微波电子线路之集总参数元件(1)
模拟电子电路设计，随着追求更高的频率、带宽、传输速率，电子线路的工作频率越来越高，"电路理论"的分析方法逐渐失效，分析设计逐渐过渡到"微波网络"和"场"的分析设计，"微波网络"是一种将"路"与"场"结合的分析设计方法，在微波电子线路设计中广泛使用。"微波网络"里用得最多的是[S]参数、[T]参数、[A]转移参量参数。微波电子线路，也有叫微波固态电路、微波有源电路、微带电路，其研究射频微波频段的各种放大器、混频器、振荡器、频率变换器、微波集成电路等的分析与设计，其与低频的模拟电路、高频电路的设计分析方法很不一样，我们将推出一系列推文介绍射频微波频段的电路仿真与设计知识和心得。
首先，还是从微波频段的无源元件开始；微波频段的无源器件大都是利用传输线的不连续性来实现的，即故意设计某些传输线的不连续性来"模拟等效"低频电路里的集总参数元件的特性，只要有了这些基本的电阻、电容、电感、串联谐振、并联谐振元件…，加上微波有源器件，就可构成形形色色各种微波电子线路，例如：
对于微波电子电路的设计，Keysight的genesys和Cadence的AWR都是非常不错的EDA软件。
首先来看看常用的集总参数元件如何用微带线来实现？
注意：
- 传输线特征阻抗Z0越大，L就越大，C就越小，当C小到可以忽略时，PI网络就变成了串联电感了,所以串联电感可以用高阻抗传输线来实现
- 传输线特征阻抗Z0越小，L就越小，C就越大，当L小到可以忽略时，PI网络就变成了并联电容了,所以并联电容可以用低阻抗传输线来实现
对于T型网络，利用前述PI型网络相同的分析：A转移产生等效，也可以用一段不同长度的微带线来等效，可得
结论类似PI网络等效：并联电容可以用低阻抗传输线来实现，串联电感可以用高阻抗传输线来实现
所以: - 一段主传输线的特征阻抗越大，越可以等效为串联电感
2）一段主传输线的特征阻抗越小，越可以等效为并联电容
二、上述是使用传输线主线来等效电容电感，更多时候还是使用微带支线来等效电感与电容：
根据传输线理论，无耗传输线的输入阻抗为：
1）并联电感
长度L小于1/4波长的终端短路传输线的输入阻抗具有电感性质，而且电感量与传输线的特性阻抗成正比关系（假定传输线无耗）
2）并联电容
长度L小于1/4波长的终端开路传输线的输入阻抗具有电容性质
3）并联于主线的LC串联谐振
L1是高阻抗线(如前所述其可等效为电感)，L2是终端开路的低阻抗线，可以等效为电容
4）并联于主线的LC并联谐振
©是分别在主线上并联了终端短路的高阻抗传输线(等效为电感)和终端开路的低阻抗线(等效为电容)
(b）图的主线上部是长度小于1/4波长的终端开路传输线，具有电容特性；主线下部是长度小于1/2波长、大于1/4波长的终端开路传输线，具有电感特性；
传输线的阻抗特性是每隔1/2波长重复，每隔1/4波长反型(电容变电感，电感变电容)，所以主线下部用开路线等效电感时长度应该在1/4波长~1/2波长之间。
三、微带缝隙电容
其等效电路如下：
四、微带交指电容
其等效电路如下：
五、平面螺旋电感
其等效电路如下：
（三~五)没有给出计算公式，因为这类计算公式都十分复杂、同时精度不高，都是无法用手算的，工程应用中可以借助EDA软件计算，例如应用ADS求出其[S]参数，再转化为[A]参数，就可在某频率下求出对应等效模型的参数值，其实这么做几乎没有意义，因为所有等效参数都是频率的函数，计算在设计中只是一个优化的大概方向的指引，更多的时候对于这种随频率时刻在变换的参数，基本无法用于手工设计，多数情况下可以根据模型估算电路结构，而确定电路结构的功能和性质，把握大的方向，然后借助EDA软件计算所有频率下的[S]散射参数特性，例如前图的主线上并联LC谐振，你掌握了这种两种微带分支结构在一定条件下是可以构成LC谐振的，则将来需要LC谐振电路结构时，就可以在设计中加入此结构，关于其精确特性与参数则可借助ADS软件来数值计算获得。
微波射频有源电路的设计与低频模拟电路设计完全不同，微波射频有源电路基本上不可能有理论上的输入输出解析公式(而低频模拟电路我们是可以精确写出其输入输出的解析表达式的)，因而微波射频有源电路很难通过计算公式来评估性能和特性，只能根据元件等效特性来把握电路性能大而粗略的方向，然后借助EDA数值计算[S]散射参数来评估电路性能，对于电路的改进优化，也是设计者根据自己的经验和对微带等效模型的把握，提出方向性的改进优化策略，然后通过EDA软件去精确化仿真验证。这一切都源于电磁场求解的复杂性和很多情况下并无解析解！所以掌握微带等效模型是很关键的，熟练使用微波EDA软件也是非常关键的，两者缺一不可。
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