高频第2章高频电路基础高频电路中元器件及组件.ppt

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1、第二章 高频电路基础,2.1 高频电路中的元器件2.2 高频电路中的组件,作业：2-1、2-3,1.1 无线通信系统概述,1.1.1无线通信系统的组成,发送设备主要由基带信号处理、调制器、频带信号处理、功率放大器组成。发送设备的任务（功能）：调制、放大与滤波。接收设备主要由射频选择放大、解调、基带信号处理、功率放大器组成。接收设备的任务（功能）：解调、放大与滤波。输入换能器输出换能器,接收设备的结构,接收设备的总体结构：超外差式。有一次变频、二次变频等结构形式。镜频抑制接收机结构零中频式接收机结构,镜频抑制接收机原理,零中频接收机结构,优点:1.无镜频干扰；2.射频处理模块少；3.不需中频滤波

2、器,缺点：1.本振泄漏(经射频通道、天线泄漏)；2.低噪声放大器偶次谐波失真干扰；3.直流偏差（泄漏的本振经天线接收在与本振混频为零中频 的直流信号，远大于信号）（用交流耦合或谐波混频消除）；4.低频闪烁噪声（场效应管较严重，频率越低越大）干扰。,1.1.2 无线通信系统的类型,按系统中关键部分的不同特性分类：按工作频段分：中波、短波、超短波、微波和卫星等通信系统。按通信方式分：（全）双工、半双工和单工方式。按调制方式分：调幅、调频、调相和混合调制。按传送的消息的类型分：模拟和数字通信。还有其它分类：移动和固定专用和公用、军用和民用频分多址和时分多址、码分多址、空分多址陆地、空中、海上、航天,

3、1.2 信号、频谱与调制 高频电路中要处理的无线电信号主要有三种：基带（消息）信号、高频载波信号和已调信号。主要有时间特性、频率特性、频谱特性、调制特性和传播特性。,时间特性：各种信号波形，电参量随时间而变化。频谱特性：频谱图，或谐波分析。信号包含各种不同频率正弦信号的幅度大小。频率特性：任何信号都具有一定的频率或波长，也都具有一定的频率范围（带宽）。调制特性：信号要远距离传输都必需经过调制，特别是无线传输。传播特性：无线通信的传播媒质主要是自由空间。不同的频率，有不同的传播方式。,1.时间特性 无线电信号（电流或电压）的幅度随时间的变化关系。表现为周期性或非周期性，连续变化或不连续变化，等等

4、。2.频谱特性 非单一频率的信号（非正弦信号，如脉冲信号），都包含不同的频率分量，有特定的频谱结构。表现为连续或不连续特点。占据一定的宽度。如：语音的频谱宽度约为1006000Hz，图像的频谱宽度约为06MHz。,3.频率特性 任何信号都具有一定的频率或波长。在自由空间，频率和波长有如下关系：,(力学公式),应当指出，不同频段的信号具有不同的分析与实现方法，对于米波（超短波或甚高频）以上信号，通常用集总（中）参数的方法来分析与实现；对于米波一下的信号一般用分布参数的方法来分析与实现。,4.传播特性 依据无线电信号 的频段或波长，其传播方式、传播距离及传播特点有所不同。电波传播方式：直射（视距）

5、、绕射（地波）、散射（空间波）、折射（不同介质）、反射（天波）。广播发射方式：地波、天波、空间波。中、低频（中、长波）-地波方式绕射传播。波长越长，吸收损耗越少。短波波段-天波方式沿电离层反射传播。频率越高电离层吸收越少，但越容易穿透电离层。超短波以上（甚高频VHF）-空间波方式直射传播。,5.调制特性 调制特性在无线电 通信中的作用是至关重要的。无线电辐射是通过天线向外辐射，天线的尺寸与波长相适应，信号通过调制到很高的频率上，通过较小的天线有效的辐射到空间，形成电磁波辐射。调制的另一个作用是，实现信道的复用，提高信道的利用率。数字调制还能实现抗干扰、纠错和保密功能。调制分为模拟和数字调制。调

6、制分为正弦调制和脉冲调制（载波为正弦或脉冲信号）,信号如何调制？,调制方式：调幅、调频和调相。（1）调幅 高频载波信号的幅度受调制信号控制，随调制信号的变化而变化。分为AM、DSB、SSB、VSB调幅制。（2）调频 高频载波信号的频率受调制信号控制，随调制信号的变化而变化。（3）调相 高频载波信号的相位受调制信号控制，随调制信号的变化而变化。,2.调制方法：（1）调幅 频谱线性搬移（相乘器）（2）调相 频谱非线性搬移（谐振回路、移相网络等）（3）调频 频谱非线性搬移（直接与间接调频）直接调频：调制信号直接控制振荡器。间接调频：先将调制信号积分后再进行直接调相。,第二章高频电路基础,各种高频电路

7、基本上是由有源器件、无源元件和无源网络组成的。高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同，但是注意它们在高频使用时的高频特性。高频电路中的元件主要是电阻（器）、电容（器）和电感（器）,它们都属于无源的线性元件。高频电路中完成信 号的放大，非线性变换等功能的有源器件主要是二极管，晶体管和集成电路。,2.1高频电路中的元器件,1.电阻器 一个实际的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性，但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面，而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。,一个电阻R的高频等效电路如图所示，其中CR为分布电容，LR为引线电感，R为电阻。,电阻的高频等效电

8、路,电阻r随频率增高而增加，这主要是趋肤效应的影响.,2.电感线圈的高频特性 电感线圈在高频频段除表现出电感L的特性外，还具有一定的损耗电阻r和分布电容。在分析一般长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈的等效电路可以表示为电感L和电阻r串联，如图所示。,电感线圈的低频等效电路,3.电容器的高频特征一个实际的电容器除表现电容特性外，也具有损耗电阻和分布电感。与电感线圈相比，电容的损耗常常忽略不计。电容器的等效电路也有两种形式，如图所示。,设流过电感线圈的电流为I，则电感L上的无功功率为I2L，而线圈的损耗功率，即电阻r的消耗功率为I2r，所以电感的品质因数为,Q值是一个比

9、值，它是感抗L与损耗电阻r之比，Q值越高损耗越小，一般情况下,线圈的Q值通常在几十到一二百左右。,品质因数 表示线圈的损耗性能。定义：无功功率与有功功率之比:,电感与电阻串联形式的线圈等效电路转换为电感与电阻的并联形式。,电感线圈串、并联等效电路,根据等效电路的原理，在左图中1-2两端的导纳应等于右图中1-2两端的导纳，即,由上式，并用式(1.1.2)就可以得到,(1.1.4),由上述结果表明，一个高Q电感线圈，其等效电路可以表示为串联形式,也可以表示为并联式行。在两种形式中，电感值近似不变，串联电阻与并联电阻的乘积等于感抗的平方。即：,当Q 1时，则,串联与并联转换（电感）,转换,由式(1.

10、1.4)看出，r越小R就越大，即损耗小，反之，则损耗大。一般地，r为几欧的量级，变换成R则为几十到几百千欧。Q 也可以用并联形式的参数表示。由式(1.1.4)有 上式代入(1.1.2)得,-用并联形式表示,（-用串联形式表示）,表示同一个电感的损耗。,电感的损耗,为了说明电容器损耗的大小，引入电容器的品质因数Q，用串联形式表示为：,-串联形式表示,-并联形式表示,电容器损耗电阻的大小主要由介质材料决定。Q值可达几千到几万的数量级，因此，电容器的损耗常常忽略不计。,用并联形式表示为：,电容的损耗,同理，可以推导出上图串、并联电路的变换式:,当Q 1时，它们近似式为,串联电阻和并联电阻的乘积等于容

11、抗的平方。即,r,C,R,串联与并联转换（电容）,2.1.2高频电路中的有源器件 从原理上看，用于高频电路的各种有源器件，与用于低频或其他电子线路的器件没有根本不同。只是由于工作在高频范围，对器件的某些性能要求更高。随着半导体和集成电路技术的高速发展，能满足高频应用要求的器件越来越多，也出现了一些专门用途的高频半导体器件。,1.二极管 半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中，工作在低电平。因此主要用点接触式二极管和表面势垒二极管(又称肖特基二极管)。两者都利用多数载流子导电机理，它们的极间电容小，工作频率高。,变容二极管(利用PN结的电容效应)的记忆电容Cj（反偏

12、势垒电容）与外加反偏电压U之间呈非线性关系。变容二极管在工作时处于反偏截止状态，基本上不消耗能量，噪声小，功率高。将它用于振荡回路中，可以做成电调谐器（如电视机的电调高频头），也可以构成自动调谐电路等；变容管若用于振荡器中，可以通过改变电压来改变振荡信号的频率。这种振荡器称为压控振荡器(VCO)，压控振荡器是锁相环路的一个重要部件；微波变容管（微波二极管），用作非线性电容变频、混频；还有一种是PIN二极管，由P型、I型和N型三种半导体构成，由正向直流电流控制的可调电阻，做成电可控开关、限幅器、电衰减器或电调移相器。,2.晶体管与场效应管 在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和多种场效应管，这些

13、管子比用于低频的管子性能更好，在外形结构方面也有所不同。高频晶体管有两大类型：一类是做小信号放大的高频小功率管，对它们的主要要求是高增益和低噪声；另一类为高频功率放大管，除了增益外，要求其在高频有较大的输出功率。,3.集成电路 用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多,主要分为通用型和专用型两种。通用型 宽带集成放大器，工作频率可达一、二百兆赫兹，增益可达五、六十分贝，甚至更高。用于高频的晶体管模拟乘法器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。专用型 集成锁相环、集成调制解调器、单片接收机及家电专用电路等。,2.2.1高频谐振回路,谐振回路由电感线圈和电容组成，当外界授予一定能量，电

14、路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的周期振荡回路。若该电路在某一频率的交变信号作用下,能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有谐振特性，故该电路又称谐振回路。,谐振回路按电路的形式分为：,1.串联谐振回路2.并联谐振回路3.耦合谐振回路,用途：,1.利用他的选频特性构成各种谐振发大器2.在自激振荡器中充当谐振回路3.在调制、变频、解调充当选频网络,1.串联谐振回路,下图是最简单的串联回路。图中r是电感线圈L中的电阻，r通常很小，可以忽略，C为电容。,振荡回路的谐振特性可以从它们的阻抗频率特性看出来。当信号角频率为时，其串联阻抗为：,(2-1),串联阻抗,回路阻抗的模|

15、Zs|和幅角随f 变化的曲线分别如下图所示,|Zs|,串联谐振特性曲线,幅角特性曲线,（2-1）,O,当r；当0时，回路呈感性，|Zs|r；当0时，感抗与容抗相等，|Zs|最小，并为纯电阻r，我们称此时发生了串联谐振，且串联谐振角频率0为:,(2-2),电抗特性曲线,若在串联振荡回路两端加一恒压信号U，则发生串联谐振时因阻抗最小，流过电路的电流最大，称为谐振电流，其值为,在任意频率下的回路电流I与谐振电流之比（归一化）为：,(2-4),串联谐振回路电流,(2-3),归一化电流的模为其中,(2-6),(2-5),Q被称为回路的品质因数，它是振荡回路的另一个重要参数。根据式（2-5）画出相应的曲线

16、如图所示，称为谐振曲线。,Q1Q2,由图可知回路的品质因数越高，谐振曲线越尖锐，回路选择性越好。,（2-9）,在实际应用时，外加的频率与回路谐振频率0之差=-0表示频率偏离谐振频率0的程度，称为失谐。当与0很接近时，相对失谐,（2-7）,当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时，将回路电流值下降为谐振值的 1/21/2时所对应的频率范围称回路的通频带，亦称回路带宽，通常用B表示。令上式等于，则可以推得=1，从而可得带宽为,串联谐振时电感及电容上的电压为最大，其值为电阻上电压值的Q倍，也就是恒压源的电压值U的Q倍。发生谐振的物理意义是，此时电容和电感中储存的最大能量相等。,串联振荡回路的相位特性与

17、其辐角特性相反。在谐振时回路中的电流、电压关系如图所示。图中 与 同相，和 分别为电感和电容上的电压。由图可知，和 反相。,O,2.并联谐振回路,串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻的情况或低阻抗电路（恒压源）。当频率不是非常高时，并联谐振回路应用最广。并联谐振回路适用于电源内阻为高内阻（恒流源）1.并联谐振回路原理 并联谐振回路是与串联谐振回路对偶的电路，其等效电路见下图,并联回路的阻抗为：,C,L,r,(2-11),当并联谐振回路电纳部分b0时，回路两端电压 与电流 同相，称为并联谐振。并设并联谐振的角频率为，则,式中电导和电纳分别为,并联谐振角频率,并联回路的阻抗为：,（2-1）,即,可见

18、，谐振时，回路的感抗和容抗近似相等。,当 远远小于1（即Q大大于1）时，则,通常将这时感抗和容抗的数值称为回路的特性阻抗，用字母表示。即：,谐振时，由于电纳b=0,总导纳y只包含电导g部分,称为谐振电导,用gp表示,回路的特性阻抗与回路电阻r之比称为回路的品质因数。即：,并联回路的特性阻抗,谐振时，回路两端的电压 与信号源电流 同相，,下面我们分析，当电路谐振时，流过电感支路和电容支路的电流与信号源电流 的相位关系。,其谐振阻抗为,并联回路的谐振阻抗,（上式近似条件：即高Q 值),(2-12),(2-14),谐振时，电感支路的电流为：,(2-17),(2-17),电容支路的电流为：,由式（2-

19、17），（2-17）可知，在谐振时，电感支路的电流在数值上比电源的电流约大倍，相位滞后接近；电容支路的电流在数值上比电源电流大倍，但相位超前。它们的向量关系如下图所示。,并联电路的相位关系与串联谐振电路相反。,考虑到电感的损耗，电感支路电流的相位是略小于900。,频率特性 所谓回路的频率特性就是回路端电压 与频率的关系。如右图所示。,（2-16）,（2-15）,式（2-15）（2-16）就是并联回路的幅频特性和相频特性,将其幅频特性归一化。,Q1Q2,0,N(f),f,1,由图可见(见下页)当f 0(即 f f0)时，即电压 滞后电流,回路呈容性；,当 f=0(即f=f0)时，即电压 与 同相位，回路呈纯阻性。,同时还可以看出，Q越高，在 f0 附近，相位频率特性越陡。,串、并联谐振电路的区别：,1、谐振特性是一样的，即曲线是一样的，谐振频率可以说是一样的，带宽是一样的，选择性是一样的，甚至计算公式都一样；2、失谐特性不一样，是相反的特性（对偶性），即正向失谐时，串联是感性失谐，并联是容性失谐。所以引起的相移也不一样，正向失谐时，串联的相移为正，表示电压超前电流，并联的相移为负，表示电压滞后电流；3、使用场合不一样，串联用于恒压源，并联用于恒流源；4、计算方法不一样，串联用阻抗，并联用导纳。所以Q值的计算公式不一样。,