許 洋 孫國(guó)仁

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 石家莊 050051)

0 引言

在進(jìn)行微波放大器電路設(shè)計(jì)和仿真時(shí)，常用到λ/4傳輸線，由于λ/4傳輸線的獨(dú)特性能，可以在微波電路中獨(dú)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(gè)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(shí)，具有開路點(diǎn)可連續(xù)自由移動(dòng)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(shí)，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(shí)，應(yīng)考慮的一些設(shè)計(jì)問題。最后給出一個(gè)原理性設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)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(diǎn)外的任意一點(diǎn)(圖1中A點(diǎn))并聯(lián)在主線上，A點(diǎn)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(zhǎng)度分別為L(zhǎng)O和LS。LO+LS=λ/4;LO和LS的可能范圍是:

當(dāng)LO=0，LS=λ/4時(shí)，A點(diǎn)就是λ/4線的開路點(diǎn)，當(dāng)然呈現(xiàn)的就是開路特性，在A點(diǎn)的輸入電納BA為零。而當(dāng)0＜LO＜λ/4;0＜LS＜λ/4時(shí)，λ/4傳輸線這時(shí)在任意點(diǎn)A所呈現(xiàn)的輸入電納是多少，下面進(jìn)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(shí)用導(dǎo)納圓圖來圖解分析會(huì)更簡(jiǎn)單，更形象化。圖2畫出了圖解分析的情形。圖中O點(diǎn)是導(dǎo)納圓圖的開路點(diǎn)，S為短路點(diǎn)。波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的電角度是32°)，LS/λ顯然應(yīng)為0.25-0.089=0.161(對(duì)應(yīng)的電角度是58°)。由圖2可看出在 A點(diǎn)，終端開路線的歸一化輸入電納為0.625，(對(duì)應(yīng)tan32°的值);短路線的歸一化輸入電納為-0.625，(對(duì)應(yīng) tan58°的值)。因此在A點(diǎn)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(shí)，并聯(lián)點(diǎn)可接至λ/4傳輸線的任意一點(diǎn)(除短路點(diǎn)外)，在該點(diǎn)處的輸入電納均等于零，即處于開路狀態(tài)，可簡(jiǎn)稱為“開路點(diǎn)可自由移動(dòng)”的特性。

圖2 用導(dǎo)納圓圖圖解分析

2 應(yīng)用與在設(shè)計(jì)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(diǎn)上。此接法的缺點(diǎn)是:在工作頻率較低時(shí)λ/4傳輸線的長(zhǎng)度太長(zhǎng)，為版圖布線帶來麻煩。設(shè)計(jì)成彎曲線在一定程度上能縮短長(zhǎng)度，但又同樣占用的面積較大;另外一個(gè)缺點(diǎn)是終端微波短路的λ/4傳輸線長(zhǎng)度沒有可調(diào)性。利用“λ/4線的開路點(diǎn)可自由移動(dòng)的特性”設(shè)計(jì)的直流偏置電路，可以較好地解決上述缺點(diǎn)，調(diào)試功能也較完善。在設(shè)計(jì)此電路時(shí)要考慮以下幾個(gè)問題。

2.1 在點(diǎn)頻和窄帶時(shí)的情況，放大器在點(diǎn)頻工作時(shí)，A點(diǎn)可為λ/4傳輸線的任意點(diǎn)(除終端短路點(diǎn)外)，最終設(shè)計(jì)在哪點(diǎn)可根據(jù)具體排版情況確定。當(dāng)放大器要求一定帶寬時(shí)，把sst線設(shè)計(jì)成固定長(zhǎng)度，而把ost線設(shè)計(jì)為可調(diào)長(zhǎng)度(可調(diào)范圍0～最長(zhǎng))。sst的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為最高工作頻率fh的λh/4;而把ost+sst的總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為最低工作頻率fL的λL/4。在實(shí)際調(diào)試時(shí)，我們通過調(diào)節(jié)開路線ost的長(zhǎng)度，就可以在整個(gè)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(duì)帶寬小于3﹪)時(shí)DC偏置電路對(duì)主路的影響很小。

2.2 工作頻率偏離f0時(shí)，ost+sst的總長(zhǎng)度就不再是工作頻率的λ/4了，A點(diǎn)的輸入電納BA≠0，而是一個(gè)容性或感性電納。工作頻率越遠(yuǎn)離f0，BA的絕對(duì)值就越大于零，微波與直流之間的隔離作用就越差，對(duì)主線A點(diǎn)的總電納的影響就越大。所以工作帶寬越寬，性能就會(huì)越差。在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)應(yīng)考慮到這種影響，所以要求電路BW＞3﹪時(shí)，建議把sst線長(zhǎng)和ost線長(zhǎng)作為變量參與放大器電路一起進(jìn)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(zhǎng)度等于某頻率f0的λ/4時(shí)，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(zhǎng)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(gè)并聯(lián)諧振電路，所以要求晶體管在諧振頻率處必須絕對(duì)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(gè)8.5GHz小信號(hào)線性放大器，它的直流偏置電路就是按本文所述“可移動(dòng)的開路點(diǎn)”原理設(shè)計(jì)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(hào)TL3)連接微波短路線(TL4通過微波電容C3接地)構(gòu)成，其總長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)放大器原理電路圖

圖4是放大器沒有接入偏置電路時(shí)的仿真結(jié)果。

圖4 未接入DC偏置電路時(shí)的仿真特性

圖5 接入DC偏置電路時(shí)的仿真特性

圖5是接入偏置電路時(shí)的仿真結(jié)果(作了三種情況的仿真:a.開路線長(zhǎng)度為零，短路線長(zhǎng)度為8.82mm;b.開路線長(zhǎng)度為 2mm，短路線長(zhǎng)度為6.82mm;c.開路線長(zhǎng)度為 4mm，短路線長(zhǎng)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(duì)放大器原匹配電路的影響很小，從而驗(yàn)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(shí)，把DC偏置電路中的開路線設(shè)計(jì)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(diǎn)頻8.5GHz設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)，所以要滿足一定帶寬內(nèi)的性能，對(duì)匹配電路元件值還需作進(jìn)一步的CAD優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)，具有“開路點(diǎn)可自由移動(dòng)”的特性。把這一特性在用于微波有源電路的DC偏置電路時(shí)，有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。這為窄帶微波放大器的DC偏置電路設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)選擇。

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