高頻電子線路：第一章 緒論

1、高頻電子線路2 按工作頻率的高低分為： 低頻電子線路、高頻電子線路 按分析方法分為： 線性電子線路、非線性電子線路 電子線路 高頻電子線路及非線性電子線路主要面向于通信系統(tǒng)中常用的基本組成電路的工作原理、主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算、分析方法及工程計(jì)算方法。 所以這門課程現(xiàn)在又多叫通信電子線路。3本課程內(nèi)容、特點(diǎn) 內(nèi)容：主要是介紹通信系統(tǒng)中將基帶信號(hào)變換到適于信道傳輸?shù)纳漕l信號(hào)及其反變換過程所需的主要功能電路的工作原理、分析方法和典型電路。 包括：濾波器、放大器、正弦波振蕩器、頻率變換電路、調(diào)制與解調(diào)電路、（鎖相環(huán)路與頻率合成器）等。4 無線電通信發(fā)展簡(jiǎn)史回顧1837年莫爾斯發(fā)明電報(bào)，創(chuàng)造莫爾斯電碼，開

2、創(chuàng)通信的新紀(jì)元。1864年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋從理論上證明了電磁波的存在，為后來的無線電發(fā)明和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 1876年貝爾發(fā)明電話，能夠直接將語(yǔ)言信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)沿導(dǎo)線傳送。 1887年德國(guó)物理學(xué)家赫茲以卓越的實(shí)驗(yàn)技巧證實(shí)了電磁波是客觀存在的。51895年馬可尼首次在幾百米的距離實(shí)現(xiàn)電磁波通信，1901年首次完成橫渡大西洋的通信。1904年，弗萊明發(fā)明電子二極管，進(jìn)入無線電電子學(xué)時(shí)代。 1907年李德福雷斯特發(fā)明了電子三極管，用它可組成多種重要功能的電子線路。1948年肖克萊等人發(fā)明了晶體三極管，它在許多方面已取代了電子管的傳統(tǒng)地位。20世紀(jì)60年代開始出現(xiàn)將“管”、“路”結(jié)合起來

3、的集成電路。6 發(fā)展：通信系統(tǒng)的集成化、數(shù)字化、移動(dòng)化和多媒體化，對(duì)組成通信系統(tǒng)的電路提出了更高的要求。 重點(diǎn)：在高頻率（百兆赫以上）電路中，目前主要還是模擬電路（模擬前端電路），且模擬電路的性能往往成為通信系統(tǒng)的瓶頸。7教 材高頻電子線路（第二版） 曾興雯 主編 高等教育出版社 2009年8 教材原理性、工程性、實(shí)踐性強(qiáng)，且涉及面比較寬，介紹了許多近年來較新的技術(shù)。 內(nèi)容可分為兩類：基本內(nèi)容和選讀內(nèi)容(精講和泛講) 作為專業(yè)基礎(chǔ)課，做好與專業(yè)課的銜接，拓寬思路 課時(shí)安排：共4學(xué)分，3學(xué)分授課，1學(xué)分實(shí)驗(yàn)教材特點(diǎn)9學(xué)習(xí)方法 培養(yǎng)四個(gè)觀點(diǎn)1、實(shí)踐的觀點(diǎn): 實(shí)用性，重視實(shí)驗(yàn)和仿真2、工程的觀點(diǎn)：具

4、體情況具體分析，合理近似3、系統(tǒng)的觀點(diǎn)：在系統(tǒng)中考慮4、辯證的觀點(diǎn)：例，非線性系統(tǒng) 抓住基本工作原理，基本分析方法和基本電路結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上拓展知識(shí)面，拓寬思路。 討論和交流10參考書 1、高頻電子線路第四版 張肅文、陸兆熊編 高等教育出版社2、高頻電路（上、下冊(cè)） 清華通信教研組編 人民郵電出版社3、電子線路 非線性部分第二版 謝嘉奎編 高等教育出版社11課前預(yù)習(xí)，養(yǎng)成自覺學(xué)習(xí)的好習(xí)慣課上認(rèn)真聽講，記筆記課后及時(shí)復(fù)習(xí)、按時(shí)獨(dú)立完成規(guī)定作業(yè)思考、討論，結(jié)合仿真 掌握基本要求（每部分電路的基本工作原理，基本分析方法和基本電路結(jié)構(gòu)）；逐步建立系統(tǒng)概念；激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。課程要求：第1章 緒 論1.1

5、無線通信系統(tǒng)概述 1.1.1 無線通信系統(tǒng)的組成 1.1.2 無線通信系統(tǒng)的信號(hào)與調(diào)制 1.1.3無線 通信系統(tǒng)的類型 1.1.4 無線通信系統(tǒng)的要求與指標(biāo) 1.2 射頻前端結(jié)構(gòu) 1.3 無線信道的特性131.1.1 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成如圖（a）所示。（a）（b）有線信道通信系統(tǒng)1.1 無線通信系統(tǒng)的概述圖（b）所示是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的例子。（c）無線通信系統(tǒng)的基本組成圖（c）無線通信系統(tǒng)的基本組成151.1.2 通信系統(tǒng)的信號(hào)與調(diào)制1.無線通信中的信號(hào) 電磁波波譜C = f16波段名稱波長(zhǎng)范圍頻率范圍頻段名稱主要傳播方式和用途甚長(zhǎng)波超長(zhǎng)波長(zhǎng)波中波短波 1000100k

6、m10010km101km1000100m10010m 0.33kHz330kHz 30300 kHz0.33MHz330 MHz 音頻甚低頻低頻（LF）中頻（MF）高頻（HF） 地波、遠(yuǎn)距離通信地波、天波、廣播、通信、導(dǎo)航天波、地波、廣播、通信 無線電波的頻（波）段劃分17直線傳播、散射，通信、電視廣播、中繼與衛(wèi)星通信、雷達(dá)直線傳播、中繼與衛(wèi)星通信、雷達(dá)直線傳播、微波通信、雷達(dá)特高頻（UHF）超高頻（SHF）極高頻（EHF）0.33GHz 330GHz30300GHz 10100cm 110cm 110mm 分米波微 厘米波波 毫米波直線傳播、對(duì)流層散射，通信、電視廣播、調(diào)頻廣播、雷 達(dá)甚高

7、頻（VHF） 30300MHz0.101m超短波（VSW）米波 不同頻段的信號(hào)具有不同的分析和實(shí)現(xiàn)方法 集中參數(shù)的方法和“路”的概念(1m) 分布參數(shù)的方法和“場(chǎng)”的概念(1m)高頻電路中的元件（2.1節(jié)）（1）長(zhǎng)度為Z(某點(diǎn))的傳輸線（同軸電纜）分布參數(shù)：傳輸線上某點(diǎn)的等效電路采用何種分析方法，取決于波長(zhǎng)和器件的相對(duì)尺寸！（2）高頻電阻分布電容和引線電感越小，表明電阻的高頻特性越好。 一般說來，金屬膜電阻比碳膜電阻的高頻特性要好，而碳膜電阻比線繞電阻的高頻特性要好; 表面貼裝(SMD)電阻比引線電阻的高頻特性要好; 小尺寸的電阻比大尺寸的電阻的高頻特性要好。（3）高頻電容 電阻RC為極間絕緣

8、電阻，電感LC為分布電感或(和)極間電感，小容量電容器的引線電感也是其重要組成部分。 電容器具有自身諧振頻率SRF(Self Resonant Frequency)。當(dāng)工作頻率小于自身諧振頻率時(shí)，電容器呈正常的電容特性，但當(dāng)工作頻率大于自身諧振頻率時(shí)，電容器將等效為一個(gè)電感。（3）高頻電感 高頻電感器一般由導(dǎo)線繞制(空心或有磁芯、單層或多層)而成(也稱電感線圈)，由于導(dǎo)線都有一定的直流電阻，所以高頻電感器具有直流電阻R。 工作頻率越高，趨膚效應(yīng)越強(qiáng)，再加上渦流損失、磁芯電感在磁介質(zhì)內(nèi)的磁滯損失以及由電磁輻射引起的能量損失等，都會(huì)使高頻電感的等效電阻(交流電阻)大大增加。一般地，交流電阻遠(yuǎn)大于直

9、流電阻，因此，高頻電感器的電阻主要指交流電阻。 在中短波段和米波波段，高頻電感可等效為電感和電阻的串聯(lián)。 但在實(shí)際中，品質(zhì)因數(shù)Q來表征高頻電感器的損耗性能，品質(zhì)因數(shù)Q定義為高頻電感器的感抗與其串聯(lián)損耗電阻之比。Q值越高，表明該電感器的儲(chǔ)能作用越強(qiáng)，損耗越小。若工作頻率更高，電感內(nèi)線圈匝與匝之間及各匝與地之間的分布電容的作用就十分明顯，等效電路應(yīng)考慮電感兩端總的分布電容，它應(yīng)與電感并聯(lián)。線圈的Q值:為不同工作頻率下的儲(chǔ)能和耗能之比。 與電容器類似，高頻電感器也具有自身諧振頻率SRF。在SRF上，高頻電感的阻抗的幅值最大，而相角為零，如圖所示。無線電信號(hào)的多方面特性 時(shí)域特性 頻譜特性 調(diào)制特性

10、傳播特性25(a) 直射傳播；(b) 地面繞射傳播；(c) 電離層反射傳播；(d) 對(duì)流層散射傳播無線電波的主要傳播方式26 天線的尺寸 信道的復(fù)用2.無線通信中的調(diào)制 調(diào)制在無線通信中的作用至關(guān)重要，為什么信號(hào)要調(diào)制？ 抗干擾 所謂調(diào)制，就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的參數(shù)，使載波信號(hào)的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)(振幅、頻率或相位)按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。 根據(jù)載波受調(diào)制參數(shù)的不同，調(diào)制分為三種基本方式，它們是振幅調(diào)制(調(diào)幅AM)、頻率調(diào)制(調(diào)頻FM)、相位調(diào)制(調(diào)相PM)。27例如標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波 SAM :為了實(shí)現(xiàn)中波廣播可以利用調(diào)幅技術(shù)將聲音基帶信號(hào)搬移到中波波段的某一頻率附近。1.1.3 無線通信系統(tǒng)

11、的類型(1) 按照工作頻段或傳輸手段分類，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。(2) 按照通信方式來分類，主要有(全)雙工(FDD)、半雙工(TDD)和單工方式。(3) 按照調(diào)制方式的不同來劃分，有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。(4) 按照傳送的消息的類型分類，有模擬通信和數(shù)字通信，也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。1.1.4 無線通信系統(tǒng)的要求與指標(biāo)無線通信系統(tǒng)的基本特性是有效性和可靠性。有效性指空間、時(shí)間、頻率的利用率，主要用傳輸距離和通信容量（信道容量）指標(biāo)來衡量。可靠性主要用失真度、誤碼率、抗干擾能力等指標(biāo)來衡量。 傳輸距離是指信號(hào)從發(fā)送端到達(dá)

12、接收端并能被可靠接收的最大距離，他與采用的通信體制和是否有中繼有關(guān)。 通信容量是指一個(gè)信道能夠同時(shí)傳送獨(dú)立信號(hào)的路數(shù)或信道速率。信號(hào)失真度指的是接收設(shè)備輸出信號(hào)不同于發(fā)送端基帶信號(hào)的程度。1.2 射頻前端結(jié)構(gòu) 射頻前端電路主要完成調(diào)制與解調(diào)、功率放大、低噪聲放大、載波或本振的產(chǎn)生和頻率變換等功能，是射頻部分的核心，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，決定著系統(tǒng)的性能和實(shí)現(xiàn)代價(jià)。射頻前端電路基帶1.2.1 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)主要完成調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波等功能。根據(jù)調(diào)制和上變頻是否合二為一，發(fā)射機(jī)可以分為直接變換結(jié)構(gòu)和兩次變換結(jié)構(gòu)兩種方式，在每種方式中也都可以采用單通道調(diào)制和雙通道正交調(diào)制。發(fā)射機(jī)的主

13、要指標(biāo)有基帶信號(hào)頻譜寬度、發(fā)射機(jī)工作頻率、發(fā)射機(jī)輸出功率、發(fā)射信號(hào)頻譜純度、頻率穩(wěn)定度、雜散與諧波、發(fā)射機(jī)頻帶寬度、信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍、發(fā)射機(jī)線性度以及駐波比。1.2.2 接收機(jī)結(jié)構(gòu)1.超外差結(jié)構(gòu)“超外差”就是在接收過程中，將射頻輸入信號(hào)與本振信號(hào)混頻或差拍，由混頻器后的中頻濾波器選出射頻信號(hào)與本振信號(hào)頻率的和頻或差頻。優(yōu)點(diǎn)：容易得到足夠大而且比較穩(wěn)定的放大量；具有較高的選擇性和較好的頻率特性；易于調(diào)整。缺點(diǎn)：電路復(fù)雜；干擾多(鏡像頻率干擾)；不易小型化。2.鏡頻抑制結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：從理論上可以完全消除鏡像頻率干擾。缺點(diǎn)：Hartley結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)寬帶中頻下變頻；Weaver結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，兩路信道的失配度

14、相對(duì)較大。3.直接變換結(jié)構(gòu)按照超外差原理設(shè)計(jì)，只是讓本振頻率等于載波頻率，使中頻為零（也稱為零中頻結(jié)構(gòu)），也就不存在鏡像頻率，從而避免了鏡頻干擾的抑制問題。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，功耗低，便于集成。缺點(diǎn)：本振泄漏與輻射，直流偏移大，高頻放大器與混頻器的增益要求高。4.數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：解調(diào)采用數(shù)字化處理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活方便，功能強(qiáng)大，便于產(chǎn)品的集成和小型化。缺點(diǎn)：對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的要求高，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理芯片的要求高。接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)：靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、工作頻率、射頻信號(hào)帶寬、中頻信號(hào)帶寬、中頻頻率、選擇性、輸出信噪比。38移動(dòng)無線環(huán)境電波傳播問題多徑效應(yīng)只考慮直射和一次反射信號(hào)的二維多徑傳播物理

15、模型建筑物位于以發(fā)射機(jī)和接收機(jī)為焦點(diǎn)的橢圓上：反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)都會(huì)達(dá)到接收機(jī)。城市環(huán)境下多徑效應(yīng)尤為突出1.3 無線信道的特性39（1）選擇性衰落 由于多徑效應(yīng)的存在，從發(fā)射機(jī)到達(dá)接收機(jī)信號(hào)經(jīng)過了 不同的路徑。不同頻率的信號(hào)沿不同路徑到達(dá)接收機(jī)產(chǎn)生 的相位移動(dòng)不同。有的頻率點(diǎn)信號(hào)增強(qiáng)，有的頻率點(diǎn)信號(hào) 相互抵消。在整個(gè)頻域來看，對(duì)不同頻率的信號(hào)，信號(hào)衰 減不同。 40（2）延時(shí)擴(kuò)展 由于反射波的存在，使到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)有多個(gè)延時(shí)不同的信號(hào)（相位不同），信號(hào)在接收點(diǎn)產(chǎn)生疊加，使時(shí)域波形擴(kuò)展。41多卜勒效應(yīng)：假設(shè)一部發(fā)射機(jī)與一部接收機(jī)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)“多普勒效應(yīng)”原理，接收機(jī)接收到的信號(hào)頻