ポート（回路理論）

電気回路理論では、ポートとは、電気ネットワークまたは回路を外部回路に接続する一対の端子であり、電気エネルギーの入口または出口として機能します。ポートは、ポート条件を満たす外部回路に接続された 2 つのノード(端子)で構成されます。2 つのノードに流入する電流は等しく、反対方向である必要があります。

ポートを使用すると、回路解析の複雑さを軽減できます。トランジスタ、トランス、電子フィルタ、アンプなどの一般的な電子デバイスや回路ブロックの多くは、ポートの観点から解析されます。マルチポート ネットワーク解析では、回路はポートを介して外界に接続された「ブラック ボックス」と見なされます。ポートは、入力信号が適用されるか、出力信号が取得されるポイントです。その動作は、ポートの電圧と電流に関連するパラメーターのマトリックスによって完全に指定されるため、回路の内部構成や設計は、適用された信号に対する回路の応答を決定する際に考慮する必要はなく、知る必要さえありません。

ポートの概念は導波管に拡張できますが、電流の観点からの定義は適切ではなく、複数の導波管モードが存在する可能性があることを考慮する必要があります。

外部回路に接続できる回路のノードは、ポール（または物理的なオブジェクトの場合はターミナル）と呼ばれます。ポート条件とは、回路のポールのペアがポートと見なされるのは、回路の外部から一方のポールに流入する電流が、もう一方のポールから外部回路に流出する電流と等しい場合のみです。同様に、外部回路から 2 つのポールに流入する電流の代数和はゼロでなければなりません。^[1]

回路自体の内部特性を分析しても、一対のノードがポート条件を満たしているかどうかを判断することはできません。ポート条件は、回路の外部接続に完全に依存します。ある外部状況下でポートであるものが、別の外部状況下ではポートではない可能性があります。たとえば、図の 4 つの抵抗器の回路を考えてみましょう。発電機が極ペア (1、2) と (3、4) に接続されている場合、これら 2 つのペアはポートであり、回路はボックス減衰器です。一方、発電機が極ペア (1、4) と (2、3) に接続されている場合、これらのペアはポートであり、ペア (1、2) と (3、4) はポートではなくなり、回路はブリッジ回路です。

入力を配置して、どの極ペアもポート条件を満たさないようにすることも可能です。ただし、1 つ以上の極を、同じノードに結合された複数の個別の極に分割することで、このような回路に対処することができます。各極 (分割極かどうかに関係なく) に 1 つの外部ジェネレータターミナルのみが接続されている場合、回路は再びポートの観点から分析できます。このタイプの最も一般的な配置は、n極回路の 1 つの極を共通として指定し、それをn −1 極に分割することです。この後者の形式は、不平衡回路トポロジに特に役立ち、結果として得られる回路にはn −1 個のポートがあります。

最も一般的なケースでは、すべての極のペア、つまりⁿ C _{2 個の}発電機に接続された発電機を持つことが可能ですが、すべての極はn −1 個の極に分割される必要があります。たとえば、図の例 (c) では、極 2 と 4 がそれぞれ 2 つの極に分割されている場合、回路は 3 ポートとして記述できます。ただし、発電機を極のペア(1, 3)、(1, 4)、および(3, 2)に接続して、合計⁴ C ₂ = 6 個の発電機にすることも可能であり、回路は 6 ポートとして扱う必要があります。

キルヒホッフの電流法則により、2極回路は必ずポート条件を満たすため、無条件に1ポートとなります。^[1] すべての基本的な電気素子（インダクタ、抵抗器、コンデンサ、電圧源、電流源）は1ポートデバイスです。

1ポートの研究はネットワーク合成の基礎の重要な部分であり、特にフィルタ設計において重要です。2要素1ポート（RC、RL、LC回路）は一般的な場合よりも合成が容易です。2要素1ポートの場合、フォスターの標準形またはカウアーの標準形を使用できます。特に、LC回路は損失がなく、フィルタ設計でよく使用されるため研究されています。^[2]

線形 2 ポート ネットワークは広く研究されており、それらを表現する多数の方法が開発されてきました。これらの表現の 1 つは、次の行列形式で記述できる z パラメーターです。

${\displaystyle {\begin{bmatrix}V_{1}\\V_{2}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}z_{11}&z_{12}\\z_{21}&z_{22}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}I_{1}\\I_{2}\end{bmatrix}}}$

ここで、V _nとI _{n は}それぞれポートnの電圧と電流です。2ポートの他の記述のほとんどは、電圧と電流の列ベクトルの配置が異なる同様の行列で記述できます。

2 ポートの一般的な回路ブロックには、増幅器、減衰器、フィルタなどがあります。

一般に、回路は任意の数のポート（マルチポート）で構成できます。2 ポート パラメータ表現の一部（すべてではありません）は、任意のマルチポートに拡張できます。電圧と電流に基づくマトリックスのうち、拡張可能なのは z パラメータとy パラメータです。これらはどちらもマイクロ波周波数での使用には適していません。電圧と電流は導体を使用する形式では測定しにくく、導波管形式ではまったく関係がないためです。代わりに、これらの周波数ではs パラメータが使用され、これも任意の数のポートに拡張できます。^[3]

2 つ以上のポートを持つ回路ブロックには、方向性結合器、電力分割器、サーキュレータ、ダイプレクサ、デュプレクサ、マルチプレクサ、ハイブリッド、方向性フィルタなどがあります。

RFおよびマイクロ波回路トポロジーは、一般的に同軸やマイクロストリップなどの不平衡回路トポロジーです。これらの形式では、回路内の各ポートの 1 つの極がグランドプレーンなどの共通ノードに接続されます。回路解析では、これらの共通極はすべて同じ電位にあり、電流はグランドプレーンに供給または流入し、その電流はポートのもう一方の極に流入する電流と等しく反対であると想定されます。このトポロジーでは、ポートは単一の極として扱われます。対応する平衡極はグランドプレーンに組み込まれていると想定されます。^[4]

グランド プレーンのループ電流が著しく大きい場合、ポートの 1 極表現は機能しなくなります。このモデルでは、グランド プレーンが完全に導電性であり、グランド プレーン上の 2 つの場所の間に電位差がないことが前提となっています。実際には、グランド プレーンは完全に導電性ではなく、グランド プレーン内のループ電流によって電位差が生じます。2 つのポートの共通極間に電位差がある場合、ポート条件は破綻し、モデルは無効になります。

ポートの概念は導波管デバイスにも拡張できますが、導波管では電磁波は電気導体によって誘導されないため、ポートを回路極の観点から定義することはできなくなりました。電磁波は導波管の壁によって誘導されます。したがって、この形式では回路導体極の概念は存在しません。導波管のポートは、電磁波が通過できる導波管の開口部または切れ目から構成されます。波が通過する境界面がポートの定義です。^[4]

導波管のポート解析では、複数の導波モードが同時に存在する可能性がある（場合によっては望ましい）という点で、さらに複雑になります。このような場合、各物理ポートごとに、その物理ポートに存在する各モードごとに個別のポートを解析モデルに追加する必要があります。^[5]

ポートの概念は、他のエネルギー領域にも拡張できます。ポートの一般的な定義は、エネルギーが 1 つの要素またはサブシステムから別の要素またはサブシステムに流れることができる場所です。^[6] ポートの概念のこの一般的な見方は、ポート条件が電気解析でそのように定義されている理由を説明するのに役立ちます。例の図 (c) のように、電流の代数和がゼロでない場合、外部ジェネレータから供給されるエネルギーは、回路極のペアに入るエネルギーと等しくありません。したがって、その場所でのエネルギー転送は、1 つのサブシステムから別のサブシステムへの単純な流れよりも複雑であり、ポートの一般的な定義を満たしません。

ポートの概念は、複数のエネルギー領域が同じシステムに関係し、機械-電気アナロジーやボンドグラフ解析などの統一された一貫した解析が必要な場合に特に役立ちます。^{[7]エネルギー領域間の接続は、}トランスデューサ によって行われます。トランスデューサは、電気領域から見ると 1 ポートですが、ポートのより一般的な定義では2 ポートです。たとえば、機械アクチュエータには、電気領域に 1 つのポートがあり、機械領域に 1 つのポートがあります。^[6] トランスデューサは、電気 2 ポートと同じ方法で 2 ポート ネットワークとして解析できます。つまり、一対の線形代数方程式または 2×2伝達関数マトリックスを使用します。ただし、2 つのポートの変数は異なり、2 ポート パラメータは 2 つのエネルギー領域の混合になります。たとえば、アクチュエータの例では、z パラメータには、1 つの電気インピーダンス、1 つの機械インピーダンス、および 1 つの電気変数と 1 つの機械変数の比である 2 つのトランスインピーダンスが含まれます。^[8]

• Won Y. Yang、Seung C. Lee、「MATLAB および PSpice を使用した回路システム」、John Wiley & Sons、2008 年ISBN  0470822406。
• Frank Gustrau、『RF およびマイクロ波エンジニアリング: ワイヤレス通信の基礎』、John Wiley & Sons、2012 年ISBN 111834958X。 
• Peter Russer、『通信工学のための電磁気学、マイクロ波回路、アンテナ設計』、Artech House、2003年、ISBN 1580535321。 
• Herbert J. Carlin、Pier Paolo Civalleri、「Wideband Circuit Design」、CRC Press、1997年ISBN 0849378974。 
• Dean Karnopp、Donald L. Margolis、Ronald C. Rosenberg、『System Dynamics』、Wiley、2000年、ISBN 0471333018。 
• Wolfgang Borutzky、Bond Graph Methodology、Springer 2009 ISBN 1848828829。 
• Leo Leroy Beranek、Tim Mellow、「Acoustics: Sound Fields and Transducers」、Academic Press、2012年ISBN 0123914213。