一文讲透什么是射频偏置器BiasTee

偏置器（Bias Tee）是一类关键器件，主要用既要传输射频/微波信号、又需要加直流供电的器件馈直流电，最典型的应用就是需要直流供电的射频放大器。

窄带场景下，只要留意元器件的自谐振频率（SRF），偏置器的设计和制作都比较简单。但在宽带应用中，偏置器设计和实现难度很大，想要做出高性能、指标合格的产品，必须重点把控元器件本身的特性。

一、射频偏置器的基本功能

只要需要给射频走线叠加直流偏置电压，就会用到偏置器。在远端射频设备中非常常用：从体积和成本角度，直接利用同轴线内导体传输直流、给远端设备供电，远比单独拉一根供电线缆更划算。这类远端系统里用的偏置器，大多是高性能、带射频接头的模块化产品。

另外在高密度射频/微波/毫米波电路板的本地电路中也大量使用，板上会集成几十颗偏置器，每颗只占用几平方毫米面积。

两款同规格超宽带（1.5～28GHz）偏置器对比：MMIC集成偏置器，带接头封装的偏置器。

下图给出了偏置器的基础电路结构。最简易的偏置器仅由两个元器件构成：一只电感、一只电容。直流电压经电感L接入偏置器，汇入横向穿过T型节点的射频主线。隔直电容C用来阻隔射频线路左侧的直流，不让其流到线路右侧。

别看只用两个器件显得很简陋，几十年来一直都有仅用一个电感、一个电容设计的偏置器，窄带应用里尤为常见。

原理其实很简单：频率越低，电感感抗jωL越小；到直流时（ω=0rad/s），电感相当于短路，阻抗为0Ω。在射频工作频率下，要把电感感抗设计得足够大，近似开路（至少比50Ω大一个数量级）。这样一来，电感既能把直流馈入射频主线，又能最大限度不扰动射频信号、减小插入损耗。

隔直电容顾名思义，作用是阻隔直流，防止直流流到射频输出端口以及后级电路。为了让射频信号顺利通过，要选合适容值，使电容容抗1/jωC在工作频率下足够小（至少比50Ω小一个数量级），避免阻碍信号、产生额外插入损耗。

二、器件特性及其对偏置器性能的影响

先从窄带偏置器入手讨论器件选型要点。窄带偏置器（相对带宽10%～30%）想要性能良好，遵循两条实用经验准则：

第一条：充分考量器件直流额定参数——电感看额定直流电流、电容看额定耐压，保证偏置器实际工作工况远低于额定值，留有安全余量。电感直流电流选型比较直观；但电容两端同时承受交流+直流叠加电压，必须按合成峰值电压来核算。

如今射频微波电容耐压规格普遍较高，大多能满足常规需求；但用于射频功率放大器的偏置器，常会接近常规电容耐压极限，这时需要选用更高耐压的电容来做隔直。

第二条：器件工作频率必须低于各自的自谐振频率。电感的自谐振频率厂商会在datasheet中标注，本文所指电感自谐振均为一次自谐振，且属于并联谐振。

电感线圈绕组之间存在寄生电容，统称匝间电容，该电容与电感本身呈并联关系，如下图所示。同时线圈绕组还有固有等效损耗电阻，即ESR等效串联电阻，该分布参数同样与电感并联。ESR不会改变下图右侧公式里的谐振频率，但会直接影响谐振点的品质因数Q值。

注意：在达到自谐振频率之前，电感的行为和理想电感基本一致 —— 在双对数坐标下，感抗jωL随频率呈线性上升。偏置器应用中，电感就应该工作在这个区间内。

在谐振频率点，理论上LC并联电路的阻抗是无穷大的。但在上图，ESR和 EPR（主要是ESR）会“削弱”这个效应，让阻抗变成有限值。超过自谐振（并联谐振/一次谐振，说的都是同一种情况）后，电感的阻抗就变成容性了，在上图的双对数曲线上，阻抗会随频率呈线性下降。

同理，真实的电容也有自谐振频率。超过这个频率后，它的阻抗会从容抗变成感抗。电容的自谐振是串联谐振，理论上阻抗会降到0Ω。下图的虚线是理想情况下阻抗归零的曲线，实线则是ESR对谐振的“阻尼效果”（也就是实际曲线）。电容的等效串联电感（ESL）通常非常小，当容值小于1μF 时，ESL一般不到1nH。

下图展示了0603封装、1000pF贴片电容的阻抗-频率曲线。可以看到，ESR值最低（0.05Ω）的电容，谐振峰最陡峭（即Q值最高）。另外注意，两种电容在谐振频率之后，都偏离了理想电容特性，阻抗开始随频率呈感抗曲线变化。因此，在偏置器设计中，电容必须工作在其自谐振频率以下，这一点至关重要。

总结一下：两条实用设计准则、两个基础器件，就能构成一款窄带三端口偏置器。以上本质都是对实际射频器件特性的回顾，接下来我们进入宽带偏置器部分。

三、宽带偏置器

1、宽带电容

几十年前，电路设计师入行最先学到的实操经验之一，就是用不同容值电容并联做去耦的设计技巧。资深工程师都会讲解：受物理结构特性影响，不同容值的电容，各自最适合对不同频段做滤波。

例如设计一款25W降压变换器的去耦网络，采用1μF、0.1μF、0.01μF、1000pF多款陶瓷电容并联。只要把器件引脚尽量剪短，这套去耦网络就能达到很好的性能。

虽然早年的电容都是带引脚的直插型，但这种多容值组合在接地去耦（以及像隔直电容那样的交流耦合）中表现优异，核心原因是每个容值都有独特的自谐振频率，上图里的0603贴片电容就是典型例子。把这些不同自谐振频率的电容并联起来，就能在很宽的频段内获得极低的阻抗。不过，受电容寄生电感（ESL）的物理特性影响，每个电容超过自谐振频率后，阻抗曲线都会变成感抗特性。

宽带射频/微波电容正是利用了不同容值电容的响应差异，把多个不同的谐振特性“集成”到一颗贴片电容里，让单颗电容能在多个倍频程内保持优异性能。

2、宽带（锥形）电感

在射频/微波电感领域，宽带锥形电感是宽带电容的对应方案。虽然宽带/超宽带电容是近十五年才流行起来的，但锥形电感的起源和普及时间并不明确。或许是因为在奥斯特、安培、法拉第这些电感理论先驱之后，特斯拉就在1891年发明了锥形结构的特斯拉线圈。虽然特斯拉的初衷不是为了降低寄生电容，但他确实是锥形电感的先行者。如今，多家厂商都能提供微型宽带锥形电感，用于分立偏置器和滤波器设计。

锥形结构能大幅降低匝间寄生电容：线圈的大直径部分负责低频信号，小直径部分负责高频信号，天然就是理想的宽带电感。

四、分立宽带偏置器 vs 集成偏置器

宽带射频/微波电容和锥形电感当然可以组合成分立的宽带偏置器。在宽带电容和锥形电感普及前，常用的方法是多级级联，用多个电感和电容拓展带宽，但这种方案体积大、成本高，并不实用。

哪怕单颗锥形电感，在PCB上焊接也很麻烦：它的引脚就是绕制电感的细导线，需要焊在极窄的焊盘上才能控制寄生电容，这在批量生产中很难保证可靠性和一致性。其次，为了避免寄生电容抵消锥形电感的宽带优势，焊接角度通常要和水平呈45°~60°。现在虽然有塑料封装的锥形电感能在回流焊中固定角度，改善安装问题，但这类带塑料外壳的电感大多无法返修，局部加热会导致塑料软化甚至烧毁。

不过，分立LC偏置器的带宽可以从几十MHz一直覆盖到40GHz，往往超过系统里其他器件（比如接收机LNA、功放预驱动级）的带宽上限。这种情况下，集成偏置器就是更优、更高效的方案。除了体积小巧，MMIC器件还能在全频段保持低插入损耗和高隔离度。如果应用场景不需要从几十MHz连续覆盖到毫米波，MMIC偏置器凭借成本、可靠性和可制造性优势，是更出色的选择。