1、引言

隨著科技的進(jìn)步，半導(dǎo)體制造技術(shù)日新月異。微波晶體管的輸出功率能力在個(gè)個(gè)頻段都得到不斷提高，在甚高頻頻段已有單管輸出連續(xù)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(jí)固態(tài)發(fā)射機(jī)的體積、成本大大降低，電路形式也隨之簡(jiǎn)化。這一切極大地推動(dòng)了固態(tài)發(fā)射機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)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(jìn)行內(nèi)匹配的晶體管，這給電路的設(shè)計(jì)帶來了許多新問題。本文以高功率晶體管MRF154放大器設(shè)計(jì)為例，對(duì)匹配電路中片狀電容器進(jìn)行分析，給出它的等效電路及放大器的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行內(nèi)匹配，手冊(cè)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(shí)部R_L。
V_DD＝50V，P＝600W。

故R_L的值在1Ω～2Ω之間。

實(shí)驗(yàn)在100MHz進(jìn)行，為簡(jiǎn)化電路形式，采用一級(jí)Г型匹配電路，因此得到
Q ＝（50/R－1）^0.5
Z_L ＝j(luò)（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(shí)現(xiàn)，Z_C選用片狀電容器實(shí)現(xiàn)。

2.2、電容器的等效電路

高頻與UHF頻段，在設(shè)計(jì)功率放大器的匹配電路時(shí)，一般將片狀電容器作為集中參數(shù)處理，常常認(rèn)為是一個(gè)理想電容器。在小功率單管放大器設(shè)計(jì)中，電容器的阻抗模值比較大，電容器容量較小，上述假設(shè)近似成立，但是大功率單管放大器設(shè)計(jì)中，阻抗模值比較小，容量較大，上述假設(shè)不能成立。如果忽視這一點(diǎn)，將會(huì)帶來一系列的問題。

理想電容器實(shí)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(shí)又具有一定的電感。在高頻電路中電容器的電特性表現(xiàn)為一個(gè)復(fù)雜的二端口網(wǎng)絡(luò)，而非單純的容抗。其等效電路可簡(jiǎn)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(zhì)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(duì)電容器整體實(shí)際阻抗均有貢獻(xiàn)，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(shù)，如果頻率高到一定的值時(shí)，1/ωC與ωL可比擬，Z_C將嚴(yán)重偏離電容器標(biāo)稱值的阻抗（－j/ωC）。

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

由此得到：f=100MHz,240Pf的標(biāo)稱電抗值Z_c1=-j6.6317Ω，而實(shí)際電抗值Z_c2=0.1-j4.9746(Ω),可見當(dāng)電容器容量較大時(shí)匹配電路中的容抗是不能由標(biāo)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(shí)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(duì)較高。在高功率放大器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)MRF154功率放大器匹配電路時(shí)，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(rèn)為在100MHz時(shí)相當(dāng)于理想電容器、多個(gè)電容器并聯(lián)使它的總體積增大，電容器的寬度對(duì)電路有一定的影響，等效電路如圖4。實(shí)際電路Z_L用一段50Ω微帶線實(shí)現(xiàn)，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(jì)算得上圖從左邊看進(jìn)取的阻抗Zc＝-j6.46Ω。

計(jì)算證明工作在100MHz時(shí)，上述替代對(duì)電路的影響可以忽略不計(jì)。

3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)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(biāo)稱容量240Pf，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(tài)下，放大器工作一段時(shí)間后電容器出現(xiàn)被燒毀現(xiàn)象，而c狀態(tài)下，放大器可以一直穩(wěn)定、可靠地工作。這于前面的分析相吻合。

4、結(jié)論

一般我們認(rèn)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(shù)處理。當(dāng)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(shí)際阻抗偏離其標(biāo)稱值。前面的計(jì)算及實(shí)驗(yàn)已證明了這一點(diǎn)。

正確認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)中選用元器件的等效模型必將提高我們?cè)O(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，降低調(diào)試強(qiáng)度。

作者：馬如濤  華東電子工程研究所

參考文獻(xiàn)
1 《電容器》  天津大學(xué)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