扇形电容半径究竟多大？ 留言

扇形电容阻抗需求

扇形电容的结构是由两个板板构成的平行板电容，只不过有个极板是地平面，地平面的面积不限（没有画出来），远大于扇形面积。

先看用于射频放大器的BiasTee滤波电路，工程上的需求是啥？

看下图，从BiasTee滤波电路的三岔口向上看，Zin = ∞。以使电源支路对射频主信号线阻抗影响最小。

根据λ/4传输线的阻抗变换性质，那么就要求扇形电容的圆心位置对地阻抗为零，Zc = 0

理论上要求扇形电容圆心阻抗为零，但实际上可能做不到，因为扇形电容面积有限、扇形电容两个板板间距也不能永远接近于零。

对于滤波电路来说，很小的对地容抗当然能用于滤波，很小的对地感抗也能用于滤波。

 

建模仿真

岛主又在为海飞丝（HFSS）代言了。建模如下：

上左图是一根传输线，长度等于扇形半径，r=200mil，是为了看清楚电长度（相位）的。

上右图是扇形电容，张角为60度。扇形半径r=200mil。

采用RO4350B介质，介质厚度10mil。

仿真得到扇形电容圆心处的等效阻抗Zc如下：

注意看上图粗的绿色线，表示Zc的模值，居然与常规的贴片电容阻抗曲线很类似！

大家如果做过PI仿真，就知道贴片电容由于有串联的分布电感，所以阻抗曲线很象上图的V形绿色线。

这种曲线，说明了扇形电容其实等效于LC串联谐振电路！

从虚部曲线也能看出，随着频率的升高，虚部从负值变为正值，过零点在4.8GHz附近。说明谐振频率在4.8GHz。——但还不是贴片天线。因为实部几乎为零，意味着辐射电阻不大。

再看左图那根传输线的相位有多少，确认4.8GHz时的电长度：

说明扇形半径r = 200mil的在4.8GHz频点的等效电长度为52度。比λ/8（也就是45度）稍微多一点。

真正的45度位置，对应的频点是4.2GHz。而此频点的阻抗对应的阻抗是4.4欧姆，可能也就勉强用于电源滤波。

 

定性解释

那么间接说明文章开头的判断是正确的：从扇形电容圆心看等效阻抗，比λ/8远的那部分平板电容，其实已经开始变换为电感了！此电感与电容形成LC串联谐振电路，因此才会出现V形阻抗曲线。

至少在上面的模型仿真中，扇形电容半径r = λ/4是错误的。因为从阻抗曲线中可以看出，λ/4对应的频点9GHz的Xc=20欧。

观察这个V形阻抗曲线，假如要求电源阻抗Xc低至2欧甚至1欧，扇形电容阻抗带宽有点窄。——下一篇文章会对射频电路的电源滤波Xc有个定量分析。

 

阻抗曲线带宽指标优化

增大扇形平板电容容量，例如减小平行极板间距就可实现（过程略）；

或者将扇形张角增大到120度，或者2*120度：

再对比结果：

显然张角越大，则扇形电容阻抗Xc的带宽越宽。

张角60度、120度、2*120度，所对应的谐振频点分别是4.8GHz、4.3GHz、3.9GHz。

虽然扇形平板电容容量跨度有4倍，但阻抗Xc最低的谐振频点变化不大，Xc最低值对应的频点跨度约20%。

 

结论

扇形电容半径r = λ/4是错误的。

扇形电容半径r ≈ λ/8，等效于串联LC谐振电路的滤波效果。

在r ≈ λ/8的前提下，扇形张角越大，则滤波效果越好。

 

原文始发于微信公众号（看图说RF）：023_扇形电容半径究竟多大？