四分之一波長傳輸線開路點可自由移動的特性

許 洋 孫國仁

(中國電子科技集團公司第十三研究所 石家莊 050051)

0 引言

在進行微波放大器電路設(shè)計和仿真時，常用到λ/4傳輸線，由于λ/4傳輸線的獨特性能，可以在微波電路中獨立構(gòu)成不同功能的微波元件，如“倒量器”、“諧振器”、“阻抗匹配器”、“開路器”、“短路器”等等。但在并聯(lián)應(yīng)用中，它還有一個很少有人知道的特性，即終端短路的λ/4傳輸線在并入主路時，具有開路點可連續(xù)自由移動的特性。這一特性是作者在分析并聯(lián)不同電抗元件的性能時，無意中發(fā)現(xiàn)的。

本文用解析法和圖解法分析上述特性，以論證其正確性。然后介紹該特性用于微帶型有源微波電路的直流偏置電路時，應(yīng)考慮的一些設(shè)計問題。最后給出一個原理性設(shè)計的應(yīng)用實例。

1 分析與論證

圖1為并入主路的終端短路的λ/4傳輸線電原理圖。

將終端短路的λ/4傳輸線上的除了短路點外的任意一點(圖1中A點)并聯(lián)在主線上，A點就把λ/4傳輸線分成了終端開路線(ost)和終端短路線(sst)。(ost)和(sst)的長度分別為LO和LS。LO+LS=λ/4;LO和LS的可能范圍是:

當(dāng)LO=0，LS=λ/4時，A點就是λ/4線的開路點，當(dāng)然呈現(xiàn)的就是開路特性，在A點的輸入電納BA為零。而當(dāng)0＜LO＜λ/4;0＜LS＜λ/4時，λ/4傳輸線這時在任意點A所呈現(xiàn)的輸入電納是多少，下面進行分析。

圖1 分析電路的電原理圖

終端開路線的輸入電納BO呈容性，終端短路線的輸入電納BS呈感性。它們分別為:

式中:YC為λ/4線的特性導(dǎo)納;β=2π/λ。

即開路特性。

其實用導(dǎo)納圓圖來圖解分析會更簡單，更形象化。圖2畫出了圖解分析的情形。圖中O點是導(dǎo)納圓圖的開路點，S為短路點。波長數(shù)LO/λ的值X可以在0≤X＜0.25之間任意選擇。設(shè) LO/λ=0.089(對應(yīng)的電角度是32°)，LS/λ顯然應(yīng)為0.25-0.089=0.161(對應(yīng)的電角度是58°)。由圖2可看出在 A點，終端開路線的歸一化輸入電納為0.625，(對應(yīng)tan32°的值);短路線的歸一化輸入電納為-0.625，(對應(yīng) tan58°的值)。因此在A點呈現(xiàn)的總歸一化電納等于零。

由以上分析可見:終端短路的λ/4傳輸線并聯(lián)到主傳輸線時，并聯(lián)點可接至λ/4傳輸線的任意一點(除短路點外)，在該點處的輸入電納均等于零，即處于開路狀態(tài)，可簡稱為“開路點可自由移動”的特性。

圖2 用導(dǎo)納圓圖圖解分析

2 應(yīng)用與在設(shè)計中應(yīng)考慮的一些問題

上述特性的典型應(yīng)用就是用于微帶型窄帶微波放大器的直流偏置電路。目前通常的用法是把終端微波短路(通過微波電容接地)的λ/4傳輸線直接并聯(lián)到主路的某一點上。此接法的缺點是:在工作頻率較低時λ/4傳輸線的長度太長，為版圖布線帶來麻煩。設(shè)計成彎曲線在一定程度上能縮短長度，但又同樣占用的面積較大;另外一個缺點是終端微波短路的λ/4傳輸線長度沒有可調(diào)性。利用“λ/4線的開路點可自由移動的特性”設(shè)計的直流偏置電路，可以較好地解決上述缺點，調(diào)試功能也較完善。在設(shè)計此電路時要考慮以下幾個問題。

2.1 在點頻和窄帶時的情況，放大器在點頻工作時，A點可為λ/4傳輸線的任意點(除終端短路點外)，最終設(shè)計在哪點可根據(jù)具體排版情況確定。當(dāng)放大器要求一定帶寬時，把sst線設(shè)計成固定長度，而把ost線設(shè)計為可調(diào)長度(可調(diào)范圍0～最長)。sst的長度設(shè)計為最高工作頻率fh的λh/4;而把ost+sst的總長度設(shè)計為最低工作頻率fL的λL/4。在實際調(diào)試時，我們通過調(diào)節(jié)開路線ost的長度，就可以在整個帶寬內(nèi)確定λ/4傳輸線的最佳工作頻率(f0)了。在窄帶(如相對帶寬小于3﹪)時DC偏置電路對主路的影響很小。

2.2 工作頻率偏離f0時，ost+sst的總長度就不再是工作頻率的λ/4了，A點的輸入電納BA≠0，而是一個容性或感性電納。工作頻率越遠離f0，BA的絕對值就越大于零，微波與直流之間的隔離作用就越差，對主線A點的總電納的影響就越大。所以工作帶寬越寬，性能就會越差。在設(shè)計匹配電路時應(yīng)考慮到這種影響，所以要求電路BW＞3﹪時，建議把sst線長和ost線長作為變量參與放大器電路一起進行CAD優(yōu)化。

2.3 可以用于微波振蕩器的諧振槽路。一條終端開路線和一條終端短路線并聯(lián)，且當(dāng)此二線段的總長度等于某頻率f0的λ/4時，就是該頻率的并聯(lián)諧振回路，而且可以通過調(diào)節(jié)開路線的長度來調(diào)節(jié)諧振頻率。所以它可以作為微波振蕩器的諧振槽路。

2.4 既然放大器的直流偏置電路中接的是一個并聯(lián)諧振電路，所以要求晶體管在諧振頻率處必須絕對穩(wěn)定，而且在外電路中要徹底杜絕在此頻率的正反饋。

3 應(yīng)用舉例

圖3是一個8.5GHz小信號線性放大器，它的直流偏置電路就是按本文所述“可移動的開路點”原理設(shè)計的。圖中的所有無源元件都設(shè)定為理想元件。晶體管柵極偏置電路由開路線(傳輸線序號TL3)連接微波短路線(TL4通過微波電容C3接地)構(gòu)成，其總長度為8.5GHz的λ/4(8.82mm);漏極偏置電路由開路線(TL7)連接微波短路線(TL8通過微波電容C4接地)構(gòu)成，總長度也是8.5GHz的λ/4(8.82mm)。

圖3 具有新型直流偏置電路的單級放大器原理電路圖

圖4是放大器沒有接入偏置電路時的仿真結(jié)果。

圖4 未接入DC偏置電路時的仿真特性

圖5 接入DC偏置電路時的仿真特性

圖5是接入偏置電路時的仿真結(jié)果(作了三種情況的仿真:a.開路線長度為零，短路線長度為8.82mm;b.開路線長度為 2mm，短路線長度為6.82mm;c.開路線長度為 4mm，短路線長度為4.82mm)。三種情況下的仿真結(jié)果幾乎一樣(如圖5所示)。比較圖4、圖5的特性我們看出，接入這種DC偏置電路對放大器原匹配電路的影響很小，從而驗證了接入這種DC偏置電路具有較好的開路特性。當(dāng)我們用微帶線工藝制作此放大器時，把DC偏置電路中的開路線設(shè)計成可調(diào)結(jié)構(gòu)，便可通過方便的調(diào)試獲得最佳λ/4的頻率了。由于匹配電路的諸元件值是按點頻8.5GHz設(shè)計的原始數(shù)據(jù)，所以要滿足一定帶寬內(nèi)的性能，對匹配電路元件值還需作進一步的CAD優(yōu)化。

4 結(jié)束語

本文分析、論證了當(dāng)終端短路的λ/4傳輸線在并聯(lián)使用時，具有“開路點可自由移動”的特性。把這一特性在用于微波有源電路的DC偏置電路時，有一些獨特的優(yōu)點。這為窄帶微波放大器的DC偏置電路設(shè)計提供了一種新的設(shè)計選擇。

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