高頻電子線路-第1章ppt課件

1、高頻電子線路,清華大學(xué)出版社 2012.6,本課程主要分析高頻電波信號的產(chǎn)生、放大和接收的電路，因此稱為“高頻電子線路”。 廣義的“高頻”指的是射頻(Radio Frequency，RF)，它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率，其頻率范圍非常寬。 只要電路尺寸比工作波長小得多，可用集總參數(shù)來分析實現(xiàn)。 當電路尺寸大于工作波長或相當時，應(yīng)采用分布參數(shù)的方法來分析實現(xiàn)。 本課程的第17章討論可用集中參數(shù)描述的高頻電路，而分布參數(shù)分析法在第8章介紹,本課程學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容,第1章 系統(tǒng)基礎(chǔ)知識 第2章 小信號選頻放大電路 第3章 高頻功率放大電路 第4章 正弦波振蕩電路 第5章 振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路 第

2、6章 角度調(diào)制與解調(diào)電路 第7章 反饋控制電路 第8章 高頻電路的分布參數(shù)分析 第9章 高頻電路的集成與EDA技術(shù)簡介,無線電報的發(fā)明開始了無線電通信的時代，并逐步涉及陸地、海洋、航空、航天等固定和移動無線通信領(lǐng)域，從1920年的無線電廣播、1930年的電視傳輸，直到1980年的移動電話和1990年的全球定位系統(tǒng)及當今的移動通信和無線局域網(wǎng)，無線通信市場還在飛速發(fā)展，移動通信手機、有線電視調(diào)制解調(diào)器以及射頻標簽的電信產(chǎn)品迅速地滲入我們的生活，變成大眾不可缺少的工具。 高頻電子線路的發(fā)展推動了無線通信技術(shù)的發(fā)展，是當代無線通信的基礎(chǔ)，是無線通信設(shè)備的重要組成部分,學(xué)習(xí)本課程有何意義,第1章 系統(tǒng)

3、基礎(chǔ)知識,無線電頻段是如何劃分的？無線通信為何要用高頻電磁波？ 高頻電子線路有什么特點？ 無線通信系統(tǒng)究竟包括哪些電路？它們都有什么功用？ 表征高頻電路(系統(tǒng))性能的參數(shù)有哪些,1.1 無線通信系統(tǒng)概述,為了便于分析和應(yīng)用，人們對電磁波按頻率或波長進行分段，分別稱為頻段或波段。各種頻率的電磁波都是不可再生的重要資源，國際社會和任何國家都必須對它進行科學(xué)規(guī)劃、嚴格管理。 無線通信系統(tǒng)電路的基本組成，由工作頻率的高低可分為射頻級、中頻級和基帶級三級電路，射頻級和中頻級屬于本書高頻電路的研究范疇，它們的基本功能電路應(yīng)該包括：濾波器、放大器、高頻振蕩器、混頻或變頻器、調(diào)制與解調(diào)器,1.1.1 電磁波頻

4、段的劃分與應(yīng)用,極低頻（ELF) 軍事潛艇通信,甚低頻（VLF) 導(dǎo)航、聲納、航空,低頻（LF) 航海與航空導(dǎo)航信標、航空導(dǎo)航,中頻（MF) 中波廣播、航海與航空導(dǎo)航信標,高頻（HF) 短波廣播、業(yè)余無線電,甚高頻（VHF) 電視與調(diào)頻廣播、無線尋呼、地面移動通信,超高頻（UHF) 電視與調(diào)頻廣播、無繩電話、個人無線電,特高頻（SHF) 微波鏈路、衛(wèi)星通信,極高頻（EHF) 雷達、射電天文學(xué),微米波 遠程探測、激光通信、光空間通信,紅外光,300kHz,30MHz,3000MHz,300GHz,3kHz,頻率,電波利用電離層的折射、反射和散射作用進行傳播的方式稱為天波,沿地球表面進行傳播的電波

5、傳播模式稱為地表面波,在對流層中進行的電波傳播方式稱為空間波,電磁波在地面上遠距離傳播的方式,1.1.2 無線通信系統(tǒng)的基本組成,模擬無線通信系統(tǒng),數(shù)字無線通信系統(tǒng),1.2 高頻電路中的元器件與分析模型,無源元件主要是電阻(器)、電容(器)和電感(器)，它們都屬于線性元件，在高頻電路中通常起濾波、阻抗匹配、旁路、耦合、去耦、移相等作用。 有源器件主要是半導(dǎo)體二極管、三極管和集成電路，它們本質(zhì)上都屬于非線性器件，在高頻電路中完成信號的放大、非線性變換等功能,1.2.1 高頻無源元件,電阻器、電容器和電感器的高頻等效模型,1.2.2 高頻有源器件,半導(dǎo)體二極管伏安特性,雙極型晶體管的大信號E-M電

6、路模型,雙極型晶體管的線性電路模型,晶體管高頻共發(fā)射極混合形等效電路,當輸出端短路后，rbe、Cbe和Cbc三者并聯(lián)，此時,特征頻率fT和最大振蕩頻率fmax,電流增益降至1時的頻率,功率增益降至1時的頻率,模擬乘法器,模擬乘法器是一種理想的線性頻譜搬移電路,1.3 系統(tǒng)性能指標,增益、噪聲、非線性、靈敏度和動態(tài)范圍是描述高頻電路最常用的指標 接收機所能接收的最低信號電平直接受到其固有噪聲的限制，而它能接收的最高電平又受到非線性失真的限制,1.3.1 增益,電壓增益,無載電壓增益,有載)電壓增益,當 時電壓增益接近最大值 在高頻時，電路阻抗比直流或低頻的值小，常用功率增益來量度系統(tǒng)的放大能力,

7、定義幾種類型的功率,系統(tǒng)吸收(輸入)的功率,源的額定輸出功率,負載消耗的功率,系統(tǒng)的額定輸出功率,基于上面四種類型的功率，可以定義下面四種功率增益,四種功率增益,轉(zhuǎn)化功率增益,傳遞)功率增益,額定(資用)功率增益,最大功率增益,Gp是人們常用的功率增益，也稱為工作功率增益，它表示系統(tǒng)實際輸出功率與輸入功率之比 分析和計算噪聲問題時，用額定功率和額定功率增益,用對數(shù)形式dB(分貝)值來表示比值,功率增益的dB值定義,電壓增益的dB值定義,dBm(分貝毫瓦)定義：P(dBm)= 10lgP(mW)/1mW dBW(分貝瓦)定義：P(dBW)= 10lgP(W)/1W dBmV(分貝微伏)定義：U(

8、dBmV)= 20lgU(mV) /1mV dBV(分貝伏)定義：U(dBV)= 20lg U(V) /1V,注意：兩個dBm(dBmV)相減，結(jié)果為dB。dBm(dBmV)與dB之間可以加、減，結(jié)果仍為dBm(dBmV,在50系統(tǒng)中，功率與電壓單位對應(yīng)關(guān)系,1.3.2 噪聲和噪聲系數(shù),1噪聲來源：電阻熱噪聲和半導(dǎo)體管噪聲,電阻熱噪聲等效電路,電阻R的噪聲額定功率,電阻的噪聲額定功率只與溫度及通頻帶有關(guān)，而與本身阻值和負載無關(guān)(注意，實際功率是與負載有關(guān)的)。 這一結(jié)論可以推廣到任何無源二端網(wǎng)絡(luò),有源器件和系統(tǒng)的噪聲來源比較復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計師為了衡量其噪聲性能的好壞，提出了噪聲系數(shù)這一性能指標,

9、2噪聲系數(shù),噪聲系數(shù)(Noise Figure，NF)定義,信噪比SNR定義,標準噪聲系數(shù),T0=290K,Pnoa：輸出噪聲額定功率 Pnia： 輸入噪聲額定功率,噪聲系數(shù)表征了信號通過系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲造成信噪比惡化的程度。 如果系統(tǒng)是無噪的，相應(yīng)的噪聲系數(shù)為1。 有噪系統(tǒng)的噪聲系數(shù)均大于1,系統(tǒng)內(nèi)部噪聲產(chǎn)生的輸出功率,放大器級聯(lián)的噪聲,對于n級放大器,為了減小多級放大器的噪聲系數(shù)，必須降低前級放大器(尤其是第一級)的噪聲系數(shù)，而且增大前級放大器(尤其是第一級)的額定功率增益,3等效輸入噪聲溫度,噪聲溫度與噪聲系數(shù)的等效關(guān)系,級聯(lián)系統(tǒng)的等效噪聲溫度,低噪聲時采用噪聲溫度比采用噪聲系數(shù)更容

10、易和更方便顯示其噪聲性能的差別,例1.1】 某接收機由高放、混頻、中放三級電路組成。已知混頻器的額定功率增益Ga2=0.2，噪聲系數(shù)NF2=10dB，中放噪聲系數(shù)NF3=6dB，高放噪聲系數(shù)NF1=3dB。如要求加入高放后使整個接收機總噪聲系數(shù)降低為加入前的1/10，則高放的額定功率增益Ga1應(yīng)為多少？高放和混頻兩級的等效噪聲溫度為多少,解：先將噪聲系數(shù)分貝數(shù)進行轉(zhuǎn)換，3dB、10dB、6dB分別對應(yīng)為2、10、4,因為未加高放時接收機噪聲系數(shù)為,所以，加高放后接收機噪聲系數(shù)應(yīng)為,又由于,因此有,高放和混頻兩級的等效噪聲溫度為,1.3.3 非線性失真,在由各種有源器件構(gòu)成的線性放大器中，由于有

11、源器件的特性是非線性的，在放大過程中總會產(chǎn)生各種各樣的失真，因此，必須限制信號的大小，使失真限制在允許的范圍內(nèi)，才能實現(xiàn)線性放大。 但在諸如混頻、調(diào)制和解調(diào)等頻譜搬移電路中，有源器件的非線性又正是實現(xiàn)這些功能電路所必需的,1非線性器件的描述方法,一個非線性電路系統(tǒng)的輸入x(t)和輸出y(t)可以描述成,該法稱為冪級數(shù)展開法 其它還有解析函數(shù)和折線表示法,2諧波,當輸入信號為x(t)=Acost時，輸出信號為,含輸入頻率的項稱為“基頻”，高階項n稱為“諧波”(Harmonics,3增益壓縮,輸出基波信號為,如果1和3的符號相反，則信號增益將隨幅度A的增大而減小，此現(xiàn)象稱為增益壓縮。 常用1dB壓

12、縮點(1-dB compression point，輸入Pi1dB、輸出Po1dB)來度量放大器的線性,1dB壓縮點處的輸入信號幅度為,4大信號阻塞,如果電路同時接收到一個有用信號A1cos1t和一個干擾信號A2cos2t，即,則輸出信號基波分量為,當A2A1時，上式可簡化為,如果1和3的符號相反，有用信號所得到的增益將遠小于1，即有用信號被大干擾信號阻塞了，或者稱為“減敏”(Desensitization)，即放大器或接收器的靈敏度降低了,5交調(diào)失真,如果干擾信號含有調(diào)幅成分,干擾調(diào)幅信號會通過非線性轉(zhuǎn)移到有用信號上,如果有用信號也為幅度調(diào)制信號，則解調(diào)后的信號含有干擾信號，產(chǎn)生了交叉調(diào)制

13、。交調(diào)失真是由非線性器件的三次方項產(chǎn)生的,6互調(diào)失真,兩個頻率不同的正弦波通過非線性系統(tǒng)后輸出信號的頻率分量o=m1 +n2(m和n 不為0)稱為(m+n)階互調(diào)分量 由三階失真引起的互調(diào)分量稱為三階互調(diào)分量(IM3)，如果1和2差別很小，需要重點考慮的是212和221這兩項，因為它們就在基波分量附近,如果兩個輸入信號的幅度相等A1=A2=A，三階互調(diào)分量為,用來衡量互調(diào)失真程度的參數(shù)主要是三階互調(diào)截點 IP3(Third-order Intercept Point，對應(yīng)的輸入功率值稱為IIP3，而輸出功率值則稱為OIP3,三階互調(diào)截點處的輸入信號幅度為,1dB壓縮點和IP3的關(guān)系,IIP3

14、的簡單測量,對數(shù)(dBm)域中,在W或mW域中,IM3功率,基波功率,級聯(lián)電路的等效IIP3,最后（第2級）輸出的IM3分量功率P3o由兩部分組成：第1級輸出的IM3分量通過第2級直接放大的輸出功率P3o1，第1級輸出基波分量通過第2級非線性產(chǎn)生的IM3分量功率P3o2，它們分別為,得兩級系統(tǒng)的IIP3 為,功率單位是W或mW,1.3.4 靈敏度與動態(tài)范圍,1靈敏度,接收機的一個很重要的指標是靈敏度(Sensitivity)，它定義為：在給定要求的輸出信噪比的條件下，接收機所能檢測的最低輸入信號電平。 要求接收機輸出最小額定信噪比為SNRo,min，則最低的可檢測輸入功率電平為,在T0=290K室溫下,稱作基底噪聲 (Noise Floor,最小可檢測輸入信號電壓幅度,2動態(tài)范圍,線性動態(tài)范圍,無雜散動態(tài)范圍,例1.2】 如果一個接收器的NF=9dB，IIP3=-15dBm，且BW=200kHz，若要求SNRo,min=12dB，那么它的無雜散動態(tài)范圍DRf為多少,解,DRf約為53dB,本 章 小 結(jié),人們按頻率或波長對電磁波進行分段，分別稱為頻段或波段。 不同頻段電波的傳播方式和能力不同，因而它們的應(yīng)用范圍也不同。高頻適于天線輻射和無線傳播。 無線通信系統(tǒng)由工作頻率的高低可分為射頻級、中頻級和基帶級三級電路。它們的基本功能電路包括濾波器、放大器、高頻振蕩器、混頻或