1、引言

隨著科技的進步，半導體制造技術日新月異。微波晶體管的輸出功率能力在個個頻段都得到不斷提高，在甚高頻頻段已有單管輸出連續波600W的商品管，在L波段單管輸出峰值功率300W。單管輸出功率增大，使得同等功率量級固態發射機的體積、成本大大降低，電路形式也隨之簡化。這一切極大地推動了固態發射機在各個領域的應用。

微波晶體管輸出功率提高意味著它的輸入、輸出阻抗變小，尤其是未進行內匹配的晶體管，這給電路的設計帶來了許多新問題。本文以高功率晶體管MRF154放大器設計為例，對匹配電路中片狀電容器進行分析，給出它的等效電路及放大器的實驗結果。

2、理論分析

2.1、輸出匹配電路

高頻晶體管MRF154是MOTOROLA公司的商品晶體管，它能在100MHz輸出600W的功率。該管沒有進行內匹配，手冊中未給出輸入、輸出匹配阻抗值。我們可以從它的輸出功率、工作電壓近似求得輸出端的阻抗實部R_L。
V_DD＝50V，P＝600W。

故R_L的值在1Ω～2Ω之間。

實驗在100MHz進行，為簡化電路形式，采用一級Г型匹配電路，因此得到
Q ＝（50/R－1）^0.5
Z_L ＝j（R_L×Q－X）
Z_C ＝－jR_L(1＋Q²）/Q

匹配電路原理圖如下：

由于R的值較小，所以Q值高，Z_L、Z_C的模均小于10Ω。故Z_L可以采用一段傳輸線實現，Z_C選用片狀電容器實現。

2.2、電容器的等效電路

高頻與UHF頻段，在設計功率放大器的匹配電路時，一般將片狀電容器作為集中參數處理，常常認為是一個理想電容器。在小功率單管放大器設計中，電容器的阻抗模值比較大，電容器容量較小，上述假設近似成立，但是大功率單管放大器設計中，阻抗模值比較小，容量較大，上述假設不能成立。如果忽視這一點，將會帶來一系列的問題。

理想電容器實際上是不存在的，任何一種電容器工作中都要消耗一定的能量，同時又具有一定的電感。在高頻電路中電容器的電特性表現為一個復雜的二端口網絡，而非單純的容抗。其等效電路可簡化為如圖2所示的形式。

圖2中R為電容器引線電阻及介質極化引入的等效電阻之和，C為電容量、L為電容器引線電感。

從圖中可以看出電容器有固定的諧振頻率，MRF154放大器工作頻率是100MHz，故電容器引線電感的感抗不可忽視，圖中三部分對電容器整體實際阻抗均有貢獻，不可忽略。

因此得到電容器的阻抗Z_C

可見Z_C是頻率的函數，如果頻率高到一定的值時，1/ωC與ωL可比擬，Z_C將嚴重偏離電容器標稱值的阻抗（－j/ωC）。

如CC41L－100V－240pF片狀電容器，查相關手冊得此電容的諧振頻率f₀＝200MHz、R＝0.1Ω。根據諧振條件得：
Z_c的虛部與頻率關系曲線見圖3，縱坐標為Z_c的虛部(單位Ω)，橫坐標為頻率（單位MHz）。

由此得到：f=100MHz,240Pf的標稱電抗值Z_c1=-j6.6317Ω，而實際電抗值Z_c2=0.1-j4.9746(Ω),可見當電容器容量較大時匹配電路中的容抗是不能由標稱值得到的。

電容器的Q值由下式求得

由于R的存在，電容器的Q值不等于無窮大，影響Q值的因素很多。顯然它隨頻率上升而下降，頻率相同時容量越大Q值越小。Q值低的電容器意味著在工作中承受的有功功率相對較高。在高功率放大器設計中如果考慮欠佳有功功率造成電容器溫升過高易造成電容器失效，影響放大器的性能。

在設計MRF154功率放大器匹配電路時，考慮用6只39Pf的電容器代替一只240Pf電容器。39Pf電容器Q值、諧振頻率高，可以近似認為在100MHz時相當于理想電容器、多個電容器并聯使它的總體積增大，電容器的寬度對電路有一定的影響，等效電路如圖4。實際電路Z_L用一段50Ω微帶線實現，線寬2mm，片狀電容器外形為0805，所以圖中微帶線寬2mm，長1.27mm。

計算得上圖從左邊看進取的阻抗Zc＝-j6.46Ω。

計算證明工作在100MHz時，上述替代對電路的影響可以忽略不計。

3、實驗數據

根據上述分析，設計MRF154放大器的匹配電路，用不同容量的片狀電容器組合得到標稱容量240Pf，實驗數據如下：
a：一只240Pf電容器，輸出峰值功率P₀＝200W。
b：兩只120Pf電容器，輸出峰值功率P₀＝300W。
c：六只39Pf電容器， 輸出峰值功率P₀＝640W。

在a、b兩種狀態下，放大器工作一段時間后電容器出現被燒毀現象，而c狀態下，放大器可以一直穩定、可靠地工作。這于前面的分析相吻合。

4、結論

一般我們認為在高頻及UHF頻段的匹配電路為半集中、半分布式混合電路，常常將片狀電容器作為集中參數處理。當一定條件下，這種近似可以成立，但是在高頻高功率放大器匹配電路中電容器容量往往較大，電容器的實際阻抗偏離其標稱值。前面的計算及實驗已證明了這一點。

正確認識設計中選用元器件的等效模型必將提高我們設計的準確性，降低調試強度。

作者：馬如濤  華東電子工程研究所

參考文獻
1 《電容器》  天津大學無線電材料與元件教研室
2 謝嘉奎 宣月清 《電子線路》 高等教育出版社