射頻天線(xiàn)阻抗測(cè)量

1 引 言

在設(shè)計(jì)射頻放大電路的工作中，一般都要涉及到輸入輸出阻抗匹配的問(wèn)題，而匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，如果知道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要的阻抗，那么就可以利用射頻電路設(shè)計(jì)軟件（如RFSim99）自動(dòng)設(shè)計(jì)出匹配網(wǎng)絡(luò)，非常方便。一般在阻抗匹配要求不很?chē)?yán)格的情況下，或者只關(guān)心其他指標(biāo)的情況下，可以對(duì)器件的輸入輸出阻抗作近似估計(jì)（有時(shí)器件參數(shù)的分散性也要求這樣），只要設(shè)計(jì)誤差不大就可行。但是在射頻功率放大器的設(shè)計(jì)中，推動(dòng)級(jí)和末級(jí)功率輸出的設(shè)計(jì)必須要提高功率增益和高效率，這時(shí)知道推動(dòng)級(jí)和功率輸出級(jí)的輸入輸出阻抗就顯得非常重要。在功率管的器件手冊(cè)上一般都給出了在典型頻率和功率下的輸入輸出阻抗，為工程設(shè)計(jì)人員提供參考，但是由于功率管參數(shù)的分散性和工作狀態(tài)（如工作頻率、溫度、偏置、電源電壓、輸入功率、輸出功率等）發(fā)生變化的情況下，手冊(cè)上的參數(shù)就和實(shí)際情況有很大的偏差。有時(shí)候?yàn)榱私档?a target="_blank">產(chǎn)品的功耗，必須設(shè)計(jì)出匹配良好和高效率的射頻功率放大器，這時(shí)就有必要測(cè)量功率管在特定工作條件下的輸入輸出阻抗。在測(cè)定的過(guò)程中，首選的儀器是昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀，但是在不具備網(wǎng)絡(luò)分析儀的情況下，可以尋求用普通的儀器（如示波器、阻抗測(cè)試儀等）進(jìn)行測(cè)量。下面介紹一種用普通測(cè)量?jī)x器測(cè)量射頻功率管在實(shí)際工作條件下的輸入輸出阻抗的方法。

2 阻抗測(cè)量的一般方法

阻抗測(cè)量方法主要有電橋法，諧振法和伏安法3種。電橋法具有較高的測(cè)量精度，是常用的高精度測(cè)量方法，但在測(cè)量像射頻功率管這樣的有源非線(xiàn)性大信號(hào)工作器件的阻抗，特別是要求功率管在實(shí)際工作條件下測(cè)量有一定的困難，故電橋法難以應(yīng)用。諧振法在要求射頻功率管在實(shí)際工件條件下也很難應(yīng)用，主要原因是在非線(xiàn)性大信號(hào)下的波形已經(jīng)不是正弦波。伏安法是最經(jīng)典的阻抗測(cè)量方法，測(cè)量原理是基于歐姆定律，即阻抗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(guò)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(zhǔn)確測(cè)出，顯然伏安法在這里有很大的局限性。這3種方法在測(cè)量射頻功率管在實(shí)際工作條件下的輸入輸出阻抗都難以應(yīng)用，下面介紹一種間接測(cè)量阻抗的方法，他同時(shí)解決了濾除諧波和要求功率管在實(shí)際工作條件下測(cè)試的問(wèn)題，實(shí)踐證明這種方法簡(jiǎn)便易行。

3 傳輸函數(shù)法間接測(cè)量阻抗的方法原理

圖1中網(wǎng)絡(luò)HA，HB，ZX組成測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，圖2中HC為其等效網(wǎng)絡(luò)。HA，HB為無(wú)源線(xiàn)性雙口網(wǎng)絡(luò)，起著匹配、隔離和濾波的作用，使得在bb′處能觀(guān)測(cè)到比較好的正弦波。HC的傳輸函數(shù)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。只要測(cè)出Uaa′，Ubb′和θ就可得到傳輸函數(shù)HC，由于HA，HB為已知線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)計(jì)算就可求得待測(cè)阻抗ZX。

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。

再次，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(chēng)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+j1.2 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(shù)據(jù)為：Zin=0.8+j3.2 Ω，Zout=6.2-j3 Ω，@Po=6 W，VCC=13.5 V，f=175 MHz。