射頻功率管的輸入輸出阻抗的測(cè)量實(shí)例

4測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則首先，HA,HB網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要盡量簡(jiǎn)潔。如果網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，不但增加了計(jì)算量，而且計(jì)算阻抗的誤差也會(huì)增大。其次，HA，HB網(wǎng)絡(luò)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?yàn)殡姼性腝值不可能做得很大，而且電感元件的實(shí)際模型比較復(fù)雜，采用實(shí)際模型時(shí)，使電路模型復(fù)雜化，這樣既增加了計(jì)算量，也增加了誤差。在使用元件之前，必須用精密阻抗儀準(zhǔn)確測(cè)出元件參數(shù)值，在搭接電路時(shí)盡量減小分布參數(shù)的影響。第三，在測(cè)試時(shí)必須使功率管處在正常的工作狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)處在諧振狀態(tài)或者稍偏離諧振狀態(tài)（因諧振回路Q值不大）。這樣測(cè)出的參數(shù)在特定的工作頻率和工作狀態(tài)下才有實(shí)際意義。最后，應(yīng)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(jì)算時(shí)只須考慮探頭的電容，在測(cè)試前必須測(cè)出探頭電容的大小。5射頻功率管的輸入輸出阻抗的測(cè)量實(shí)例射頻功率管的應(yīng)用手冊(cè)上一般都有功率管在特定工作條件下的輸入輸出阻抗。在設(shè)計(jì)射頻功率放大器的時(shí)候，如果功率管工作在手冊(cè)上典型的工作狀態(tài)下，就可以直接使用手冊(cè)上提供的功率管輸入輸出阻抗參數(shù)，盡管功率管的參數(shù)有一定的分散性，但是誤差不大。如果射頻功率管的工作條件發(fā)生了變化（特別是工作頻率），手冊(cè)上的參數(shù)就不準(zhǔn)確了，只能起到一定的參考作用。例如日本三菱公司生產(chǎn)的VHF波段的射頻功率管2SC2630的輸入輸出阻抗的數(shù)據(jù)為：Zin=0.8+j1.2Q，Zout=1.5-j0.6Q，@Po=60W，VCC=12.5V，f=175MHz。又如工作在VHF波段的射頻功率管2SC1971的輸入輸出阻抗的數(shù)據(jù)為：Zin=0.8+j3.2Q，Zout=6.2-j3Q，@Po=6W，VCC=13.5V，f=175MHz。在設(shè)計(jì)具體的射頻功率放大器時(shí)，一般準(zhǔn)確知道輸入阻抗比準(zhǔn)確知道輸出阻抗更為重要。一般情況下，為了讓射頻功率管高效地工作，都會(huì)盡量減小管子的功耗。如果讓射頻功率管集電極（或漏極）的輸出阻抗與負(fù)載阻抗相匹配，則管子的效率最高是50%，即功率管的輸出功率等于功率管的管耗，這樣的工作條件對(duì)功率管不利，除非是為了最大限度地提高輸出功率。大多數(shù)情況下是集電極負(fù)載電阻遠(yuǎn)大于功率管的輸出阻抗，這樣就減小了管耗，提高了工作效率。另外，準(zhǔn)確知道射頻功率管的輸入阻抗，也是為了得到前一級(jí)（推動(dòng)級(jí)）匹配網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，從而設(shè)計(jì)出最佳的推動(dòng)級(jí)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，或者是設(shè)計(jì)出具有特定輸入阻抗（如50Q，75Q）的輸入接口網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試時(shí)需要的設(shè)備：具有足夠輸入功率的信號(hào)源（或者自制的信號(hào)源），雙蹤數(shù)字示波器，精密阻抗測(cè)試儀，數(shù)字電壓源下面舉一例測(cè)量射頻功率管輸入輸出阻抗的實(shí)例。以射頻功率管2SC1971為例，他的工作條件是：VCC=7.2V,Po=2W,f=50MHz，RL=50Q。為了測(cè)量功率管的輸入輸出阻抗，可以在輸入輸出端口串聯(lián)一級(jí)或者兩級(jí)雙口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量，這些網(wǎng)絡(luò)同時(shí)起到匹配和濾波的作用。利用這些網(wǎng)絡(luò)就可以測(cè)出功率管的輸入阻抗。下面僅說(shuō)明測(cè)量射頻功率管2SC1971的輸入阻抗的具體過(guò)程，輸出阻抗的測(cè)量方法與此相似。圖3是測(cè)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(shè)計(jì)為10Q左右，以減少輸入的功率，同時(shí)HA由R1組成比較簡(jiǎn)單，便于計(jì)算，HB由L1,C1，R2組成，同時(shí)也是功率管的匹配和偏置網(wǎng)絡(luò)。HA，HB也可以由多級(jí)L型或II型雙口網(wǎng)絡(luò)組成，只是計(jì)算量增大。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)采用單級(jí)L型網(wǎng)絡(luò)在bb'處測(cè)得的波形比較接近正弦波，測(cè)量出的結(jié)果誤差不大。為了使功率管在電源電壓為7.2V時(shí)輸出2W的功率，而且管子工作在臨界狀態(tài)，則從集電極測(cè)得的基波電壓的峰峰值約為14V，集電極的負(fù)載電阻為12.5Q，所以后面的兩級(jí)I型網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)起到相應(yīng)的阻抗變換的作用。測(cè)量的具體操作步驟是：以射頻功率管手冊(cè)上的輸入阻抗的數(shù)據(jù)為參考(可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)修改)，用射頻電路設(shè)計(jì)軟件初步設(shè)計(jì)出HA，HB網(wǎng)絡(luò)(這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配不是準(zhǔn)確的)；在搭接電路之前用精密阻抗分析儀測(cè)出網(wǎng)絡(luò)中的元件參數(shù)值；調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的功率和有關(guān)元件(如可調(diào)電容)的參數(shù)，使射頻功率管工作在要求的狀態(tài)下；用雙蹤數(shù)字示波器測(cè)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(shí)間&；用精密阻抗分析儀重新測(cè)量可調(diào)元件的值；用編制好的程序計(jì)算ZX(下一節(jié)將給出算法)。

眼3烈童原毋用IS4等效電路國(guó)圖5,圖6,圖7分別是在aa',bb'以及在功率管的基極測(cè)得的波形。由圖7可以看出在基極觀察的波形含有很多諧波分量，很難準(zhǔn)確得出基波的幅度和相位。即使使用頻譜分析儀，只能分析出基波的幅度，但是準(zhǔn)確得到相位很困難。由圖6可以看出這里的波形諧波的分量很小，基本上可以看作是基波了，這一級(jí)L型網(wǎng)絡(luò)的確起到了阻抗匹配和濾除諧波（實(shí)際上是隔離）的作用。

6輸入阻抗ZX的計(jì)算有了雙蹤數(shù)字示波器測(cè)得的Uaa',Ubb'和波形超前或延遲時(shí)間At,以及用精密阻抗儀測(cè)出的網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)元件值，就可以計(jì)算待測(cè)阻抗了。由波形超前或延遲的時(shí)間△t,得到超前延遲的相角為:T為基波的周期，如果相位超前則&為負(fù)，則0T為基波的周期，如果相位超前則&為負(fù)，則0為負(fù);相位滯后則&為正，0為正。傳輸函數(shù)HC為:(■!)(5)⑹(7)(8)日玳=—=718快S-I--jA<ti其中a13氣而地(■!)(5)⑹(7)(8)印三乏存瓦山式可得Zw和珥E而Kf又等于】舍/=汶_［」日十口一j過(guò)」削心訶表示為；則由式(8)就可以計(jì)算出ZX。其中C為可調(diào)電容和探頭電容的總電容。7實(shí)例的測(cè)量結(jié)果和誤差分析射頻功率管2SC1971在工作條件VCC=7.2V,Po=2W,f=50MHz,RL=50Q下，在一次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得數(shù)據(jù)為：△t=-0.96ns（延遲），Uaa'=4.87V，Ubb'=2.12V，電壓為有效值。已知元件數(shù)據(jù)為：R1=10Q，R2=51Q，C1=145pF（包括探頭電容和可調(diào)電容），L1=42nH。由上面介紹的算法可以計(jì)算出ZX=6.1+j3.9Q。而由網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)出的結(jié)果是：6.4+j3.5Q。由測(cè)試結(jié)果可以看出，使用問(wèn)接測(cè)量的方法，準(zhǔn)確度比較高，完全能達(dá)到電路設(shè)計(jì)需要的精度要求。這些誤差的產(chǎn)生，主要有以下5個(gè)方面的原因：儀器的誤差；人的讀數(shù)的誤差；電路的分布參數(shù)的影響；與姿態(tài)有關(guān)電路的電抗部分不容易測(cè)得很準(zhǔn)，例如探頭的擺放等；由計(jì)算產(chǎn)生的誤差。8結(jié)語(yǔ)本文探討了測(cè)量射頻功率管的輸入輸出阻抗的測(cè)量方法，該方法完全能在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)分析儀的情況下測(cè)量射頻功率管的輸入輸出阻抗，而且測(cè)量精度對(duì)電路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)還是令人滿意的。由該方法的原理可知