中心議題：

• RF功率管的輸入輸出阻抗測量

解決方案：

• 阻抗測量方法主要有電橋法，諧振法和伏安法
• HA，HB網絡的設計應根據實際需要盡量簡潔

1 引 言

在設計射頻fangdadianludegongzuozhong，yibandouyaoshejidaoshurushuchuzukangpipeidewenti，erpipeiwangluodeshejishijiejuewentideguanjian，ruguozhidaowangluoshejixuyaodezukang
，namejiukeyiliyongshepindianlushejiruanjian(如RFSim99)自(zi)動(dong)設(she)計(ji)出(chu)匹(pi)配(pei)網(wang)絡(luo)
，非(fei)常(chang)方(fang)便(bian)。一(yi)般(ban)在(zai)阻(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)要(yao)求(qiu)不(bu)很(hen)嚴(yan)格(ge)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，或(huo)者(zhe)隻(zhi)關(guan)心(xin)其(qi)他(ta)指(zhi)標(biao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，可(ke)以(yi)對(dui)器(qi)件(jian)的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)作(zuo)近(jin)似(si)估(gu)計(ji)(有時器件參數的分散性也要求這樣)
，zhiyaoshejiwuchabudajiukexing。danshizaishepingonglvfangdaqideshejizhong
，tuidongjihemojigonglvshuchudeshejibixuyaotigaogonglvzengyihegaoxiaolv，zheshizhidaotuidongjihegonglvshuchujideshurushuchuzukangjiuxiandefeichangzhongyao。zaigonglvguandeqijianshouceshangyibandougeichulezaidianxingpinlvhegonglvxiadeshurushuchuzukang，weigongchengshejirenyuantigongcankao，danshiyouyugonglvguancanshudefensanxinghegongzuozhuangtai(如工作頻率、溫度、偏置、電源電壓、輸入功率
、輸出功率等)發fa生sheng變bian化hua的de情qing況kuang下xia，手shou冊ce上shang的de參can數shu就jiu和he實shi際ji情qing況kuang有you很hen大da的de偏pian差cha。有you時shi候hou為wei了le降jiang低di產chan品pin的de功gong耗hao，必bi須xu設she計ji出chu匹pi配pei良liang好hao和he高gao效xiao率lv的de射she頻pin功gong率lv放fang大da器qi，這zhe時shi就jiu有you必bi要yao測ce量liang功gong率lv管guan在zai特te定ding工gong作zuo條tiao件jian下xia的de輸shu入ru輸shu出chu阻zu抗kang。在zai測ce定ding的de過guo程cheng中zhong
，首shou選xuan的de儀yi器qi是shi昂ang貴gui的de網wang絡luo分fen析xi儀yi
，但dan是shi在zai不bu具ju備bei網wang絡luo分fen析xi儀yi的de情qing況kuang下xia，可ke以yi尋xun求qiu用yong普pu通tong的de儀yi器qi(如示波器、阻抗測試儀等)進行測量。下麵介紹一種用普通測量儀器測量射頻功率管在實際工作條件下的輸入輸出阻抗的方法。

2 阻抗測量的一般方法

阻抗測量方法主要有電橋法，諧振法和伏安法3種(zhong)。電(dian)橋(qiao)法(fa)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)，是(shi)常(chang)用(yong)的(de)高(gao)精(jing)度(du)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)
，但(dan)在(zai)測(ce)量(liang)像(xiang)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)管(guan)這(zhe)樣(yang)的(de)有(you)源(yuan)非(fei)線(xian)性(xing)大(da)信(xin)號(hao)工(gong)作(zuo)器(qi)件(jian)的(de)阻(zu)抗(kang)，特(te)別(bie)是(shi)要(yao)求(qiu)功(gong)率(lv)管(guan)在(zai)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)測(ce)量(liang)有(you)一(yi)定(ding)的(de)困(kun)難(nan)，故(gu)電(dian)橋(qiao)法(fa)難(nan)以(yi)應(ying)用(yong)。諧(xie)振(zhen)法(fa)在(zai)要(yao)求(qiu)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)管(guan)在(zai)實(shi)際(ji)工(gong)件(jian)條(tiao)件(jian)下(xia)也(ye)很(hen)難(nan)應(ying)用(yong)，主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)是(shi)在(zai)非(fei)線(xian)性(xing)大(da)信(xin)號(hao)下(xia)的(de)波(bo)形(xing)已(yi)經(jing)不(bu)是(shi)正(zheng)弦(xian)波(bo)。伏(fu)安(an)法(fa)是(shi)最(zui)經(jing)典(dian)的(de)阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)，測(ce)量(liang)原(yuan)理(li)是(shi)基(ji)於(yu)歐(ou)姆(mu)定(ding)律(lv)，即(ji)阻(zu)抗(kang)ZX可以表示為ZX=UXejθ／IX，UX為阻抗ZX兩端壓降的有效值，IX為流過阻抗ZX的電流有效值，θ為電壓與電流的相位差。但是在射頻功率管的基極和集電極的電壓和電流均不是正弦波

，所以基波的IX和θ都很難準確測出，顯然伏安法在這裏有很大的局限性。這3zhongfangfazaiceliangshepingonglvguanzaishijigongzuotiaojianxiadeshurushuchuzukangdounanyiyingyong，xiamianjieshaoyizhongjianjieceliangzukangdefangfa
，tatongshijiejuelelvchuxieboheyaoqiugonglvguanzaishijigongzuotiaojianxiaceshidewenti
，shijianzhengmingzhezhongfangfajianbianyixing。

3 傳輸函數法間接測量阻抗的方法原理

圖1中網絡HA，HB
，ZX組成測試網絡
，圖2中HC為其等效網絡。HA，HB為無源線性雙口網絡
，起著匹配、隔離和濾波的作用

，使得在bb′處能觀測到比較好的正弦波。HC的傳輸函數可以表示為： 其中，Uaa′，Ubb′為aa′和bb′處的電壓的有效值，θ為aa′和拍bb′處電壓的相位差。隻要測出Uaa′，Ubb′和θ就可得到傳輸函數HC
，由於HA
，HB為已知線性網絡
，通過計算就可求得待測阻抗ZX。 4 測試網絡的設計原則

首先，HA，HB網絡的設計應根據實際需要盡量簡潔。如果網絡比較複雜，不但增加了計算量
，而且計算阻抗的誤差也會增大。

其次，HA


，HB網絡元件的選擇要盡量選擇接近理想元件模型的電阻電容和電感元件，盡量少用電感元件，因為電感元件的Q值(zhi)不(bu)可(ke)能(neng)做(zuo)得(de)很(hen)大(da)，而(er)且(qie)電(dian)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)實(shi)際(ji)模(mo)型(xing)比(bi)較(jiao)複(fu)雜(za)，采(cai)用(yong)實(shi)際(ji)模(mo)型(xing)時(shi)
，使(shi)電(dian)路(lu)模(mo)型(xing)複(fu)雜(za)化(hua)，這(zhe)樣(yang)既(ji)增(zeng)加(jia)了(le)計(ji)算(suan)量(liang)，也(ye)增(zeng)加(jia)了(le)誤(wu)差(cha)。在(zai)使(shi)用(yong)元(yuan)件(jian)之(zhi)前(qian)

，必(bi)須(xu)用(yong)精(jing)密(mi)阻(zu)抗(kang)儀(yi)準(zhun)確(que)測(ce)出(chu)元(yuan)件(jian)參(can)數(shu)值(zhi)

，在(zai)搭(da)接(jie)電(dian)路(lu)時(shi)盡(jin)量(liang)減(jian)小(xiao)分(fen)布(bu)參(can)數(shu)的(de)影(ying)響(xiang)。

再次，在測試時必須使功率管處在正常的工作狀態，網絡處在諧振狀態或者稍偏離諧振狀態(因諧振回路Q值不大)。這樣測出的參數在特定的工作頻率和工作狀態下才有實際意義。

最後，應使接在bb′處的探頭電容盡量小
，探頭的輸入電阻盡量高些，在計算時隻須考慮探頭的電容

，在測試前必須測出探頭電容的大小。

5 射頻功率管的輸入輸出阻抗的測量實例

射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)管(guan)的(de)應(ying)用(yong)手(shou)冊(ce)上(shang)一(yi)般(ban)都(dou)有(you)功(gong)率(lv)管(guan)在(zai)特(te)定(ding)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)。在(zai)設(she)計(ji)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)時(shi)候(hou)，如(ru)果(guo)功(gong)率(lv)管(guan)工(gong)作(zuo)在(zai)手(shou)冊(ce)上(shang)典(dian)型(xing)的(de)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)下(xia)，就(jiu)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)使(shi)用(yong)手(shou)冊(ce)上(shang)提(ti)供(gong)的(de)功(gong)率(lv)管(guan)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)參(can)數(shu)，盡(jin)管(guan)功(gong)率(lv)管(guan)的(de)參(can)數(shu)有(you)一(yi)定(ding)的(de)分(fen)散(san)性(xing)
，但(dan)是(shi)誤(wu)差(cha)不(bu)大(da)。如(ru)果(guo)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)管(guan)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)發(fa)生(sheng)了(le)變(bian)化(hua)(特別是工作頻率)
，手冊上的參數就不準確了，隻能起到一定的參考作用。例如日本三菱公司生產的VHF波段的射頻功率管2SC2630的輸入輸出阻抗的數據為：Zin=0.8+j1.2 Ω，Zout=1.5-j0.6 Ω，@Po=60 W，VCC=12.5 V
，f=175 MHz。又如工作在VHF波段的射頻功率管2SC1971的輸入輸出阻抗的數據為：Zin=0.8+j3.2 Ω
，Zout=6.2-j3 Ω
，@Po=6 W
，VCC=13.5 V，f=175 MHz。

在zai設she計ji具ju體ti的de射she頻pin功gong率lv放fang大da器qi時shi
，一yi般ban準zhun確que知zhi道dao輸shu入ru阻zu抗kang比bi準zhun確que知zhi道dao輸shu出chu阻zu抗kang更geng為wei重zhong要yao。一yi般ban情qing況kuang下xia，為wei了le讓rang射she頻pin功gong率lv管guan高gao效xiao地di工gong作zuo，都dou會hui盡jin量liang減jian小xiao管guan子zi的de功gong耗hao。如ru果guo讓rang射she頻pin功gong率lv管guan集ji電dian極ji(或漏極)的輸出阻抗與負載阻抗相匹配，則管子的效率最高是50％，即ji功gong率lv管guan的de輸shu出chu功gong率lv等deng於yu功gong率lv管guan的de管guan耗hao

，這zhe樣yang的de工gong作zuo條tiao件jian對dui功gong率lv管guan不bu利li，除chu非fei是shi為wei了le最zui大da限xian度du地di提ti高gao輸shu出chu功gong率lv。大da多duo數shu情qing況kuang下xia是shi集ji電dian極ji負fu載zai電dian阻zu遠yuan大da於yu功gong率lv管guan的de輸shu出chu阻zu抗kang，這zhe樣yang就jiu減jian小xiao了le管guan耗hao，提ti高gao了le工gong作zuo效xiao率lv。另ling外wai
，準zhun確que知zhi道dao射she頻pin功gong率lv管guan的de輸shu入ru阻zu抗kang
，也ye是shi為wei了le得de到dao前qian一yi級ji(推動級)匹配網絡的負載，從而設計出最佳的推動級負載網絡，或者是設計出具有特定輸入阻抗(如50 Ω
，75 Ω)的輸入接口網絡。

測試時需要的設備：具有足夠輸入功率的信號源(或者自製的信號源)，雙蹤數字示波器，精密阻抗測試儀，數字電壓源等。
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下麵舉一例測量射頻功率管輸入輸出阻抗的實例。以射頻功率管2SC1971為例
，他的工作條件是：VCC=7.2 V，Po=2 W
，f=50 MHz，RL=50 Ω。為(wei)了(le)測(ce)量(liang)功(gong)率(lv)管(guan)的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)，可(ke)以(yi)在(zai)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)端(duan)口(kou)串(chuan)聯(lian)一(yi)級(ji)或(huo)者(zhe)兩(liang)級(ji)雙(shuang)口(kou)網(wang)絡(luo)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)，這(zhe)些(xie)網(wang)絡(luo)同(tong)時(shi)起(qi)到(dao)匹(pi)配(pei)和(he)濾(lv)波(bo)的(de)作(zuo)用(yong)。利(li)用(yong)這(zhe)些(xie)網(wang)絡(luo)就(jiu)可(ke)以(yi)測(ce)出(chu)功(gong)率(lv)管(guan)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)。

下麵僅說明測量射頻功率管2SC1971的輸入阻抗的具體過程，輸出阻抗的測量方法與此相似。圖3是測量2SC1971的輸入阻抗的原理圖，圖4是他的等效電路圖。R1的值設計為10 Ω左右，以減少輸入的功率，同時HA由R1組成比較簡單
，便於計算，HB由L1，C1，R2組成

，同時也是功率管的匹配和偏置網絡。HA
，HB也可以由多級L型或Ⅱ型雙口網絡組成，隻是計算量增大。經過實測采用單級L型網絡在bb′處測得的波形比較接近正弦波，測量出的結果誤差不大。
為了使功率管在電源電壓為7.2 V時輸出2 W的功率

，而且管子工作在臨界狀態
，則從集電極測得的基波電壓的峰峰值約為14 V，集電極的負載電阻為12.5 Ω
，所以後麵的兩級Ⅱ型網絡的應起到相應的阻抗變換的作用。

測量的具體操作步驟是：
(1)以射頻功率管手冊上的輸入阻抗的數據為參考(可根據經驗修改)，用射頻電路設計軟件初步設計出HA，HB網絡(這個網絡的阻抗匹配不是準確的)；
(2)在搭接電路之前用精密阻抗分析儀測出網絡中的元件參數值；
(3)調節輸入信號的功率和有關元件(如可調電容)的參數，使射頻功率管工作在要求的狀態下；
(4)用雙蹤數字示波器測出鋤aa′，bb′處的電壓的有效值Uaa′
，Ubb′和兩處波形的超前和延遲時間△t
；
(5)用精密阻抗分析儀重新測量可調元件的值；
(6)用編製好的程序計算ZX(下一節將給出算法)。

圖5
，圖6
，圖7分別是在aa′
，bb′以及在功率管的基極測得的波形。由圖7可ke以yi看kan出chu在zai基ji極ji觀guan察cha的de波bo形xing含han有you很hen多duo諧xie波bo分fen量liang，很hen難nan準zhun確que得de出chu基ji波bo的de幅fu度du和he相xiang位wei。即ji使shi使shi用yong頻pin譜pu分fen析xi儀yi，隻zhi能neng分fen析xi出chu基ji波bo的de幅fu度du，但dan是shi準zhun確que得de到dao相xiang位wei很hen困kun難nan。由you圖tu6可以看出這裏的波形諧波的分量很小，基本上可以看作是基波了
，這一級L型網絡的確起到了阻抗匹配和濾除諧波(實際上是隔離)的作用。 [page]
6 輸入阻抗ZX的計算

有了雙蹤數字示波器測得的Uaa′，Ubb′和波形超前或延遲時間△t，以及用精密阻抗儀測出的網絡的有關元件值，就可以計算待測阻抗了。
則由式(8)就可以計算出ZX。其中C為可調電容和探頭電容的總電容。

7 實例的測量結果和誤差分析

射頻功率管2SC1971在工作條件VCC=7.2 V
，Po=2 W
，f=50 MHz，RL=50 Ω下，在一次實驗中測得數據為：△t=-0.96 ns(延遲)
，Uaa′=4.87 V
，Ubb′=2.12 V
，電壓為有效值。已知元件數據為：R1=10 Ω

，R2=51 Ω，C1=145 pF(包括探頭電容和可調電容)，L1=42 nH。由上麵介紹的算法可以計算出ZX=6.1+j3.9 Ω。而由網絡分析儀測出的結果是：6.4+j3.5 Ω。

由測試結果可以看出，使用問接測量的方法
，準確度比較高，完全能達到電路設計需要的精度要求。這些誤差的產生，主要有以下5個方麵的原因：

儀器的誤差；人的讀數的誤差
；電路的分布參數的影響；與姿態有關電路的電抗部分不容易測得很準，例如探頭的擺放等；由計算產生的誤差。

8 結語

本(ben)文(wen)探(tan)討(tao)了(le)測(ce)量(liang)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)管(guan)的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)的(de)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)，該(gai)方(fang)法(fa)完(wan)全(quan)能(neng)在(zai)沒(mei)有(you)網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)測(ce)量(liang)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)管(guan)的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)

，而(er)且(qie)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)對(dui)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)來(lai)說(shuo)還(hai)是(shi)令(ling)人(ren)滿(man)意(yi)的(de)。由(you)該(gai)方(fang)法(fa)的(de)原(yuan)理(li)可(ke)知(zhi)
，該(gai)阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)具(ju)有(you)以(yi)下(xia)特(te)點(dian)：

（1）由該方法的原理可知，他具有普遍適用性。例如該方法還可以用於測量不容易測量的線性器件的阻抗，如天線的阻抗。
（2）該gai方fang法fa的de應ying用yong是shi基ji於yu集ji總zong參can數shu的de。如ru果guo頻pin率lv很hen高gao
，分fen布bu參can數shu不bu可ke忽hu視shi的de情qing況kuang下xia
，就jiu會hui產chan生sheng很hen大da誤wu差cha。這zhe時shi就jiu必bi須xu考kao慮lv使shi用yong分fen布bu參can數shu的de模mo型xing，上shang述shu方fang法fa仍reng然ran適shi用yong。