高頻電子線路李福勤第二

關于高頻電子線路李福勤第二第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日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、無源元件和無源網絡組成的。

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，但是注意它們在高頻使用時的高頻特性。高頻電路中的元件主要是電阻（器）、電容器）和電感（器）,它們都屬于無源的線性元件。高頻電路中完成信號的放大，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。第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日高頻電路中的元件1.電阻器一個實際的電阻器，在低頻時主要表現為電阻特性，但在高頻使用時不僅表現有電阻特性的一面，而且還表現有電抗特性的一面。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。第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日電阻的高頻等效電路CRRLR第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.電感線圈的高頻特性電感線圈在高頻頻段除表現出電感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、中、短波頻段電路時，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。第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日電感線圈的串聯等效電路rL第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日電阻r隨頻率增高而增加，這主要是集膚效應的影響。所謂集膚效應是指隨著工作頻率的增高，流過導線的交流電流向導線表面集中這一現象，當頻率很高時，導線中心部位幾乎完全沒有電流流過，這相當于把導線的橫截面積減小為導線的圓環(huán)面積，導電的有效面積較直流時大為減小，電阻r增大。工作頻率越高，圓環(huán)的面積越小，導線電阻就越大。第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日

在無線電技術中通常不是直接用等效電阻r，而是引入線圈的品質因數這一參數來表示線圈的損耗性能。品質因數定義為無功功率與有功功率之比:(2.1.1)第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日

設流過電感線圈的電流為I，則電感L上的無功功率為I2ωL，而線圈的損耗功率，即電阻r的消耗功率為I2r，故由式（）得到電感的品質因數 (1.1.2)第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日

在電路分析中，為了計算方便，有時需要把電感與電阻串聯形式的線圈等效電路轉換為電感與電阻的并聯形式。下圖中的LP、R表示并聯形式的參數。 第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日(2.1.3)電感線圈串、并聯等效電路

根據等效電路的原理，在左圖中1-2兩端的導納應等于右圖中1’-2’兩端的導納，即rL12RLP1’2’第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日

由上式，并用式(2.1.2)就可以得到

(1.1.4)

由上述結果表明，一個高Q電感線圈，其等效電路可以表示為串聯形式,也可以表示為并聯式行。在兩種形式中，電感值近似不變，串聯電阻與并聯電阻的乘積等于感抗的平方。當Q＞＞1時，則第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日

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，變換成R則為幾十到幾百千歐。

Q也可以用并聯形式的參數表示。由式(2.1.4)有

上式代入(2.1.2)得

上式表明，若以并聯形式表示Q時，則為并聯電阻與感抗之比。

第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日3.電容器的高頻特征 一個實際的電容器除表現電容特性外，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，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、并聯等效電路rCp第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日

為了說明電容器損耗的大小，引入電容器的品質因數Q，它等于容抗與串聯電阻之比

(2.1.5)(2.1.6)

若以并聯等效電路表示，則為并聯電阻與容抗之比。第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日

電容器損耗電阻的大小主要由介質材料決定。Q值可達幾千到幾萬的數量級，與電感線圈相比,電容器的損耗常常忽略不計。第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日

同理，可以推導出上圖串、并聯電路的變換式:當Q＞＞1時，它們近似式為第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日

上面分析表明，一個實際的電容器，其等效電路可以表示為串聯形式，也可以表示為并聯形式。兩種形式中電容值近似不變，串聯電阻和并聯電阻的乘積等于容抗的平方。第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日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有根本不同。只是由于工作在高頻范圍，對器件的某些性能要求更高。隨著半導體和集成電路技術的高速發(fā)展，能滿足高頻應用要求的器件越來越多，也出現了一些專門用途的高頻半導體器件。第十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日1.二極管半導體二極管在高頻中主要用于檢波、調制、解調及混頻等非線性變換電路中，工作在低電平。因此主要用點接觸式二極管和表面勢壘二極管(又稱肖特基二極管)。兩者都利用多數載流子導電機理，它們的極間電容小，工作頻率高。

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變容二極管的記憶電容Cj與外加反偏電壓U之間呈非線性關系。變容二極管在工作時處于反偏截止狀態(tài)，基本上不消耗能量，噪聲小，功率高。將它用于振蕩回路中，可以做成電調諧器，也可以構成自動調諧電路等。

變容管若用于振蕩器中，可以通過改變電壓來改變振蕩信號的頻率。這種振蕩器稱為壓控振蕩器(VCO)，壓控振蕩器是鎖相環(huán)路的一個重要部件。第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日

電調諧器和壓控振蕩器也廣泛用于電視接收機的高頻頭中。具有變容效應的某些微波二極管(微波變容器)還可以進行非線性電容混頻、倍頻。還有一種以P型，N型和本征(I)型三種半導體構成的PIN二極管，它具有較強的正向電荷儲存能力。它的高頻等效電阻受正向直流電流的控制，是一種可調電阻。它在高頻及微波電路中可以用做電可控開關、限幅器、電調衰減器或電調移相器。第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.晶體管與場效應管

在高頻中應用的晶體管仍然是雙極晶體管和多種場效應管，這些管子比用于低頻的管子性能更好，在外形結構方面也有所不同。

第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日

高頻晶體管有兩大類型：一類是做小信號放大的高頻小功率管，對它們的主要要求是高增益和低噪聲；另一類為高頻功率放大管，除了增益外，要求其在高頻有較大的輸出功率。第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日3.集成電路用于高頻的集成電路的類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用型兩種。 目前通用型的寬帶集成放大器，工作頻率可達一、二百兆赫茲，增益可達五、六十分貝，甚至更高。用于高頻的晶體管模擬乘法器，工作頻率也可達一百兆赫茲以上。第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.2天線

2.2.1天線的作用及分類

1.天線的作用從通信系統傳遞信息過程來看，天線的作用主要有：（1）完成高頻電流或導行波與空間無線電波能量之間的轉換，因此，稱天線為能量轉換器。（2）為了有效地完成這種能量轉換，要求天線是一個良好地“電磁開放系統”，還要求天線與它的源或負載匹配。（3）天線的選擇與設計是否合理，對整個無線電通信系統的性能有很大影響。若天線的選擇與設計不當，就可能導致整個通信系統不能正常工作。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的性能稱為天線的方向特性。不同的無線電設備對天線的方向特性要求是不同的。（4）天線應能發(fā)射和接收預定極化的電磁波，并應有足夠的工作頻率范圍。第二十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.天線的分類天線的種類很多，主要有以下一些分類方法：（1）按用途可將天線分為：通信天線、導航天線、廣播電視天線、雷達天線和衛(wèi)星天線等。（2）按工作波長可將天線分為：超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等。（3）按輻射元的類型可將天線分為兩大類：線天線和面天線。線天線由半徑遠小于波長的金屬導線構成，主要用于長波、中波和短波波段；面天線由尺寸大于波長的金屬或介質面構成，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：按方向特性可分為：定向天線、全向天線、強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：對稱天線和非對稱天線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、自適應天線、智能天線和有源天線等。第二十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.2.2對稱天線和單極天線

1.對稱天線對稱天線的結構如圖所示，它是由兩段同樣粗細且等長度的直導線構成的，在中間的兩個端點對稱饋電。在兩臂中間處加上高頻電勢后，對稱振子上就會產生高頻電流，此電流就是對稱振子產生電磁場的源。對稱天線

第二十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.單極天線單極天線也是一種常用的天線，與對稱天線不同，單極天線只有一個臂。單極天線與其鏡像(a)單極天線；(b)天線臂與其鏡像構成一對稱振子第二十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日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，人們自然會聯想到在光學中所采用的方法。拋物面天線的工作原理與探照燈相類似。拋物面天線由輻射器(通常也稱為饋源)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成，安裝在拋物面的焦點上，饋源把高頻電流(或導波)能量轉換成電磁波能量并射向拋物面，而拋物面則把饋源輻射過來的電磁波沿拋物面軸線方向反射出去，從而獲得很強的方向性。拋物面天線廣泛地應用于現代微波中繼通信、衛(wèi)星(通信)地面站、雷達、制導、射電天文等領域。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拋物面的一部分而構成的。旋轉拋物面天線是微波波段廣泛應用的一種反射面天線。這些天線的反射面均由金屬良導體，或由在某種介質上鍍上導電金屬，或由導電柵網構成。由于饋源發(fā)出的球面波（或柱面波）經拋物面表面反射后在拋物面口面