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。但在并聯應用中，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，具有開路點可連續自由移動的特性。這一特性是作者在分析并聯不同電抗元件的性能時，無意中發現的。

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，應考慮的一些設計問題。最后給出一個原理性設計的應用實例。

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LO=0，LS=λ/4時，A點就是λ/4線的開路點，當然呈現的就是開路特性，在A點的輸入電納BA為零。而當0＜LO＜λ/4;0＜LS＜λ/4時，λ/4傳輸線這時在任意點A所呈現的輸入電納是多少，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線的特性導納;β=2π/λ。

即開路特性。

其實用導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點是導納圓圖的開路點，S為短路點。波長數LO/λ的值X可以在0≤X＜0.25之間任意選擇。設 LO/λ=0.089(對應的電角度是32°)，LS/λ顯然應為0.25-0.089=0.161(對應的電角度是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tan32°的值);短路線的歸一化輸入電納為-0.625，(對應 tan58°的值)。因此在A點呈現的總歸一化電納等于零。

由以上分析可見:終端短路的λ/4傳輸線并聯到主傳輸線時，并聯點可接至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，可簡稱為“開路點可自由移動”的特性。

圖2 用導納圓圖圖解分析

2 應用與在設計中應考慮的一些問題

上述特性的典型應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性。利用“λ/4線的開路點可自由移動的特性”設計的直流偏置電路，可以較好地解決上述缺點，調試功能也較完善。在設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)，最終設計在哪點可根據具體排版情況確定。當放大器要求一定帶寬時，把sst線設計成固定長度，而把ost線設計為可調長度(可調范圍0～最長)。sst的長度設計為最高工作頻率fh的λh/4;而把ost+sst的總長度設計為最低工作頻率fL的λL/4。在實際調試時，我們通過調節開路線ost的長度，就可以在整個帶寬內確定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。在設計匹配電路時應考慮到這種影響，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，且當此二線段的總長度等于某頻率f0的λ/4時，就是該頻率的并聯諧振回路，而且可以通過調節開路線的長度來調節諧振頻率。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諧振電路，所以要求晶體管在諧振頻率處必須絕對穩定，而且在外電路中要徹底杜絕在此頻率的正反饋。

3 應用舉例

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”原理設計的。圖中的所有無源元件都設定為理想元件。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計成可調結構，便可通過方便的調試獲得最佳λ/4的頻率了。由于匹配電路的諸元件值是按點頻8.5GHz設計的原始數據，所以要滿足一定帶寬內的性能，對匹配電路元件值還需作進一步的CAD優化。

4 結束語

本文分析、論證了當終端短路的λ/4傳輸線在并聯使用時，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，有一些獨特的優點。這為窄帶微波放大器的DC偏置電路設計提供了一種新的設計選擇。

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