射频天线阻抗测量

1 引 言

在设计射频放大电路的工作中，一般都要涉及到输入输出阻抗匹配的问题，而匹配网络的设计是解决问题的关键，如果知道网络设计需要的阻抗，那么就可以利用射频电路设计软件（如RFSim99）自动设计出匹配网络，非常方便。一般在阻抗匹配要求不很严格的情况下，或者只关心其他指标的情况下，可以对器件的输入输出阻抗作近似估计（有时器件参数的分散性也要求这样），只要设计误差不大就可行。但是在射频功率放大器的设计中，推动级和末级功率输出的设计必须要提高功率增益和高效率，这时知道推动级和功率输出级的输入输出阻抗就显得非常重要。在功率管的器件手册上一般都给出了在典型频率和功率下的输入输出阻抗，为工程设计人员提供参考，但是由于功率管参数的分散性和工作状态（如工作频率、温度、偏置、电源电压、输入功率、输出功率等）发生变化的情况下，手册上的参数就和实际情况有很大的偏差。有时候为了降低产品的功耗，必须设计出匹配良好和高效率的射频功率放大器，这时就有必要测量功率管在特定工作条件下的输入输出阻抗。在测定的过程中，首选的仪器是昂贵的网络分析仪，但是在不具备网络分析仪的情况下，可以寻求用普通的仪器（如示波器、阻抗测试仪等）进行测量。下面介绍一种用普通测量仪器测量射频功率管在实际工作条件下的输入输出阻抗的方法。

2 阻抗测量的一般方法

阻抗测量方法主要有电桥法，谐振法和伏安法3种。电桥法具有较高的测量精度，是常用的高精度测量方法，但在测量像射频功率管这样的有源非线性大信号工作器件的阻抗，特别是要求功率管在实际工作条件下测量有一定的困难，故电桥法难以应用。谐振法在要求射频功率管在实际工件条件下也很难应用，主要原因是在非线性大信号下的波形已经不是正弦波。伏安法是最经典的阻抗测量方法，测量原理是基于欧姆定律，即阻抗ZX可以表示为ZX=UXejθ／IX，UX为阻抗ZX两端压降的有效值，IX为流过阻抗ZX的电流有效值，θ为电压与电流的相位差。但是在射频功率管的基极和集电极的电压和电流均不是正弦波，所以基波的IX和θ都很难准确测出，显然伏安法在这里有很大的局限性。这3种方法在测量射频功率管在实际工作条件下的输入输出阻抗都难以应用，下面介绍一种间接测量阻抗的方法，他同时解决了滤除谐波和要求功率管在实际工作条件下测试的问题，实践证明这种方法简便易行。

3 传输函数法间接测量阻抗的方法原理

图1中网络HA，HB，ZX组成测试网络，图2中HC为其等效网络。HA，HB为无源线性双口网络，起着匹配、隔离和滤波的作用，使得在bb′处能观测到比较好的正弦波。HC的传输函数可以表示为：

其中，Uaa′，Ubb′为aa′和bb′处的电压的有效值，θ为aa′和拍bb′处电压的相位差。只要测出Uaa′，Ubb′和θ就可得到传输函数HC，由于HA，HB为已知线性网络，通过计算就可求得待测阻抗ZX。

4 测试网络的设计原则

首先，HA，HB网络的设计应根据实际需要尽量简洁。如果网络比较复杂，不但增加了计算量，而且计算阻抗的误差也会增大。

其次，HA，HB网络元件的选择要尽量选择接近理想元件模型的电阻电容和电感元件，尽量少用电感元件，因为电感元件的Q值不可能做得很大，而且电感元件的实际模型比较复杂，采用实际模型时，使电路模型复杂化，这样既增加了计算量，也增加了误差。在使用元件之前，必须用精密阻抗仪准确测出元件参数值，在搭接电路时尽量减小分布参数的影响。

再次，在测试时必须使功率管处在正常的工作状态，网络处在谐振状态或者稍偏离谐振状态（因谐振回路Q值不大）。这样测出的参数在特定的工作频率和工作状态下才有实际意义。

最后，应使接在bb′处的探头电容尽量小，探头的输入电阻尽量高些，在计算时只须考虑探头的电容，在测试前必须测出探头电容的大小。

5 射频功率管的输入输出阻抗的测量实例

射频功率管的应用手册上一般都有功率管在特定工作条件下的输入输出阻抗。在设计射频功率放大器的时候，如果功率管工作在手册上典型的工作状态下，就可以直接使用手册上提供的功率管输入输出阻抗参数，尽管功率管的参数有一定的分散性，但是误差不大。如果射频功率管的工作条件发生了变化（特别是工作频率），手册上的参数就不准确了，只能起到一定的参考作用。例如日本三菱公司生产的VHF波段的射频功率管2SC2630的输入输出阻抗的数据为：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波段的射频功率管2SC1971的输入输出阻抗的数据为：Zin=0.8+j3.2 Ω，Zout=6.2-j3 Ω，@Po=6 W，VCC=13.5 V，f=175 MHz。