第3講-高頻-部分接入傳輸線變壓器阻解析課件

高頻電路基礎(chǔ)

部分接入耦合振蕩回路簡介功率合成器傳輸線變壓器（清華版第57頁）衰減器LC阻抗變換1高頻電路基礎(chǔ)部分接入1

部分接入的目的：增大負(fù)載和信號(hào)源內(nèi)阻在回路的等效阻值，保證回路有高的Q值。換句話說是減小QL值的下降。部分接入P17，P18，P132部分接入的目的：增大負(fù)載和信號(hào)源內(nèi)阻在回路的接入系數(shù)P

：

定義為：抽頭點(diǎn)電壓與端電壓的比也可定義為：接入點(diǎn)電壓與欲折合處電壓之比1.變壓器耦合接入電路：

3接入系數(shù)P：定義為：抽頭點(diǎn)電壓與端電壓的比也可定義在不考慮之間的互感M時(shí):2.電感抽頭電路：

4在不考慮之間的互感M時(shí):2.電感抽頭電路3.

電容抽頭電路：接入系數(shù)53.電容抽頭電路：接入系數(shù)54.電阻/電導(dǎo)的折合：根據(jù)能量等效原則：因此即由低抽頭向高抽頭轉(zhuǎn)換時(shí)，等效阻抗提高倍?！镫娮韬碗妼?dǎo)的變比是64.電阻/電導(dǎo)的折合：根據(jù)能量等效原則：因此★電阻和同理：電容的折合結(jié)論：1、抽頭改變時(shí),P改變.

2、抽頭由低

高，等效導(dǎo)納降低P2倍，QL值提高許多，即等效電阻提高了倍，并聯(lián)電阻加大，QL

值提高。電容減小，阻抗加大。7同理：電容的折合電容減小，阻抗加大。7★電壓源和電流源的變比是P

由于

從ab端到bd端電壓變換比為1/P，在保持功率相同的條件下，電流變換比就是P倍。5.電壓源/電流源的折合：右圖表示電流源的折合關(guān)系。因?yàn)槭堑刃ё儞Q，變換前后其功率不變.8★電壓源和電流源的變比是P由于 5.電壓源

因此，抽頭的目的是：減小信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載對(duì)回路的影響。負(fù)載電阻和信號(hào)源內(nèi)阻小時(shí)應(yīng)采用串聯(lián)方式；負(fù)載電阻和信號(hào)源內(nèi)阻大時(shí)應(yīng)采用并聯(lián)方式；負(fù)載電阻信號(hào)源內(nèi)阻不大不小采用部分接入方式。9因此，抽頭的目的是：負(fù)載電阻和信號(hào)源內(nèi)阻小時(shí)應(yīng)采用串聯(lián)方式

例2如圖2—11，抽頭回路由電流源激勵(lì),忽略回路本身的固有損耗,試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。

圖2—11例2的抽頭回路

10例2如圖2—11，抽頭回路由

解由于忽略了回路本身的固有損耗,因此可以認(rèn)為Q→∞。由圖可知,回路電容為諧振角頻率為電阻R1的接入系數(shù)等效到回路兩端的電阻為11解由于忽略了回路本身的固有損耗,因回路兩端電壓u(t)與i(t)同相,電壓振幅Um=Im

R=2V,故輸出電壓為回路有載品質(zhì)因數(shù)回路帶寬12回路兩端電壓u(t)與i(t)同相,輸出電壓為回1313耦合振蕩回路簡介P|20、P21、P221、概述單振蕩回路具有頻率選擇性的作用，但是其選頻特性不夠理想（K0.1=9.98，太大?。?。為了使網(wǎng)絡(luò)具有矩形選頻特性，需要采用耦合振蕩回路。耦合回路由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的單振蕩回路通過各種不同的耦合方式組成14耦合振蕩回路簡介P|20、P21、P221、概述單振蕩回常用的兩種耦合回路：2、耦合系數(shù)k及耦合因子A(η)按耦合參量的大?。簭?qiáng)耦合、弱耦合、臨界耦合(a)電感耦合回路(b)電容耦合回路為此，引入“耦合系數(shù)”的概念來說明回路間耦合程度的強(qiáng)弱并以k表示。耦合回路的特性和功能與兩個(gè)回路的耦合程度有關(guān)15常用的兩種耦合回路：2、耦合系數(shù)k及耦合因子A(η)按耦合可見，任何電路的耦合系數(shù)不但都是無量綱的常數(shù)，而且永遠(yuǎn)是個(gè)遠(yuǎn)小于1的正數(shù)。因此，定義耦合因子:A=Qk其量級(jí)約是1左右。(A>1強(qiáng)耦合、A<1弱耦合、A=臨界耦合)16可見，任何電路的耦合系數(shù)不但都是無量綱的常數(shù)，而且永遠(yuǎn)是個(gè)遠(yuǎn)耦合回路的通頻帶與矩形系數(shù)根據(jù)前述單回路通頻帶的定義，當(dāng)

Q1=Q2=Q，

01=02=

時(shí)可導(dǎo)出：

一般采用A稍大于1，這時(shí)在通帶內(nèi)放大均勻，

且在通帶外衰減很大，有較理想的幅頻特性。(1)若A=1時(shí):當(dāng)A=2.41時(shí):17耦合回路的通頻帶與矩形系數(shù)根據(jù)前述單回路通頻帶的定義

用多個(gè)三極管并聯(lián)運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)功率合成，但一管損壞必將使其它管子狀態(tài)變化，如果用傳輸線變壓器構(gòu)成混合網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)功率合成就不會(huì)有這個(gè)缺點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作。功率合成器,傳統(tǒng)采用多個(gè)高頻晶體管,使它們產(chǎn)生的高頻功率在一個(gè)公共負(fù)載上相加。功率合成器P87P93P5718用多個(gè)三極管并聯(lián)運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)功率合成，但一管損壞必將傳輸線變壓器

P25、P26、P58(2)常用傳輸線變壓器

常用的有(討論前提條件：理想無耗)：1:1倒相器，如右圖所示。1:1平衡-不平衡變換器4:1阻抗變換器，1:4阻抗變換器

傳輸線變壓器是將傳輸線繞在磁環(huán)上的變壓器

性能特點(diǎn)：工作頻帶寬，上限頻率可達(dá)上千兆赫19傳輸線變壓器P25、P26、P58(2)常用傳輸線變壓器2.寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理

傳輸線變壓器與普通變壓器在傳輸能量的方式上是不相同的，傳輸線變壓器負(fù)載兩端的電壓不是次級(jí)感應(yīng)電壓，而是傳輸線的終端端線電壓。usususRLRLRLRsRsRs(a)結(jié)構(gòu)示意圖(c)普通變壓器的原理電路(b)原理電路圖u1u2u1u2上網(wǎng)查傳輸線變壓器寬頻帶原理202.寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理傳輸線變壓(1)1：1傳輸線變壓器

常用傳輸線變壓器分析又叫倒相變壓器當(dāng)傳輸線無損時(shí)：u1=u2

i1=i2usRLRsu1u2i1i2

21(1)1：1傳輸線變壓器常用傳輸線變壓器分析又叫倒

圖2-19平衡與不平衡變換器（a）平衡—不平衡（b）不平衡—與平衡1：1傳輸線實(shí)現(xiàn)平衡和不平衡的相互轉(zhuǎn)換

22圖2-19平衡與不平衡變換器1：1傳輸線實(shí)現(xiàn)平衡和不usRsusususRsRsRLRLRLRLRsu1u1u2u2i2i1i1+i2(2)1：4和4：1傳輸線變壓器

1：4傳輸線變壓器是把負(fù)載阻抗降為1/4倍以便和信號(hào)源相匹配。在負(fù)載匹配的條件下，有u1=u2=u和，i1=i2=i

u1u1u2u2i22ui1i1+i2+2u-i傳輸線變壓器的輸入阻抗為：傳輸線變壓器把負(fù)載RL變換為RL/4，實(shí)現(xiàn)了1：4的阻抗變換。

如果把輸入端和輸出端對(duì)調(diào)就成為4：1傳輸線變壓器。4：1傳輸線變壓器把負(fù)載阻抗升高4倍和信號(hào)源匹配，由電壓電流關(guān)系不難證明該變壓器具有4：1的阻抗變換作用。

i23usRsusususRsRsRLRLRLRLRsu1u1u2兩級(jí)寬帶高頻功率放大電路實(shí)例

兩級(jí)功放都工作在甲類狀態(tài)；三個(gè)傳輸線變壓器均為4:1阻抗變換器；第一級(jí)功放的高輸出阻抗與第二級(jí)功放的低輸入阻抗經(jīng)16:1阻抗變換實(shí)現(xiàn)匹配；第二級(jí)功放的高輸出阻抗與50Ω負(fù)載電阻經(jīng)4:1阻抗變換實(shí)現(xiàn)匹配。24兩級(jí)寬帶高頻功率放大電路實(shí)例兩級(jí)功放都工作在甲類狀態(tài)；24(二)寬帶功率合成技術(shù)

P83、P93、P60

采用魔T網(wǎng)絡(luò)作為功率合成電路中的級(jí)間耦合和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)稱為寬帶高頻功率合成技術(shù)。定義：凡用1:4或4:1傳輸線變壓器接成的混合網(wǎng)絡(luò)稱為魔T網(wǎng)絡(luò)。25(二)寬帶功率合成技術(shù)P83、P93、P60定義：凡用1(1)魔T型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

理想的魔T網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)端口：A、B、C、D。

若Tr的特性阻抗為R，則有RA=RB=R

RC=R/2，RD=2R

其中C端稱為“和”端，D端稱為平衡端或“差”端。

魔T混合網(wǎng)絡(luò)的隔離條件是RC=(1/4)RD。26(1)魔T型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：26魔T網(wǎng)絡(luò)功能:功率分配網(wǎng)絡(luò)同相功率分配：

功率放大器接到C端(如右圖上)，

在A端和B端獲得等值同相功率，

而D端沒有獲得功率。反相功率分配：

功率放大器接到D端(如右圖下)，

在A端和B端獲得等值反相功率，

而C端沒有獲得功率。27魔T網(wǎng)絡(luò)功能:功率分配網(wǎng)絡(luò)27反相功率合成：功率放大器A和B提供等值反相電流，

在D端合成功率，C端無輸出；同相功率合成：功率放大器A和B提供等值同相電流，

在C端合成功率，D端無輸出。功率合成網(wǎng)絡(luò)

右圖是用魔T混合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功率合成的原理電路。圖中，Tr1為魔T混合網(wǎng)絡(luò)，Tr2為1：1平衡-不平衡變換器。(2)魔T網(wǎng)絡(luò)功能28反相功率合成：功率放大器A和B提供等值反相電流，功率合成網(wǎng)絡(luò)3.石英晶體諧振器（p28、p28、p87）一、石英晶體的物理特性1、石英晶體的結(jié)構(gòu)

圖（a）表示自然結(jié)晶體，圖（b）表示晶體的橫斷。為了便于研究，人們根據(jù)石英晶體的物理特性，在石英晶體內(nèi)畫出三種幾何對(duì)稱軸，連接兩個(gè)角錐頂點(diǎn)的一根軸Z，稱為光軸；在圖（b）中沿對(duì)角線的三條X軸，稱為電軸；與電軸相垂直的三條Y軸，稱為機(jī)械軸。圖2.20石英晶體的形狀及橫斷面圖293.石英晶體諧振器（p28、p28、p87）一、石英晶體的（1）石英晶體具有諧振回路的特性因?yàn)槭⒕w和其它彈性體一樣，具有彈性和慣性，因而存在著固有振動(dòng)頻率。當(dāng)外加電信號(hào)頻率在此自然頻率附近時(shí)，就會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。它既表現(xiàn)為晶片的機(jī)械共振，又在電路上表現(xiàn)出電諧振。這時(shí)有很大的電流流過晶體，產(chǎn)生電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。（2）具有較小的頻率溫度特性30（1）石英晶體具有諧振回路的特性30晶體諧振器與一般振蕩回路比較，有以下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：③晶體在工作頻率附近阻抗變化率大，具有很高的并聯(lián)諧振阻抗。①晶體的諧振頻率非常穩(wěn)定。這是因?yàn)橛捎诰w的物理特性受外界因素（如溫度、震動(dòng)等）的影響小。②有非常高的品質(zhì)因數(shù)。而普通LC振蕩回路的Q值只能到幾百。31晶體諧振器與一般振蕩回路比較，有以下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：表面聲波濾波器P33、P33、P29表面聲波濾波器的結(jié)構(gòu)如圖所示。圖2.26表面聲波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖32表面聲波濾波器P33、P33、P29表面聲波濾波器的結(jié)構(gòu)電信號(hào)由交叉指形換能器轉(zhuǎn)換成聲波。換能器的工作原理是利用壓電襯底對(duì)電場作用時(shí)的膨脹和收縮效應(yīng)。一個(gè)時(shí)變電信號(hào)(交流信號(hào)源供給)輸入，引起壓電襯底振動(dòng)，并沿其表面產(chǎn)生聲波。嚴(yán)格地說，傳輸?shù)穆暡ㄓ斜砻娌ê腕w波，但主要是表面波。在壓電襯底的另一端可用第二個(gè)叉指形換能器將聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。簡單工作原理33電信號(hào)由交叉指形換能器轉(zhuǎn)換成聲波。換能器的工作原理是

目前表面聲波濾波器的中心頻率可在10MHz～1GHz之間，相對(duì)帶寬為0.5%--50%，插入損耗最低僅幾個(gè)dB，矩形系數(shù)可達(dá)1.2。

圖示為一接有聲表面波濾波器的預(yù)中放電路，濾波器輸出端與一寬帶器相接。圖

聲表面波濾波器與放大器連接

34目前表面聲波濾波器的中心頻率可在10MHz～1GHz2.2.5高頻衰減器352.2.5高頻衰減器35阻抗變換與阻抗匹配

P76、P37RiRoR'LR'S功率放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)RLRSuS阻抗匹配，以保證傳輸功率最大化36阻抗變換與阻抗匹配P76、P37RiRoR'LR'S功利用電抗網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配

電抗網(wǎng)絡(luò)只由無損耗電抗元件組成，電抗網(wǎng)絡(luò)不消耗功率，因?yàn)殡娮柙?dǎo)致耦合網(wǎng)路中的功率消耗。電抗網(wǎng)絡(luò)可以用來在窄頻范圍內(nèi)匹配阻抗。37利用電抗網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配37在給定頻率處電阻和電抗的串聯(lián)如何等效于并聯(lián)jXsRsZijXpRpZi串聯(lián)電抗等效并聯(lián)電抗的屬性一致（1）（2）38在給定頻率處電阻和電抗的串聯(lián)如何等效于并聯(lián)jXsRsZijX同理：在給定頻率處電阻和電抗的并聯(lián)如何等效于串聯(lián)jXsRsZijXpRpZi串聯(lián)電抗等效并聯(lián)電抗的屬性一致（3）（4）39同理：在給定頻率處電阻和電抗的并聯(lián)如何等效于串聯(lián)jXsRsZ解：（3）式說明等效并聯(lián)電阻遠(yuǎn)大于串聯(lián)電阻。給73Ω等效電阻并聯(lián)一個(gè)電阻可以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但是這將導(dǎo)致耦合網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗。這樣通過于負(fù)載串聯(lián)一個(gè)-j5.1Ω（1.56nF）的容抗可以使Xs的電抗為20Ω，此時(shí)等效并聯(lián)電阻為50Ω，等效并聯(lián)電抗為：通過在并聯(lián)電路中并聯(lián)一個(gè)-j25(318pF)的電容可以消去電抗。完整的電路如圖例：一個(gè)晶體管放大器的輸入阻抗等于10Ω和0.2μH串聯(lián)。設(shè)計(jì)一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)使20MHz處輸入阻抗為50Ω。j25.1Ω(2*20*0.2)10Ω50Ω無損匹配網(wǎng)絡(luò)40解：（3）式說明等效并聯(lián)電阻遠(yuǎn)大于串聯(lián)電阻。給73Ω等效電j25.1Ω10Ω50Ω-j5.1Ω-j25Ω41j25.1Ω10Ω50Ω-j5.1Ω-j25Ω41100Ω50Ωj25.1Ω無損匹配網(wǎng)絡(luò)例：設(shè)計(jì)一個(gè)無損耗的匹配網(wǎng)絡(luò)將圖示的阻抗耦合到20MHz處等于50Ω的信號(hào)源阻抗。解：因?yàn)榇?lián)到并聯(lián)的轉(zhuǎn)換總是導(dǎo)致