك العناصر المجمعة عن سلوك العناصر الموزعة. كما تُستخدم محولات المعاوقة في مزيج هجين من مرشحات العناصر المجمعة والموزعة (ما يُعرف بالهياكل شبه المجمعة). ^{[ 36 ]}

يُعدّ الوصل الفرعي (Stub) مكونًا شائعًا جدًا في مرشحات العناصر الموزعة . ضمن نطاق ترددي ضيق، يمكن استخدام الوصل الفرعي كمكثف أو محث (حيث تُحدد معاوقته بطوله)، بينما يعمل كمرنان ضمن نطاق ترددي واسع. تعمل الوصلات الفرعية ذات الدائرة القصيرة، والتي يبلغ طولها الاسمي ربع الطول الموجي (الشكل 3(أ))، كمرنانات مضادة LC متوازية ، بينما تعمل الوصلات الفرعية ذات الدائرة المفتوحة، والتي يبلغ طولها الاسمي ربع الطول الموجي (الشكل 3(ب))، كمرنانات LC متسلسلة . يمكن أيضًا استخدام الوصلات الفرعية مع محولات المعاوقة لبناء مرشحات أكثر تعقيدًا، وكما هو متوقع من طبيعتها الرنانة، فهي مفيدة للغاية في تطبيقات تمرير النطاق. ^{[ 39 ]} على الرغم من سهولة تصنيع أطراف الدائرة المفتوحة في التقنيات المستوية، إلا أن عيبها يكمن في انحراف نهايتها بشكل كبير عن الدائرة المفتوحة المثالية (انظر الشكل 4(ب))، مما يؤدي غالبًا إلى تفضيل أطراف الدائرة القصيرة (يمكن دائمًا استخدام أحدهما بدلاً من الآخر بإضافة أو طرح λ/4 من الطول). ^{[ 35 ]}

يشبه الرنان الحلزوني الرنان القصير من حيث أنه يتطلب نموذجًا للعناصر الموزعة لتمثيله، ولكنه في الواقع يُبنى باستخدام عناصر مجمعة. يُبنى الرنان الحلزوني بشكل غير مستوٍ ويتكون من ملف سلكي على قالب وقلب، ومتصل من طرف واحد فقط. عادةً ما يكون الجهاز داخل علبة محمية بها فتحة في الأعلى لضبط القلب. غالبًا ما يكون شكله مشابهًا جدًا لرنانات LC المجمعة المستخدمة لغرض مماثل. يُعد الرنان الحلزوني أكثر فائدة في نطاقات VHF العليا و UHF السفلى، بينما تُستخدم الرنانات القصيرة بشكل أكثر شيوعًا في نطاقات UHF و SHF العليا . ^{[ 40 ]}

يمكن استخدام الخطوط المزدوجة (الشكل 3(ج) و(د)) كعناصر ترشيح؛ فهي، مثل الوصلات القصيرة، تعمل كمرنانات، ويمكن إنهاؤها بدائرة قصر أو دائرة مفتوحة. يُفضل استخدام الخطوط المزدوجة في التقنيات المستوية لسهولة تنفيذها، بينما تُفضل الوصلات القصيرة في غيرها. لا يُمكن تنفيذ دائرة مفتوحة حقيقية في التقنيات المستوية بسبب تأثير العازل الكهربائي للركيزة، الذي يضمن دائمًا احتواء الدائرة المكافئة على سعة تحويل. مع ذلك، تُستخدم الدوائر المفتوحة غالبًا في التصاميم المستوية بدلًا من الدوائر القصيرة لسهولة تنفيذها. يمكن تصنيف أنواع عديدة من العناصر كخطوط مزدوجة، ويُعرض في الأشكال مجموعة مختارة من أكثرها شيوعًا. ^{[ 41 ]}

تُظهر الأشكال 3 و4 بعض البنى الشائعة، إلى جانب نظائرها من العناصر المُجمّعة. لا ينبغي اعتبار هذه التقريبات للعناصر المُجمّعة دوائر مكافئة، بل هي بمثابة دليل لسلوك العناصر الموزعة ضمن نطاق ترددي مُحدد. يُظهر الشكلان 3(أ) و3(ب) وصلة قصيرة الدائرة ووصلة مفتوحة الدائرة، على التوالي. عندما يكون طول الوصلة λ/4، فإنها تتصرف، على التوالي، كمضادات رنين ورنانات، وبالتالي فهي مفيدة، على التوالي، كعناصر في مرشحات تمرير النطاق ومرشحات إيقاف النطاق . يُظهر الشكل 3(ج) خطًا قصير الدائرة مُقترنًا بالخط الرئيسي. يتصرف هذا أيضًا كرنان، ولكنه يُستخدم عادةً في تطبيقات مرشحات التمرير المنخفض عندما يكون تردد الرنين خارج النطاق المطلوب. يُظهر الشكلان 3(د) و3(هـ) بنى خطوط مُقترنة، وكلاهما مفيد في مرشحات تمرير النطاق. تحتوي بنيتا الشكلين 3(ج) و3(هـ) على دوائر مكافئة تتضمن وصلات قصيرة موصولة على التوالي مع الخط. يسهل تنفيذ هذا النوع من البنية في الدوائر ذات الأسلاك المكشوفة، ولكنه ليس كذلك في الدوائر المستوية. لذا، تُعد هاتان البنيتان مفيدتين لتنفيذ عنصر مكافئ متسلسل. ^{[ 42 ]}

يمكن تنفيذ مرشح تمرير منخفض مباشرةً من نموذج أولي ذي بنية سلمية وعناصر مجمعة، باستخدام مرشح المعاوقة المتدرجة الموضح في الشكل 5. يُعرف هذا التصميم أيضًا بتصميم الخطوط المتتالية . يتكون المرشح من أقسام متناوبة من خطوط ذات معاوقة عالية وأخرى ذات معاوقة منخفضة، والتي تُقابل المحاثات المتسلسلة والمكثفات المتوازية في تصميم العناصر المجمعة. تُستخدم مرشحات التمرير المنخفض عادةً لتغذية المكونات النشطة بتيار مستمر . تُسمى المرشحات المُخصصة لهذا التطبيق أحيانًا بالملفات الخانقة . في هذه الحالة، يبلغ طول كل عنصر من عناصر المرشح λ/4 (حيث λ هو الطول الموجي لإشارة الخط الرئيسي المراد منعها من الانتقال إلى مصدر التيار المستمر)، وتُصنع أقسام الخط ذات المعاوقة العالية بأضيق ما تسمح به تقنية التصنيع لزيادة الحث إلى أقصى حد. ^{[ 43 ]} يمكن إضافة أقسام إضافية حسب الحاجة لتحسين أداء المرشح، تمامًا كما هو الحال في تصميم العناصر المجمعة. إلى جانب الشكل المستوي الموضح، يُعد هذا الهيكل مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات المحورية التي تتضمن أقراصًا متناوبة من المعدن والعازل مثبتة على الموصل المركزي. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]}

يُقدّم الشكل 6 مثالًا أكثر تعقيدًا لتصميم المعاوقة المتدرجة. وكما في السابق، تُستخدم الخطوط الضيقة لتمثيل المحاثات، بينما تُستخدم الخطوط العريضة لتمثيل المكثفات. ولكن في هذه الحالة، يحتوي العنصر المُجمّع على رنانات موصولة على التوازي مع الخط الرئيسي. يُمكن استخدام هذه البنية لتصميم مرشحات بيضاوية أو مرشحات تشيبيشيف ذات أقطاب تخميد في نطاق الإيقاف . مع ذلك، يُعدّ حساب قيم المكونات لهذه البنى عملية معقدة، ما دفع المصممين غالبًا إلى اختيار تنفيذها كمرشحات مشتقة من m ، والتي تتميز بأداء جيد وسهولة حسابها. يهدف دمج الرنانات إلى تحسين رفض نطاق الإيقاف . ولكن، بعد تجاوز تردد الرنين لأعلى تردد رنان، يبدأ رفض نطاق الإيقاف بالتدهور مع اقتراب الرنانات من حالة الدائرة المفتوحة. لهذا السبب، غالبًا ما تحتوي المرشحات المصممة وفقًا لهذا التصميم على مكثف إضافي ذي معاوقة متدرجة كعنصر أخير في المرشح. ^{[ 47 ]} وهذا يضمن أيضًا رفضًا جيدًا عند الترددات العالية. ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]}

من التقنيات الشائعة الأخرى لتصميم مرشحات التمرير المنخفض استخدام مكثفات التوازي كوصلات فرعية بتردد رنين أعلى من تردد التشغيل، بحيث تكون معاوقة الوصلة سعوية في نطاق التمرير. يوجد لهذا التصميم نظير من العناصر المجمعة، ذو شكل عام مشابه للمرشح الموضح في الشكل 6. عند توفر المساحة، يمكن وضع الوصلات الفرعية على جانبي الخط الرئيسي بالتناوب كما هو موضح في الشكل 7(أ). الهدف من ذلك هو منع التداخل بين الوصلات الفرعية المتجاورة، والذي يؤثر سلبًا على أداء المرشح بتغيير استجابة التردد. مع ذلك، يظل التصميم الذي يحتوي على جميع الوصلات الفرعية على نفس الجانب تصميمًا صالحًا. إذا كان مطلوبًا أن تكون الوصلة الفرعية ذات معاوقة منخفضة جدًا، فقد تكون عريضة بشكل غير عملي. في هذه الحالات، يتمثل الحل الممكن في توصيل وصلتين فرعيتين أضيق على التوازي. أي أن كل موضع وصلة فرعية يحتوي على وصلة فرعية على جانبي الخط. من عيوب هذا التصميم إمكانية ظهور أنماط رنين عرضية إضافية على امتداد نصف طول الخط المتكون من طرفي التوصيل. في تصميم الخانق، يكفي ببساطة زيادة السعة قدر الإمكان، ولتحقيق ذلك، يمكن استخدام أقصى عرض للطرف λ/4 مع توصيل الأطراف بالتوازي على جانبي الخط الرئيسي. يبدو المرشح الناتج مشابهًا لمرشح المعاوقة المتدرجة في الشكل 5، ولكنه مصمم وفقًا لمبادئ مختلفة تمامًا. ^{[ 43 ]} تكمن صعوبة استخدام أطراف بهذا العرض في عدم وضوح نقطة اتصالها بالخط الرئيسي. يمكن اعتبار الطرف الضيق نسبيًا (λ) متصلًا على خطه المركزي، وستتنبأ الحسابات المبنية على هذا الافتراض بدقة باستجابة المرشح. أما بالنسبة للطرف العريض، فإن الحسابات التي تفترض اتصال الفرع الجانبي بنقطة محددة على الخط الرئيسي تؤدي إلى عدم دقة، لأن هذا لا يمثل نموذجًا جيدًا لنمط الإرسال. أحد حلول هذه المشكلة هو استخدام وصلات شعاعية بدلاً من الوصلات الخطية. يُطلق على زوج من الوصلات الشعاعية المتوازية (واحدة على كل جانب من الخط الرئيسي) اسم وصلة الفراشة (انظر الشكل 7(ب)). أما مجموعة من ثلاث وصلات شعاعية متوازية، والتي يمكن الحصول عليها في نهاية الخط، فتُسمى وصلة ورقة البرسيم. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

يمكن تصميم مرشح تمرير النطاق باستخدام أي عناصر قابلة للرنين. ومن الواضح أن المرشحات التي تستخدم أطرافًا قصيرة يمكن جعلها مرشحات تمرير نطاق؛ وهناك العديد من الهياكل الأخرى الممكنة، وبعضها معروض أدناه.

يُعدّ عرض النطاق الكسري أحد المعايير المهمة عند مناقشة مرشحات تمرير النطاق. ويُعرَّف بأنه نسبة عرض النطاق إلى التردد المركزي الهندسي. ويُسمى مقلوب هذه الكمية عامل الجودة Q. إذا كان _ω1 وω2 _هما ترددا حافتي نطاق التمرير، فإن : ^{[ 53 ]}

عرض النطاق الترددي${\displaystyle \Delta \omega =\omega _{2}-\omega _{1}\,}$،

التردد المركزي الهندسي${\displaystyle \omega _{0}={\sqrt {\omega _{1}\omega _{2}}}}$و

${\displaystyle Q={\frac {\omega _{0}}{\Delta \omega }}}$

مرشح الفجوة السعوي

يتكون هيكل الفجوة السعوية من أجزاء من خط بطول λ/2 تقريبًا، تعمل كمرنانات، وترتبط ببعضها البعض "طرفًا لطرف" عبر فجوات في خط النقل. وهو مناسب بشكل خاص للتصميمات المستوية، وسهل التنفيذ باستخدام تقنية الدوائر المطبوعة، ويتميز بميزة عدم شغله مساحة أكبر من خط النقل العادي. يتمثل قيد هذا التصميم في تدهور الأداء (وخاصة فقد الإدخال ) مع زيادة عرض النطاق الترددي الجزئي، ولا يمكن الحصول على نتائج مقبولة بمعامل جودة (Q) أقل من 5 تقريبًا. ومن الصعوبات الأخرى في تصميم الدوائر ذات معامل الجودة المنخفض ، ضرورة تقليل عرض الفجوة للحصول على نطاقات ترددية جزئية أوسع. ويُحدد الحد الأدنى لعرض الفجوات، مثل الحد الأدنى لعرض المسارات ، بدقة تقنية الطباعة. ^{[ 46 ] [ 54 ]}

مرشح الخطوط المتوازية

تُعدّ الخطوط المتوازية المقترنة من التصاميم الشائعة الأخرى للوحات الدوائر المطبوعة، حيث تُعتبر خطوط الدائرة المفتوحة الأسهل في التنفيذ نظرًا لأن عملية التصنيع لا تتطلب سوى المسار المطبوع. يتألف التصميم من صف من الرنانات المتوازية بطول λ/2، ولكن الاقتران يقتصر على λ/4 فقط مع كل رنان مجاور، مما يُشكّل خطًا متداخلًا كما هو موضح في الشكل 9. يُمكن الحصول على نطاقات تردد كسرية أوسع مع هذا المرشح مقارنةً بمرشح الفجوة السعوية، ولكن تظهر مشكلة مماثلة على لوحات الدوائر المطبوعة حيث يُقلّل الفقد العازل من عامل الجودة Q. تتطلب الخطوط ذات عامل الجودة Q المنخفض اقترانًا أقوى وفجوات أصغر بينها، وهو ما يحدّه دقة عملية الطباعة. يتمثل أحد حلول هذه المشكلة في طباعة المسار على طبقات متعددة مع تداخل الخطوط المتجاورة دون تلامسها لأنها على طبقات مختلفة. بهذه الطريقة، يُمكن اقتران الخطوط عبر عرضها، مما ينتج عنه اقتران أقوى بكثير من اقترانها من الحافة إلى الحافة، ويُصبح من الممكن الحصول على فجوة أكبر مع الحفاظ على نفس الأداء. ^{[ 55 ]}

بالنسبة للتقنيات الأخرى (غير المطبوعة)، قد يُفضّل استخدام خطوط الدائرة القصيرة لأنها توفر نقطة تثبيت ميكانيكية للخط، ولا تتطلب عوازل عازلة كهربائية مُخفِّضة لعامل الجودة (Q) للدعم الميكانيكي. وباستثناء الأسباب الميكانيكية وأسباب التجميع، لا يوجد تفضيل يُذكر لخطوط الدائرة المفتوحة على خطوط الدائرة القصيرة. يمكن لكلا البنيتين تحقيق نفس نطاق تطبيقات المرشحات بنفس الأداء الكهربائي. نظريًا، لا تحتوي أي من نوعي المرشحات المتوازية على نطاقات تمرير زائفة عند ضعف التردد المركزي كما هو الحال في العديد من تصميمات المرشحات الأخرى (مثل الوصلات القصيرة). ومع ذلك، يتطلب كبح نطاق التمرير الزائف هذا ضبطًا دقيقًا للخطوط المقترنة، وهو أمر غير ممكن عمليًا، لذا يوجد حتمًا بعض نطاق التمرير الزائف المتبقي عند هذا التردد. ^{[ 46 ] [ 56 ] [ 57 ]}

مرشح دبوس الشعر هو بنية أخرى تستخدم خطوطًا متوازية. في هذه الحالة، يتم توصيل كل زوج من الخطوط المتوازية بالزوج التالي بواسطة وصلة قصيرة. وتُعطي الأشكال "U" المتكونة اسم مرشح دبوس الشعر . في بعض التصاميم، يمكن أن تكون الوصلة أطول، مما يُعطي دبوس شعر عريضًا مع تأثير محول معاوقة λ/4 بين الأقسام. ^{[ 58 ] [ 59 ]}

تُعدّ الانحناءات المائلة الموضحة في الشكل 10 شائعة في تصميمات الخطوط الشريطية، وهي تمثل حلاً وسطاً بين الزاوية القائمة الحادة، التي تُنتج انقطاعاً كبيراً، والانحناء السلس، الذي يشغل مساحة أكبر على اللوحة، وهو ما قد يكون محدوداً للغاية في بعض المنتجات. غالباً ما تُرى هذه الانحناءات في أطراف طويلة حيث لا يمكن تركيبها في المساحة المتاحة. الدائرة المكافئة ذات العناصر المجمعة لهذا النوع من الانقطاع تُشبه انقطاع المعاوقة المتدرجة. ^{[ 38 ]} يمكن رؤية أمثلة على هذه الأطراف على مداخل الانحياز لعدة مكونات في الصورة أعلى المقالة. ^{[ 46 ] [ 60 ]}

مرشح بين الأصابع

تُعدّ المرشحات المتداخلة نوعًا آخر من مرشحات الخطوط المزدوجة. يبلغ طول كل قسم من الخط حوالي λ/4، وينتهي بدائرة قصر من أحد طرفيه فقط، بينما يبقى الطرف الآخر مفتوح الدائرة. ويتناوب الطرف الذي يتم فيه قصر الدائرة في كل قسم من أقسام الخط. يسهل تطبيق هذا التصميم في التقنيات المستوية، كما أنه مناسب بشكل خاص للتجميع الميكانيكي للخطوط المثبتة داخل غلاف معدني. يمكن أن تكون الخطوط إما قضبانًا دائرية أو مستطيلة، كما أن توصيلها بخط محوري سهل. وكما هو الحال مع مرشح الخطوط المزدوجة المتوازية، فإن ميزة الترتيب الميكانيكي الذي لا يتطلب عوازل للدعم هي التخلص من الفقد العازل. لا يكون شرط التباعد بين الخطوط صارمًا كما هو الحال في بنية الخطوط المتوازية؛ وبالتالي، يمكن تحقيق نطاقات ترددية كسرية أعلى، وقيم Q منخفضة تصل إلى 1.4. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

يُشبه مرشح الخطوط المشطية مرشح التداخل الرقمي في سهولة تجميعه ميكانيكيًا في علبة معدنية دون الحاجة إلى دعامة عازلة. في حالة الخطوط المشطية، تُقصر جميع الخطوط عند نفس الطرف بدلًا من أطراف متبادلة. أما الأطراف الأخرى فتُوصل بمكثفات إلى الأرض، ولذلك يُصنف التصميم على أنه شبه مُجمّع. الميزة الرئيسية لهذا التصميم هي إمكانية جعل نطاق الإيقاف العلوي واسعًا جدًا، أي خاليًا من نطاقات التمرير الطفيلية عند جميع الترددات المطلوبة. ^{[ 63 ]}

مرشحات تمرير النطاق الفرعي

كما ذُكر سابقًا، تُعدّ الوصلات القصيرة مناسبة لتصميمات تمرير النطاق. وتتشابه أشكالها العامة مع مرشحات التمرير المنخفض القصيرة، باستثناء أن الخط الرئيسي لم يعد خطًا ضيقًا ذو مقاومة عالية . يتوفر للمصممين العديد من التكوينات المختلفة لمرشحات الوصلات القصيرة للاختيار من بينها، بعضها يُنتج استجابات متطابقة. يوضح الشكل 12 مثالًا على مرشح الوصلات القصيرة؛ ويتكون من صف من وصلات قصيرة الدائرة بطول λ/4 موصولة معًا بواسطة محولات مقاومة بطول λ/4.

تتكون أطراف المرشح من وصلات مزدوجة متوازية، بينما تتكون أطراف الأجزاء الطرفية من وصلات مفردة، وهو ترتيب يوفر مزايا في مطابقة المعاوقة . تعمل محولات المعاوقة على تحويل صف الرنانات المضادة المتوازية إلى سلسلة من الرنانات المتسلسلة والرنانات المضادة المتوازية. يمكن تصميم مرشح بخصائص مماثلة باستخدام وصلات مفتوحة الدائرة بطول λ/4 موصولة على التوالي مع الخط ومقترنة بمحولات معاوقة بطول λ/4، على الرغم من أن هذا التصميم غير ممكن في التقنيات المستوية. ^{[ 64 ]}

هناك بنية أخرى متاحة وهي عبارة عن وصلات مفتوحة الدائرة بطول λ/2 عبر الخط، مقترنة بمحولات معاوقة بطول λ/4. تتميز هذه البنية بخصائص تمرير الترددات المنخفضة وتمرير النطاق. ولأنها تسمح بمرور التيار المستمر، فمن الممكن نقل جهود التحيز إلى المكونات النشطة دون الحاجة إلى مكثفات حجب. كذلك، ولأن وصلات الدائرة القصيرة غير مطلوبة، فلا حاجة إلى عمليات تجميع أخرى غير طباعة اللوحة عند تنفيذها كخط شريطي. أما عيوبها فهي

(i) سيشغل المرشح مساحة أكبر على اللوحة مقارنة بمرشح λ/4 المقابل، لأن جميع النتوءات أطول بمرتين؛

(ii) يقع نطاق التمرير الزائف الأول عند 2ω ₀ ، على عكس 3ω ₀ لمرشح λ/4. ^{[ 65 ]}

يصف كونيشي  مرشح تمرير نطاق عريض بتردد 12 جيجاهرتز، يستخدم وصلات فراشة بزاوية 60 درجة، ويتميز أيضًا باستجابة تمرير منخفض (تتطلب وصلات دائرة قصر لمنع هذه الاستجابة). وكما هو الحال غالبًا مع مرشحات العناصر الموزعة، فإن شكل النطاق الذي يُصنف إليه المرشح يعتمد بشكل كبير على النطاقات المطلوبة والنطاقات التي تُعتبر دخيلة. ^{[ 66 ]}

يصعب، إن لم يكن من المستحيل، تصميم مرشحات تمرير الترددات العالية الحقيقية باستخدام العناصر الموزعة. يتمثل النهج التصميمي المعتاد في البدء بتصميم مرشح تمرير النطاق، ولكن مع جعل نطاق التوقف العلوي يقع عند تردد عالٍ جدًا لدرجة أنه غير ذي أهمية. تُوصف هذه المرشحات بأنها مرشحات تمرير ترددات عالية زائفة، ويُوصف نطاق التوقف العلوي بأنه نطاق توقف أثري. حتى الهياكل التي تبدو ذات بنية تمرير ترددات عالية "واضحة"، مثل مرشح الفجوة السعوية في الشكل 8، يتضح أنها مرشحات تمرير نطاق عند دراسة سلوكها عند أطوال موجية قصيرة جدًا. ^{[ 67 ]}

• مرشح الترددات الراديوية والميكروويف
• مرشح الموجة الدليلية
• خط فرعي
• مقسمات الطاقة والموصلات الاتجاهية

• باهل، آي جيه. العناصر المجمعة لدوائر الترددات الراديوية والميكروويف. دار أرتيك هاوس، 2003. رقم ISBN 1-58053-309-4.
• باريت، آر إم وبارنز، إم إتش "دوائر الميكروويف المطبوعة"، راديو تيليف ، المجلد 46 ، ص  16، سبتمبر 1951.
• باريت، آر إم "الصفائح المحفورة تعمل كمكونات للميكروويف"، الإلكترونيات ، المجلد 25 ، الصفحات  114-118، يونيو 1952.
• بينوا، هيرفيه، التلفزيون الفضائي: تقنيات التلفزيون التناظري والرقمي ، باتروورث-هاينمان، 1999، رقم ISBN 0-340-74108-2.
• بهات، بهاراتي وكول، شيبان ك. خطوط نقل شبيهة بخطوط النقل الشريطية للدوائر المتكاملة للميكروويف ، نيو إيج إنترناشونال، 1989، رقم ISBN 81-224-0052-3.
• كار، جوزيف ج. دليل فني أجهزة استقبال الراديو ، نيونس، 2001، رقم ISBN 0-7506-7319-2
• Cohn, SB "مرشحات رنانة خط النقل المقترنة بالتوازي" ، معاملات IRE: نظرية وتقنيات الميكروويف ، المجلد MTT-6 ، الصفحات  223-231 ، أبريل 1958.
• كونور، نقل الموجات ، دار إدوارد أرنولد المحدودة، 1972، رقم ISBN 0-7131-3278-7.
• كريستال، إي جي وفرانكل، إس. "مرشحات خط دبوس الشعر / نصف موجة متوازية مقترنة" ، معاملات IEEE: نظرية وتقنيات الميكروويف ، المجلد MTT-20 ، الصفحات  719-728، نوفمبر 1972.
• Fagen, MD and Millman, S. A History of Engineering and Science in the Bell System: Volume 5: Communications Sciences (1925–1980) , AT&T Bell Laboratories, 1984.
• Farago, PS An Introduction to Linear Network Analysis , English Universities Press, 1961.
• فورد، بيتر جون وساوندرز، جي إيه. صعود الموصلات الفائقة ، مطبعة سي آر سي، 2005، رقم ISBN 0-7484-0772-3.
• جوليو، جون مايكل، دليل الترددات الراديوية والميكروويف ، مطبعة سي آر سي، 2001، رقم ISBN 0-8493-8592-X.
• هونغ، جيا-شنغ ولانكستر، إم جيه. مرشحات الميكروستريب لتطبيقات الترددات الراديوية/الميكروويف . جون وايلي وأولاده، 2001. رقم ISBN 0-471-38877-7.
• هوردمان، أنطون أ. التاريخ العالمي للاتصالات ، وايلي-IEEE، 2003، رقم ISBN 0-471-20505-2.
• جاري، بيير وبينيه، جاك، تصميم وتنفيذ مرشحات الميكروويف والترددات الراديوية الكسورية المصغرة ، جون وايلي وأولاده، 2009، رقم ISBN 0-470-48781-X.
• كنيبو، إيفان. الدوائر المتكاملة للميكروويف. سبرينغر، 1994. رقم ISBN 0-412-54700-7.
• كونيشي، يوشيهيرو، دوائر متكاملة للميكروويف ، دار نشر سي آر سي، 1991، رقم ISBN 0-8247-8199-6.
• لي، توماس هـ. هندسة الموجات الميكروية المستوية: دليل عملي للنظرية والقياس والدوائر ، مطبعة جامعة كامبريدج، 2004، رقم ISBN 0-521-83526-7.
• ليفي، ر. "نظرية مرشحات التجويف المقترن المباشر" ، معاملات IEEE: نظرية وتقنيات الميكروويف ، المجلد MTT-15 ، الصفحات  340-348، يونيو 1967.
• ليفي، آر. كوهن، إس بي، "تاريخ أبحاث وتصميم وتطوير مرشحات الميكروويف" ، معاملات IEEE: نظرية وتقنيات الميكروويف ، ص  1055-1067، المجلد 32 ، العدد 9، 1984.
• لوندستروم، لارس إنجمار فهم التلفزيون الرقمي ، إلسفير، 2006 ISBN 0-240-80906-8.
• ماكيموتو، ميتسو وياماشيتا، ساداهيكو ، "رنانات ومرشحات الموجات الميكروية للاتصالات اللاسلكية: النظرية والتصميم والتطبيق" ، سبرينغر، 2001، رقم ISBN 3-540-67535-3.
• Mason, WP and Sykes, RA "استخدام خطوط النقل المحورية والمتوازنة في المرشحات والمحولات ذات النطاق العريض للترددات الراديوية العالية" ، Bell Syst. Tech. J. ، المجلد 16 ، الصفحات  275-302، 1937.
• Matthaei, GL "مرشحات تمرير النطاق بين الأصابع" ، معاملات IRE: نظرية وتقنيات الميكروويف ، المجلد MTT-10 ، الصفحات  479-491 ، نوفمبر 1962.
• Matthaei, GL "مرشحات تمرير النطاق ذات الخطوط المشطية ذات النطاق الترددي الضيق أو المعتدل"، مجلة الميكروويف ، المجلد 6 ، الصفحات  82-91، أغسطس 1963.
• ماثاي، جورج ل.؛ يونغ، ليو؛ وجونز، إي إم تي. مرشحات الميكروويف، وشبكات مطابقة المعاوقة، وهياكل الاقتران. ماكجرو هيل 1964 (طبعة 1980 هي ISBN). 0-89006-099-1).
• Niehenke, EC; Pucel, RA and Bahl, IJ "الدوائر المتكاملة للموجات الميكروية والموجات المليمترية" ، IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques ، المجلد 50 ، العدد 3 مارس 2002، الصفحات 846-857.
• دي باولو، فرانكو، الشبكات والأجهزة التي تستخدم خطوط النقل المستوية ، مطبعة سي آر سي، 2000، رقم ISBN 0-8493-1835-1.
• راجان، جي إل (محرر) دوائر نقل الميكروويف ، مختبر الإشعاع بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، منشورات دوفر، 1965.
• ريتشاردز، بي آي "دوائر خط نقل المقاومة" ، وقائع معهد مهندسي الراديو ، المجلد 36 ، الصفحات  217-220، فبراير 1948.
• روغرز، جون دبليو إم وبليت، كالفن، تصميم الدوائر المتكاملة للترددات الراديوية ، دار أرتيك هاوس، 2003، رقم ISBN 1-58053-502-X.
• ساركار، تابان ك. تاريخ اللاسلكي ، جون وايلي وأولاده، 2006، رقم ISBN 0-471-71814-9.
• سيفجي، ليفنت، مسائل كهرومغناطيسية معقدة وأساليب المحاكاة العددية ، وايلي-IEEE، 2003، رقم ISBN 0-471-43062-5.
• ثورستون، روبرت ن.، "وارن ب. ماسون: 1900-1986" ، مجلة الجمعية الصوتية الأمريكية ، المجلد 81، العدد 2، الصفحات 570-571، فبراير 1987.
• يونغ، ل. "مرشحات تجويف مقترنة مباشرة لعرض نطاق ترددي واسع وضيق" معاملات IEEE: نظرية وتقنيات الميكروويف ، المجلد MTT-11 ، الصفحات  162-178، مايو 1963.