系统中的微波、毫米波电路和固体设备通常必须增加偏压,以确保一定的工作状态。因此,必须有偏压电路,通过偏压电路将直流或某些控制电压添加到固体设备上。
对直流偏置电路的要求与对隔直电路正好相反,需要导通直流,抑制VCO振荡频率附近的交流电流可以防止射频端输入阻抗不足造成的交流泄漏。简而言之,可以防止直流偏置电路影响交流电路各部分的阻抗特性。
通常采用的直流偏置电路形式有、,在这里,我们选择后者的变形,即,如图2.13所示。
如图2.13,B点为偏置电路与振荡电路的连接点,Rin输入阻抗为B点偏置电路,A点是微带上扇形开路短截线的接入点,Zload可理解为直流源内阻、旁路电容解为直流源内阻、旁路电容和轭流电感的总等效阻抗,r是扇形的半径。当r等于VC0,由于风扇弧边缘开路,振荡频率信号转换为A点应为短路,即右侧所有电路在A点旁路,右侧电源部分不再影响A点左侧电路。A、B长度等于上四分之一波导波长时,A点短路转换为B点为开路,即振荡频率信号,
以上分析是针对振荡频率作为点频率,实际振荡频率总是在一定频段内发生变化,即非理想点频率的振荡频率需要通过具有一定带宽的高输入阻抗偏置电路来保证。开路短截面为扇形,。设计时要注意选择更好的扇形角度,。馈入直流的微带一般采用
微带集成电路中最简单的偏压电路是λ/4分支线,电容块连接到终端,如图3-3(a)所示。由于电容块尺寸较大,可与波长相比,长度为四分之一的微带波长。分支线的特性阻抗很高,其长度也是微带线波长的四分之一。由于高阻和低阻段的微带阻抗不同,两段的宽度也有很大差异。
由于终端开路的低阻分支通过λ/4后为短路,即高频为零电位点,因此理论上在这里加偏压线对电路没有影响,因此偏压线在高低电阻微带的交接处加偏压线。然而,由于制造公差和工作频带的考虑,这一点并不理想。为了使偏压线的影响尽可能小,还将其制成高阻抗细线,以减少旁路效应。通过偏压线接入点λ/4高阻线到达主传输线时,会得到无限的大阻抗,对主线没有影响。当然,由于公差和频率偏离中心,上述理想情况与理论不一致。但由于线的特性阻抗很高,在主线处仍能得到较高的射频阻抗。
分支偏置具有结构简单的特点,可满足一般微带电路工程设计的要求。但其带宽有限,风扇接地结构常用于频带宽偏置电路,如图4-6所示(b)基本原理与分支线相似。但该结构具有带宽较宽、加工精度对性能影响较小的优点。
若取高阻线长度λ/4,风扇边缘与主线之间的距离很小,风扇块与主线之间的耦合必然会影响主线上电磁能量的传输。因此,这里的高阻线长度为3λ/4。
计算结果表明,,然而,为了不影响主线波的传输和设计目标中对输出功率的要求,最终选择高阻线的长度为3λ/4。从主线交接处断开偏置电路HFSS模拟输入阻抗并导入结果ADS的S1P数据项,计算其一端的总输入阻抗,计算所需频带内的端口输入阻抗模值大于600欧姆,对主线传输影响不大。
设计目标:主信号线传输频率为10GHz,微带线阻抗为100Ω
如上图所示:
①S31很小(小于负500)B),而且带宽很宽!说明主路射频信号在偏置线上几乎完全衰减,达到了目的。我们希望S31越小越好。
②S33很大,说明3端口的驻波很差,说明主路信号进入偏置电路口时几乎完全反射回来,不会从偏置电路泄漏,所以当射频信号通过偏置电路的节点时,衰减很小(如果S如果33相对较小,射频信号将从偏置电路泄漏,主路射频信号的功率将降低,但我们希望偏置电路对主路射频信号的影响尽可能小。例如,功分器是射频信号进入两个支路,因此每个支路的电平在主路的基础上下降3dB),也就是说,偏置电路对主路射频信号的传输影响不大。我们希望S33越大越好(即3端口的驻波越差越好),这样主路的射频信号就很难进入微带偏置支路,因为它们都被反射了。
③S21很大,说明主路插损很小,也就是说偏置电路对主路射频信号影响不大。当主路信号通过偏置电路的接口时,几乎没有功率损失。
④S11非常小,即1端口(主路输入端口)具有良好的驻波性能,这正是我们所需要的,表明射频信号在主路上很少反射,即传输良好。
①单根四分之一波长微带线的模拟
结论:采用单根四分之一波长高阻线微带时,S21很大(即对10G信号衰减很小),S11也不够理想。
②波长微带线的四分之一 模拟扇形微带线
上图是在没有任何优化模拟的情况下得到的结果。通过与上述比较,我们发现当使用单根四分之一波长的高阻线时,S21的损失很小;一旦同时加入四分之一波长的扇形微带,S21信号立即变大到21.6dB,S11也迅速降至0.121dB。
事实上,单根四分之一波长的高阻线相当于一个电感(RFC);四分之一波长扇形微带相当于接地电容器。这样,电感和电容器的组合就会产生谐振,形成10G带阻滤波器,这样S21的损失明显增加,在另一篇论文中,我看到作者通过高低阻抗带将直流偏置连接到主线。我认为这种情况适用于窄带电路;如果电路的工作带宽较宽,则选择四分之一的波长高阻线 四分之一波长扇形微带,因为它的带宽相对较宽(因为10G 和10.1G四分之一波长的物理长度不同,一般电路在带宽内工作)。