高頻電子線路李福勤第二

關(guān)于高頻電子線路李福勤第二第1頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六2.1高頻電路中的元器件

各種高頻電路基本上是由有源器件、無(wú)源元件和無(wú)源網(wǎng)絡(luò)組成的。

高頻電路中使用的元器件與在低頻電路中使用的元器件基本相同，但是注意它們?cè)诟哳l使用時(shí)的高頻特性。高頻電路中的元件主要是電阻（器）、電容器）和電感（器）,它們都屬于無(wú)源的線性元件。高頻電路中完成信號(hào)的放大，非線性變換等功能的有源器件主要是二極管，晶體管和集成電路。第2頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六高頻電路中的元件1.電阻器一個(gè)實(shí)際的電阻器，在低頻時(shí)主要表現(xiàn)為電阻特性，但在高頻使用時(shí)不僅表現(xiàn)有電阻特性的一面，而且還表現(xiàn)有電抗特性的一面。電阻器的電抗特性反映的就是高頻特性。一個(gè)電阻R的高頻等效電路如圖所示，其中CR為分布電容，LR為引線電感，R為電阻。第3頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六電阻的高頻等效電路CRRLR第4頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六2.電感線圈的高頻特性電感線圈在高頻頻段除表現(xiàn)出電感L的特性外，還具有一定的損耗電阻r和分布電容。在分析一般長(zhǎng)、中、短波頻段電路時(shí)，通常忽略分布電容的影響。因而，電感線圈的等效電路可以表示為電感L和電阻r串聯(lián)。第5頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六電感線圈的串聯(lián)等效電路rL第6頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六電阻r隨頻率增高而增加，這主要是集膚效應(yīng)的影響。所謂集膚效應(yīng)是指隨著工作頻率的增高，流過(guò)導(dǎo)線的交流電流向?qū)Ь€表面集中這一現(xiàn)象，當(dāng)頻率很高時(shí)，導(dǎo)線中心部位幾乎完全沒(méi)有電流流過(guò)，這相當(dāng)于把導(dǎo)線的橫截面積減小為導(dǎo)線的圓環(huán)面積，導(dǎo)電的有效面積較直流時(shí)大為減小，電阻r增大。工作頻率越高，圓環(huán)的面積越小，導(dǎo)線電阻就越大。第7頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六

在無(wú)線電技術(shù)中通常不是直接用等效電阻r，而是引入線圈的品質(zhì)因數(shù)這一參數(shù)來(lái)表示線圈的損耗性能。品質(zhì)因數(shù)定義為無(wú)功功率與有功功率之比:(2.1.1)第8頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六

設(shè)流過(guò)電感線圈的電流為I，則電感L上的無(wú)功功率為I2ωL，而線圈的損耗功率，即電阻r的消耗功率為I2r，故由式（）得到電感的品質(zhì)因數(shù) (1.1.2)第9頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六

在電路分析中，為了計(jì)算方便，有時(shí)需要把電感與電阻串聯(lián)形式的線圈等效電路轉(zhuǎn)換為電感與電阻的并聯(lián)形式。下圖中的LP、R表示并聯(lián)形式的參數(shù)。 第10頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六(2.1.3)電感線圈串、并聯(lián)等效電路

根據(jù)等效電路的原理，在左圖中1-2兩端的導(dǎo)納應(yīng)等于右圖中1’-2’兩端的導(dǎo)納，即rL12RLP1’2’第11頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六

由上式，并用式(2.1.2)就可以得到

(1.1.4)

由上述結(jié)果表明，一個(gè)高Q電感線圈，其等效電路可以表示為串聯(lián)形式,也可以表示為并聯(lián)式行。在兩種形式中，電感值近似不變，串聯(lián)電阻與并聯(lián)電阻的乘積等于感抗的平方。當(dāng)Q＞＞1時(shí)，則第12頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六

由式(2.1.4)看出，r越小R就越大，即損耗小，反之，則損耗大。一般地，r為幾歐的量級(jí)，變換成R則為幾十到幾百千歐。

Q也可以用并聯(lián)形式的參數(shù)表示。由式(2.1.4)有

上式代入(2.1.2)得

上式表明，若以并聯(lián)形式表示Q時(shí)，則為并聯(lián)電阻與感抗之比。

第13頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六3.電容器的高頻特征 一個(gè)實(shí)際的電容器除表現(xiàn)電容特性外，也具有損耗電阻和分布電感。在分析一般米波以下頻段的諧振回路時(shí)，常常只考慮電容和損耗。電容器的等效電路也有兩種形式，如圖所示。電容器的串、并聯(lián)等效電路rCp第14頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六

為了說(shuō)明電容器損耗的大小，引入電容器的品質(zhì)因數(shù)Q，它等于容抗與串聯(lián)電阻之比

(2.1.5)(2.1.6)

若以并聯(lián)等效電路表示，則為并聯(lián)電阻與容抗之比。第15頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六

電容器損耗電阻的大小主要由介質(zhì)材料決定。Q值可達(dá)幾千到幾萬(wàn)的數(shù)量級(jí)，與電感線圈相比,電容器的損耗常常忽略不計(jì)。第16頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六

同理，可以推導(dǎo)出上圖串、并聯(lián)電路的變換式:當(dāng)Q＞＞1時(shí)，它們近似式為第17頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六

上面分析表明，一個(gè)實(shí)際的電容器，其等效電路可以表示為串聯(lián)形式，也可以表示為并聯(lián)形式。兩種形式中電容值近似不變，串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的乘積等于容抗的平方。第18頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六高頻電路中的有源器件從原理上看，用于高頻電路的各種有源器件，與用于低頻或其他電子線路的器件沒(méi)有根本不同。只是由于工作在高頻范圍，對(duì)器件的某些性能要求更高。隨著半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，能滿足高頻應(yīng)用要求的器件越來(lái)越多，也出現(xiàn)了一些專(zhuān)門(mén)用途的高頻半導(dǎo)體器件。第19頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六1.二極管半導(dǎo)體二極管在高頻中主要用于檢波、調(diào)制、解調(diào)及混頻等非線性變換電路中，工作在低電平。因此主要用點(diǎn)接觸式二極管和表面勢(shì)壘二極管(又稱(chēng)肖特基二極管)。兩者都利用多數(shù)載流子導(dǎo)電機(jī)理，它們的極間電容小，工作頻率高。

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變?nèi)荻O管的記憶電容Cj與外加反偏電壓U之間呈非線性關(guān)系。變?nèi)荻O管在工作時(shí)處于反偏截止?fàn)顟B(tài)，基本上不消耗能量，噪聲小，功率高。將它用于振蕩回路中，可以做成電調(diào)諧器，也可以構(gòu)成自動(dòng)調(diào)諧電路等。

變?nèi)莨苋粲糜谡袷幤髦?，可以通過(guò)改變電壓來(lái)改變振蕩信號(hào)的頻率。這種振蕩器稱(chēng)為壓控振蕩器(VCO)，壓控振蕩器是鎖相環(huán)路的一個(gè)重要部件。第21頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六

電調(diào)諧器和壓控振蕩器也廣泛用于電視接收機(jī)的高頻頭中。具有變?nèi)菪?yīng)的某些微波二極管(微波變?nèi)萜?還可以進(jìn)行非線性電容混頻、倍頻。還有一種以P型，N型和本征(I)型三種半導(dǎo)體構(gòu)成的PIN二極管，它具有較強(qiáng)的正向電荷儲(chǔ)存能力。它的高頻等效電阻受正向直流電流的控制，是一種可調(diào)電阻。它在高頻及微波電路中可以用做電可控開(kāi)關(guān)、限幅器、電調(diào)衰減器或電調(diào)移相器。第22頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六2.晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管

在高頻中應(yīng)用的晶體管仍然是雙極晶體管和多種場(chǎng)效應(yīng)管，這些管子比用于低頻的管子性能更好，在外形結(jié)構(gòu)方面也有所不同。

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高頻晶體管有兩大類(lèi)型：一類(lèi)是做小信號(hào)放大的高頻小功率管，對(duì)它們的主要要求是高增益和低噪聲；另一類(lèi)為高頻功率放大管，除了增益外，要求其在高頻有較大的輸出功率。第24頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六3.集成電路用于高頻的集成電路的類(lèi)型和品種要比用于低頻的集成電路少得多,主要分為通用型和專(zhuān)用型兩種。 目前通用型的寬帶集成放大器，工作頻率可達(dá)一、二百兆赫茲，增益可達(dá)五、六十分貝，甚至更高。用于高頻的晶體管模擬乘法器，工作頻率也可達(dá)一百兆赫茲以上。第25頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六2.2天線

2.2.1天線的作用及分類(lèi)

1.天線的作用從通信系統(tǒng)傳遞信息過(guò)程來(lái)看，天線的作用主要有：（1）完成高頻電流或?qū)胁ㄅc空間無(wú)線電波能量之間的轉(zhuǎn)換，因此，稱(chēng)天線為能量轉(zhuǎn)換器。（2）為了有效地完成這種能量轉(zhuǎn)換，要求天線是一個(gè)良好地“電磁開(kāi)放系統(tǒng)”，還要求天線與它的源或負(fù)載匹配。（3）天線的選擇與設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)整個(gè)無(wú)線電通信系統(tǒng)的性能有很大影響。若天線的選擇與設(shè)計(jì)不當(dāng)，就可能導(dǎo)致整個(gè)通信系統(tǒng)不能正常工作。因此，為了有效地利用信息能量，保證信息傳遞的質(zhì)量，要求發(fā)射天線盡可能只向需要的方向輻射電磁波，接收天線也只接收指定方向的來(lái)波，盡量減少其他方向的干擾和噪聲。人們把天線的這種輻射和接收電波能量與方向有關(guān)的性能稱(chēng)為天線的方向特性。不同的無(wú)線電設(shè)備對(duì)天線的方向特性要求是不同的。（4）天線應(yīng)能發(fā)射和接收預(yù)定極化的電磁波，并應(yīng)有足夠的工作頻率范圍。第26頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六2.天線的分類(lèi)天線的種類(lèi)很多，主要有以下一些分類(lèi)方法：（1）按用途可將天線分為：通信天線、導(dǎo)航天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線和衛(wèi)星天線等。（2）按工作波長(zhǎng)可將天線分為：超長(zhǎng)波天線、長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等。（3）按輻射元的類(lèi)型可將天線分為兩大類(lèi)：線天線和面天線。線天線由半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線構(gòu)成，主要用于長(zhǎng)波、中波和短波波段；面天線由尺寸大于波長(zhǎng)的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成，主要用于微波波段。這兩種天線都可用于超短波波段。（4）按天線特性分類(lèi)：按方向特性可分為：定向天線、全向天線、強(qiáng)方向性天線和弱方向性天線。按極化特性可分為：線極化(垂直極化和水平極化)天線和圓極化天線。按頻帶特性可分為：窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。（5）按饋電方式可分為：對(duì)稱(chēng)天線和非對(duì)稱(chēng)天線o（6）按天線上的電流可分為：行波天線和駐波天線。（7）按天線外形可分為：V形天線、菱形天線、環(huán)行天線、螺旋天線、喇叭天線和反射面天線等。此外，新型天線還有單脈沖天線、相控陣天線、微帶天線、自適應(yīng)天線、智能天線和有源天線等。第27頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六2.2.2對(duì)稱(chēng)天線和單極天線

1.對(duì)稱(chēng)天線對(duì)稱(chēng)天線的結(jié)構(gòu)如圖所示，它是由兩段同樣粗細(xì)且等長(zhǎng)度的直導(dǎo)線構(gòu)成的，在中間的兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)稱(chēng)饋電。在兩臂中間處加上高頻電勢(shì)后，對(duì)稱(chēng)振子上就會(huì)產(chǎn)生高頻電流，此電流就是對(duì)稱(chēng)振子產(chǎn)生電磁場(chǎng)的源。對(duì)稱(chēng)天線

第28頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六2.單極天線單極天線也是一種常用的天線，與對(duì)稱(chēng)天線不同，單極天線只有一個(gè)臂。單極天線與其鏡像(a)單極天線；(b)天線臂與其鏡像構(gòu)成一對(duì)稱(chēng)振子第29頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)45分，星期六2.2.2拋物面天線和微帶天線1.拋物面天線眾所周知，光波是電磁波的一種，它頻率很高，因而在研究微波天線時(shí)，人們自然會(huì)聯(lián)想到在光學(xué)中所采用的方法。拋物面天線的工作原理與探照燈相類(lèi)似。拋物面天線由輻射器(通常也稱(chēng)為饋源)和反射拋物面兩部分所組成。輻射器由一弱方向性天線，如半波振子、二元振子陣或喇叭天線等構(gòu)成，安裝在拋物面的焦點(diǎn)上，饋源把高頻電流(或?qū)Р?能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量并射向拋物面，而拋物面則把饋源輻射過(guò)來(lái)的電磁波沿拋物面軸線方向反射出去，從而獲得很強(qiáng)的方向性。拋物面天線廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代微波中繼通信、衛(wèi)星(通信)地面站、雷達(dá)、制導(dǎo)、射電天文等領(lǐng)域。拋物面有三種基本形式：螺旋拋物面、柱形拋物面和切割拋物面。螺旋拋物面天線是由拋物線旋轉(zhuǎn)而成的，柱形拋物面是由拋物線平移而成的。切割拋物線是截取旋轉(zhuǎn)拋物面的一部分而構(gòu)成的。旋轉(zhuǎn)拋物面天線是微波波段廣泛應(yīng)用的一種反射面天線。這些天線的反射面均由金屬良導(dǎo)體，或由在某種介質(zhì)上鍍上導(dǎo)電金屬，或由導(dǎo)電柵網(wǎng)構(gòu)成。由于饋源發(fā)出的球面波（或柱面波）經(jīng)拋物面表面反射后在拋物面口面上產(chǎn)生的場(chǎng)總是相同的，因此可以根據(jù)需要任意