Порт (теория цепей) - Port (circuit theory)
В электрической теории цепей , А порт представляет собой пару терминалов , соединяющих в электрическую сеть или цепь к внешней цепи, в качестве точки входа или выхода на электрическую энергию . Порт состоит из двух узлов (клемм), подключенных к внешней цепи, которая соответствует условию порта - токи, протекающие в два узла, должны быть равными и противоположными.
Использование портов помогает снизить сложность анализа схем . Многие распространенные электронные устройства и схемные блоки, такие как транзисторы , трансформаторы , электронные фильтры и усилители , анализируются с точки зрения портов. В многопортовом сетевом анализе схема рассматривается как « черный ящик », подключенный к внешнему миру через свои порты. Порты - это точки, где используются входные или выходные сигналы. Его поведение полностью определяется матрицей параметров, относящихся к напряжению и току на его портах, поэтому нет необходимости учитывать или даже знать внутреннюю структуру или конструкцию схемы при определении реакции схемы на подаваемые сигналы.
Концепция портов может быть распространена на волноводы , но определение в терминах тока не подходит, и необходимо учитывать возможное существование нескольких волноводных мод .
Состояние порта
Любой узел цепи, доступный для подключения к внешней цепи, называется полюсом (или клеммой, если это физический объект). Условием порта является то, что пара полюсов цепи считается портом тогда и только тогда, когда ток, текущий в один полюс извне цепи, равен току, текущему из другого полюса во внешнюю цепь. Эквивалентно, алгебраическая сумма токов, текущих на два полюса от внешней цепи, должна быть равна нулю.
Невозможно определить, удовлетворяет ли пара узлов условию порта, анализируя внутренние свойства самой схемы. Состояние порта полностью зависит от внешних подключений схемы. То, что является портами при одном наборе внешних обстоятельств, вполне может не быть портами при другом. Рассмотрим, например, схему из четырех резисторов на рисунке. Если генераторы подключены к парам полюсов (1, 2) и (3, 4), то эти две пары являются портами, а схема представляет собой коробчатый аттенюатор . С другой стороны, если генераторы подключены к парам полюсов (1, 4) и (2, 3), то эти пары являются портами, пары (1, 2) и (3, 4) больше не портами, а цепь это мостовая схема .
Можно даже расположить входы так, чтобы ни одна пара полюсов не соответствовала условию порта. Однако с такой схемой можно справиться, разделив один или несколько полюсов на несколько отдельных полюсов, соединенных с одним и тем же узлом. Если только одна клемма внешнего генератора подключена к каждому полюсу (будь то разделенный полюс или иначе), тогда схема снова может быть проанализирована с точки зрения портов. Наиболее распространенное расположение этого типа состоит в том, чтобы обозначить один полюс n- полюсной цепи как общий и разделить его на n −1 полюс. Эта последняя форма особенно полезна для топологий несимметричных схем, и результирующая схема имеет n -1 портов.
В наиболее общем случае возможно иметь генератор, подключенный к каждой паре полюсов, то есть n C 2 генераторов, тогда каждый полюс должен быть разделен на n −1 полюс. Например, в примере рисунка (c), если полюса 2 и 4 каждый разделены на два полюса каждый, тогда схема может быть описана как трехполюсная. Однако также можно подключать генераторы к парам полюсов (1, 3) , (1, 4) и (3, 2), в результате чего всего 4 C 2 = 6 генераторов, и цепь должна рассматриваться как 6- порт.
Один порт
Любая двухполюсная цепь гарантированно удовлетворяет условию порта в силу действующего закона Кирхгофа, и поэтому они безусловно являются однопортовыми. Все основных электрических элементов ( индуктивностей , сопротивление , емкость , источник напряжения , источник тока ) являются одним-портами, так как это общий импеданс .
Изучение однопортовых сетей - важная часть основы сетевого синтеза , особенно при проектировании фильтров . Двухэлементные однопортовые схемы (то есть RC- , RL- и LC-схемы ) синтезировать легче, чем в общем случае. Для двух элементов одного порта канонической форма Фостера или каноническая форма Кауэра в может быть использована. В частности, изучаются LC-схемы , поскольку они работают без потерь и обычно используются при проектировании фильтров .
Два порта
Линейные двухпортовые сети были широко изучены, и было разработано большое количество способов их представления. Одним из таких представлений являются z-параметры, которые могут быть описаны в матричной форме с помощью:
где V n и I n - напряжения и токи соответственно на порте n . Большинство других описаний двухпортов можно аналогичным образом описать с помощью аналогичной матрицы, но с другим расположением векторов столбцов напряжения и тока .
Общие блоки схемы, которые являются двухпортовыми, включают усилители , аттенюаторы и фильтры .
Мультипорты
В общем, схема может состоять из любого количества портов - многопортовый. Некоторые, но не все, представления параметров с двумя портами могут быть расширены до произвольных мультипортов. Из матриц, основанных на напряжении и токе, можно расширить только z-параметры и y-параметры . Ни один из них не подходит для использования на сверхвысоких частотах, потому что напряжения и токи неудобны для измерения в форматах, использующих проводники, и вообще не актуальны для форматов волноводов . Вместо этого на этих частотах используются s-параметры, которые также могут быть расширены на произвольное количество портов.
Блоки схем, которые имеют более двух портов, включают направленные ответвители , делители мощности , циркуляторы , диплексеры , дуплексеры , мультиплексоры , гибриды и направленные фильтры .
RF и микроволновая печь
Топологии ВЧ- и СВЧ- схем обычно представляют собой несбалансированные топологии схем, такие как коаксиальные или микрополосковые . В этих форматах один полюс каждого порта в цепи подключается к общему узлу, например к заземляющей пластине . При анализе схемы предполагается, что все эти общие полюса имеют одинаковый потенциал, и что ток поступает или опускается в пластину заземления, равную и противоположную току, идущему на другой полюс любого порта. В этой топологии порт рассматривается как единственный полюс. Предполагается, что соответствующий балансировочный полюс встроен в заземляющий слой.
Однополюсное представление порта начнет выходить из строя при наличии значительных токов контура заземления. Предположение в модели состоит в том, что пластина заземления идеально проводящая и что нет разницы потенциалов между двумя точками на плоскости заземления. На самом деле заземляющий слой не является идеально проводящим, и токи контура в нем будут вызывать разность потенциалов. Если существует разность потенциалов между общими полюсами двух портов, то состояние порта нарушается, и модель недействительна.
Волновод
Идея портов может быть (и продолжает) распространяться на волноводные устройства, но порт больше не может быть определен в терминах полюсов цепи, потому что в волноводах электромагнитные волны не направляются электрическими проводниками. Вместо этого они направляются стенками волновода. Таким образом, в этом формате не существует концепции полюса проводника цепи. Отверстия в волноводах состоят из отверстия или разрыва в волноводе, через которое могут проходить электромагнитные волны. Ограниченная плоскость, через которую проходит волна, и есть определение порта.
Волноводы имеют дополнительную сложность при анализе портов, поскольку возможно (а иногда и желательно) одновременное существование более чем одной волноводной моды . В таких случаях для каждого физического порта необходимо добавить отдельный порт в модель анализа для каждого из режимов, присутствующих на этом физическом порте.
Другие области энергетики
Концепция портов может быть распространена на другие области энергетики. Обобщенное определение порта - это место, где энергия может течь от одного элемента или подсистемы к другому элементу или подсистеме. Этот обобщенный взгляд на концепцию порта помогает объяснить, почему состояние порта так определяется в электрическом анализе. Если алгебраическая сумма токов не равна нулю, как, например, на диаграмме (c), то энергия, передаваемая от внешнего генератора, не равна энергии, поступающей на пару полюсов цепи. Таким образом, передача энергии в этом месте более сложна, чем простой поток от одной подсистемы к другой, и не соответствует обобщенному определению порта.
Концепция порта особенно полезна, когда несколько энергетических доменов задействованы в одной и той же системе, и требуется унифицированный, согласованный анализ, такой как механико-электрические аналогии или анализ графа связей . Связь между энергетическими доменами осуществляется с помощью преобразователей . Преобразователь может быть однопортовым с точки зрения электрического домена, но с более обобщенным определением порта это двухпортовый. Например, механический привод имеет один порт в электрической области и один порт в механической области. Преобразователи могут быть проанализированы как двухпортовые сети так же, как электрические двухпортовые. То есть с помощью пары линейных алгебраических уравнений или матрицы передаточной функции 2 × 2 . Однако переменные в двух портах будут разными, а параметры двух портов будут представлять собой смесь двух областей энергии. Например, в примере привода z-параметры будут включать в себя один электрический импеданс, один механический импеданс и два трансимпеданса, которые представляют собой отношения одной электрической и одной механической переменных.
Рекомендации
Библиография
- Вон Янг, Сунг К. Ли, Системы схем с MATLAB и PSpice , John Wiley & Sons, 2008 ISBN 0470822406 .
- Фрэнк Густрау, Радиотехника и микроволновая техника: основы беспроводной связи , John Wiley & Sons, 2012 ISBN 111834958X .
- Питер Рассер, Электромагнетизм, СВЧ-схемы и конструкция антенн для коммуникационной техники , Artech House, 2003 ISBN 1580535321 .
- Герберт Дж. Карлин, Пьер Паоло Чивальери, Разработка широкополосных схем , CRC Press, 1997 ISBN 0849378974 .
- Дин Карнопп, Дональд Л. Марголис, Рональд К. Розенберг, Системная динамика , Wiley, 2000 ISBN 0471333018 .
- Вольфганг Боруцки, Методология графа облигаций , Springer 2009 ISBN 1848828829 .
- Лео Лерой Беранек, Тим Меллоу, Акустика: звуковые поля и преобразователи , Academic Press, 2012 ISBN 0123914213 .