四分之一波长传输线开路点可自由移动的特性

许 洋 孙国仁

(中国电子科技集团公司第十三研究所 石家庄 050051)

0 引言

在进行微波放大器电路设计和仿真时，常用到λ/4传输线，由于λ/4传输线的独特性能，可以在微波电路中独立构成不同功能的微波元件，如“倒量器”、“谐振器”、“阻抗匹配器”、“开路器”、“短路器”等等。但在并联应用中，它还有一个很少有人知道的特性，即终端短路的λ/4传输线在并入主路时，具有开路点可连续自由移动的特性。这一特性是作者在分析并联不同电抗元件的性能时，无意中发现的。

本文用解析法和图解法分析上述特性，以论证其正确性。然后介绍该特性用于微带型有源微波电路的直流偏置电路时，应考虑的一些设计问题。最后给出一个原理性设计的应用实例。

1 分析与论证

图1为并入主路的终端短路的λ/4传输线电原理图。

将终端短路的λ/4传输线上的除了短路点外的任意一点(图1中A点)并联在主线上，A点就把λ/4传输线分成了终端开路线(ost)和终端短路线(sst)。(ost)和(sst)的长度分别为LO和LS。LO+LS=λ/4;LO和LS的可能范围是:

当LO=0，LS=λ/4时，A点就是λ/4线的开路点，当然呈现的就是开路特性，在A点的输入电纳BA为零。而当0＜LO＜λ/4;0＜LS＜λ/4时，λ/4传输线这时在任意点A所呈现的输入电纳是多少，下面进行分析。

图1 分析电路的电原理图

终端开路线的输入电纳BO呈容性，终端短路线的输入电纳BS呈感性。它们分别为:

式中:YC为λ/4线的特性导纳;β=2π/λ。

即开路特性。

其实用导纳圆图来图解分析会更简单，更形象化。图2画出了图解分析的情形。图中O点是导纳圆图的开路点，S为短路点。波长数LO/λ的值X可以在0≤X＜0.25之间任意选择。设 LO/λ=0.089(对应的电角度是32°)，LS/λ显然应为0.25-0.089=0.161(对应的电角度是58°)。由图2可看出在 A点，终端开路线的归一化输入电纳为0.625，(对应tan32°的值);短路线的归一化输入电纳为-0.625，(对应 tan58°的值)。因此在A点呈现的总归一化电纳等于零。

由以上分析可见:终端短路的λ/4传输线并联到主传输线时，并联点可接至λ/4传输线的任意一点(除短路点外)，在该点处的输入电纳均等于零，即处于开路状态，可简称为“开路点可自由移动”的特性。

图2 用导纳圆图图解分析

2 应用与在设计中应考虑的一些问题

上述特性的典型应用就是用于微带型窄带微波放大器的直流偏置电路。目前通常的用法是把终端微波短路(通过微波电容接地)的λ/4传输线直接并联到主路的某一点上。此接法的缺点是:在工作频率较低时λ/4传输线的长度太长，为版图布线带来麻烦。设计成弯曲线在一定程度上能缩短长度，但又同样占用的面积较大;另外一个缺点是终端微波短路的λ/4传输线长度没有可调性。利用“λ/4线的开路点可自由移动的特性”设计的直流偏置电路，可以较好地解决上述缺点，调试功能也较完善。在设计此电路时要考虑以下几个问题。

2.1 在点频和窄带时的情况，放大器在点频工作时，A点可为λ/4传输线的任意点(除终端短路点外)，最终设计在哪点可根据具体排版情况确定。当放大器要求一定带宽时，把sst线设计成固定长度，而把ost线设计为可调长度(可调范围0～最长)。sst的长度设计为最高工作频率fh的λh/4;而把ost+sst的总长度设计为最低工作频率fL的λL/4。在实际调试时，我们通过调节开路线ost的长度，就可以在整个带宽内确定λ/4传输线的最佳工作频率(f0)了。在窄带(如相对带宽小于3﹪)时DC偏置电路对主路的影响很小。

2.2 工作频率偏离f0时，ost+sst的总长度就不再是工作频率的λ/4了，A点的输入电纳BA≠0，而是一个容性或感性电纳。工作频率越远离f0，BA的绝对值就越大于零，微波与直流之间的隔离作用就越差，对主线A点的总电纳的影响就越大。所以工作带宽越宽，性能就会越差。在设计匹配电路时应考虑到这种影响，所以要求电路BW＞3﹪时，建议把sst线长和ost线长作为变量参与放大器电路一起进行CAD优化。

2.3 可以用于微波振荡器的谐振槽路。一条终端开路线和一条终端短路线并联，且当此二线段的总长度等于某频率f0的λ/4时，就是该频率的并联谐振回路，而且可以通过调节开路线的长度来调节谐振频率。所以它可以作为微波振荡器的谐振槽路。

2.4 既然放大器的直流偏置电路中接的是一个并联谐振电路，所以要求晶体管在谐振频率处必须绝对稳定，而且在外电路中要彻底杜绝在此频率的正反馈。

3 应用举例

图3是一个8.5GHz小信号线性放大器，它的直流偏置电路就是按本文所述“可移动的开路点”原理设计的。图中的所有无源元件都设定为理想元件。晶体管栅极偏置电路由开路线(传输线序号TL3)连接微波短路线(TL4通过微波电容C3接地)构成，其总长度为8.5GHz的λ/4(8.82mm);漏极偏置电路由开路线(TL7)连接微波短路线(TL8通过微波电容C4接地)构成，总长度也是8.5GHz的λ/4(8.82mm)。

图3 具有新型直流偏置电路的单级放大器原理电路图

图4是放大器没有接入偏置电路时的仿真结果。

图4 未接入DC偏置电路时的仿真特性

图5 接入DC偏置电路时的仿真特性

图5是接入偏置电路时的仿真结果(作了三种情况的仿真:a.开路线长度为零，短路线长度为8.82mm;b.开路线长度为 2mm，短路线长度为6.82mm;c.开路线长度为 4mm，短路线长度为4.82mm)。三种情况下的仿真结果几乎一样(如图5所示)。比较图4、图5的特性我们看出，接入这种DC偏置电路对放大器原匹配电路的影响很小，从而验证了接入这种DC偏置电路具有较好的开路特性。当我们用微带线工艺制作此放大器时，把DC偏置电路中的开路线设计成可调结构，便可通过方便的调试获得最佳λ/4的频率了。由于匹配电路的诸元件值是按点频8.5GHz设计的原始数据，所以要满足一定带宽内的性能，对匹配电路元件值还需作进一步的CAD优化。

4 结束语

本文分析、论证了当终端短路的λ/4传输线在并联使用时，具有“开路点可自由移动”的特性。把这一特性在用于微波有源电路的DC偏置电路时，有一些独特的优点。这为窄带微波放大器的DC偏置电路设计提供了一种新的设计选择。

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