常用的集總參數(shù)元件如何用微帶線來實現(xiàn)？

模擬電子電路設(shè)計，隨著追求更高的頻率、帶寬、傳輸速率，電子線路的工作頻率越來越高，"電路理論"的分析方法逐漸失效，分析設(shè)計逐漸過渡到"微波網(wǎng)絡(luò)"和"場"的分析設(shè)計，"微波網(wǎng)絡(luò)"是一種將"路"與"場"結(jié)合的分析設(shè)計方法，在微波電子線路設(shè)計中廣泛使用。"微波網(wǎng)絡(luò)"里用得最多的是[S]參數(shù)、[T]參數(shù)、[A]轉(zhuǎn)移參量參數(shù)。微波電子線路，也有叫微波固態(tài)電路、微波有源電路、微帶電路，其研究射頻微波頻段的各種放大器、混頻器、振蕩器、頻率變換器、微波集成電路等的分析與設(shè)計，其與低頻的模擬電路、高頻電路的設(shè)計分析方法很不一樣，我們將推出一系列推文介紹射頻微波頻段的電路仿真與設(shè)計知識和心得。

首先，還是從微波頻段的無源元件開始；微波頻段的無源器件大都是利用傳輸線的不連續(xù)性來實現(xiàn)的，即故意設(shè)計某些傳輸線的不連續(xù)性來"模擬等效"低頻電路里的集總參數(shù)元件的特性，只要有了這些基本的電阻、電容、電感、串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振元件....，加上微波有源器件，就可構(gòu)成形形色色各種微波電子線路，

對于微波電子電路的設(shè)計，Keysight的genesys和Cadence的AWR都是非常不錯的EDA軟件。

首先來看看常用的集總參數(shù)元件如何用微帶線來實現(xiàn)？

一、使用微帶主線來等效電容電感

注意：

1. 傳輸線特征阻抗Z0越大，L就越大，C就越小，當(dāng)C小到可以忽略時，PI網(wǎng)絡(luò)就變成了串聯(lián)電感了,所以串聯(lián)電感可以用高阻抗傳輸線來實現(xiàn)
2. 傳輸線特征阻抗Z0越小，L就越小，C就越大，當(dāng)L小到可以忽略時，PI網(wǎng)絡(luò)就變成了并聯(lián)電容了,所以并聯(lián)電容可以用低阻抗傳輸線來實現(xiàn)

對于T型網(wǎng)絡(luò)，利用前述PI型網(wǎng)絡(luò)相同的分析：A轉(zhuǎn)移產(chǎn)生等效，也可以用一段不同長度的微帶線來等效，可得

結(jié)論類似PI網(wǎng)絡(luò)等效：并聯(lián)電容可以用低阻抗傳輸線來實現(xiàn)，串聯(lián)電感可以用高阻抗傳輸線來實現(xiàn)

所以:

1. 一段主傳輸線的特征阻抗越大，越可以等效為串聯(lián)電感

2）一段主傳輸線的特征阻抗越小，越可以等效為并聯(lián)電容

二、上述是使用傳輸線主線來等效電容電感，更多時候還是使用微帶支線來等效電感與電容：

根據(jù)傳輸線理論，無耗傳輸線的輸入阻抗為：

1）并聯(lián)電感

長度L小于1/4波長的終端短路傳輸線的輸入阻抗具有電感性質(zhì)，而且電感量與傳輸線的特性阻抗成正比關(guān)系（假定傳輸線無耗）

2）并聯(lián)電容

長度L小于1/4波長的終端開路傳輸線的輸入阻抗具有電容性質(zhì)

3）并聯(lián)于主線的LC串聯(lián)諧振

L1是高阻抗線(如前所述其可等效為電感)，L2是終端開路的低阻抗線，可以等效為電容

4）并聯(lián)于主線的LC并聯(lián)諧振

(c)是分別在主線上并聯(lián)了終端短路的高阻抗傳輸線(等效為電感)和終端開路的低阻抗線(等效為電容)

(b）圖的主線上部是長度小于1/4波長的終端開路傳輸線，具有電容特性；主線下部是長度小于1/2波長、大于1/4波長的終端開路傳輸線，具有電感特性；

傳輸線的阻抗特性是每隔1/2波長重復(fù)，每隔1/4波長反型(電容變電感，電感變電容)，所以主線下部用開路線等效電感時長度應(yīng)該在1/4波長~1/2波長之間。

三、微帶縫隙電容

其等效電路如下，：

四、微帶交指電容

其等效電路如下：

五、平面螺旋電感

其等效電路如下：

（三~五)沒有給出計算公式，因為這類計算公式都十分復(fù)雜、同時精度不高，都是無法用手算的，工程應(yīng)用中可以借助EDA軟件計算，例如應(yīng)用ADS求出其[S]參數(shù)，再轉(zhuǎn)化為[A]參數(shù)，就可在某頻率下求出對應(yīng)等效模型的參數(shù)值，其實這么做幾乎沒有意義，因為所有等效參數(shù)都是頻率的函數(shù)，計算在設(shè)計中只是一個優(yōu)化的大概方向的指引，更多的時候?qū)τ谶@種隨頻率時刻在變換的參數(shù)，基本無法用于手工設(shè)計，多數(shù)情況下可以根據(jù)模型估算電路結(jié)構(gòu)，而確定電路結(jié)構(gòu)的功能和性質(zhì)，把握大的方向，然后借助EDA軟件計算所有頻率下的[S]散射參數(shù)特性，例如前圖的主線上并聯(lián)LC諧振，你掌握了這種兩種微帶分支結(jié)構(gòu)在一定條件下是可以構(gòu)成LC諧振的，則將來需要LC諧振電路結(jié)構(gòu)時，就可以在設(shè)計中加入此結(jié)構(gòu)，關(guān)于其精確特性與參數(shù)則可借助ADS軟件來數(shù)值計算獲得。

微波射頻有源電路的設(shè)計與低頻模擬電路設(shè)計完全不同，微波射頻有源電路基本上不可能有理論上的輸入輸出解析公式(而低頻模擬電路我們是可以精確寫出其輸入輸出的解析表達(dá)式的)，因而微波射頻有源電路很難通過計算公式來評估性能和特性，只能根據(jù)元件等效特性來把握電路性能大而粗略的方向，然后借助EDA數(shù)值計算[S]散射參數(shù)來評估電路性能，對于電路的改進(jìn)優(yōu)化，也是設(shè)計者根據(jù)自己的經(jīng)驗和對微帶等效模型的把握，提出方向性的改進(jìn)優(yōu)化策略，然后通過EDA軟件去精確化仿真驗證。這一切都源于電磁場求解的復(fù)雜性和很多情況下并無解析解！所以掌握微帶等效模型是很關(guān)鍵的，熟練使用微波EDA軟件也是非常關(guān)鍵的，兩者缺一不可。