《高頻電子電路》課件-第1

第1章緒論利用高頻無線電波來傳遞信息的無線電技術已廣泛應用于無線電通信、廣播、電視、雷達、導航等主要設備和系統(tǒng)中，其中的發(fā)射、接收、檢測高頻信號的基本功能電路大都相同。本課程主要討論的就是這類處理高頻信號的高頻電子電路。信號的時間特性一個電信號(電壓或電流),通常將它表示為時間的函數(shù),稱為信號的時域表達，用隨時間變化的波形或數(shù)學表達式來描述。例如圖示信號的表達式為

電信號的時間特性就是信號隨時間變化快慢的特性。

1.1無線電波頻段的劃分與應用

信號的時間特性要求傳輸該信號的電路的時間特性（如時間常數(shù)）與之相適應。圖1信號的波形

對于周期性信號,可以表示為許多離散的頻率分量（各分量間成諧頻關系）。信號的頻譜特性

對于較復雜的信號（如話音信號、圖像信號等）,用頻譜分析法表示較為方便。例如，圖1所示信號可以用傅里葉變換的方法分解為無窮多個頻率的正弦波的和。頻譜特性包含幅頻特性Um~f和相頻特性

~f兩部分,它們分別反映信號中各個頻率分量的振幅和相位的分布情況。任何信號都會占據(jù)一定的帶寬。從頻譜特性上看,帶寬就是信號能量主要部分(一般為90%以上)所占據(jù)的頻率范圍或頻帶寬度。

圖2頻譜圖電信號以電磁波形式在自由空間中傳播，傳播速度為光速c，電磁波的波長

與頻率f存在以下關系：電磁波的頻譜很寬

無線電波只是一種波長比較長(即頻率相對較低)的電磁波,占據(jù)的頻率范圍是30kHz—300GHz。例（1）GSM數(shù)字蜂窩系統(tǒng)（單頻、雙頻手機）（2）我國無線電廣播系統(tǒng)無線電波的頻段、傳輸媒介和用途不同頻段電磁波的傳播方式和能力不同，應用范圍也不同?！案哳l”，廣義上講就是適于無線電波發(fā)射和傳播的電磁波頻率，其頻率范圍非常寬，通常又稱“射頻”。只要電路尺寸比工作波長小得多，仍可用集總參數(shù)來分析和實現(xiàn)，都可認為屬于高頻范圍。高頻電子電路所涉及的正是高頻信號傳輸和處理方面的基本電路（但不涉及用于處理一千兆赫茲以上信號的微波電路）1.2高頻電子電路的研究內(nèi)容如：音頻頻率范圍20Hz-20kHz

語音分布在300Hz-3000Hz；信號波長計算公式

=c/f

，其中：c=3×108（米∕秒）∴語音信號波長范圍是

=（100~1000）km信號在空間直接發(fā)送存在的問題②信號選擇：如果直接發(fā)射，各種基帶信號頻率范圍大致相同，會造成各信號之間的相互干擾，使接收機無法區(qū)分。①天線尺寸：天線尺寸與被輻射信號的波長相比擬時（波長λ的1/10~1），信號才能被天線有效的輻射出去。聲音是如何傳到遠方的？

人耳能聽到的聲音（f=20-20KHz），聲波在空氣中傳播的速度340米∕秒，且衰減很快。

把聲音傳到遠方采用的方法是：

將聲音變?yōu)殡娦盘?，將反映聲音變化?guī)律的電信號借助非線性電子器件進行變換和處理，由發(fā)射機將該信號變?yōu)樽銐驈姷母哳l電磁波，由信道（例：天線）傳輸。該過程稱為發(fā)送。

在遠方由接收機從信道接收后，經(jīng)過與發(fā)射端相反的變換過程及放大后，再經(jīng)電→聲，變換為原聲音。該過程稱為接收。調(diào)制解調(diào)把音頻信號（調(diào)制信號、攜有信息的信號）“裝載”（調(diào)制）到高頻振蕩（載波）之中，然后由天線向外輻射出去，這種方法叫調(diào)制。待發(fā)送的貨物運載工具調(diào)制的作用調(diào)制：用需傳送的基帶信號去控制高頻載波振蕩信號的參量，使其隨基帶信號的變換而線性變換。載波信號基帶信號已調(diào)信號調(diào)制傳送信息的特點：

載波信號相當于運載工具頻率很高；無線發(fā)射時，天線尺寸可以很小；不同電臺，可以選擇不同的載波頻率，因而接收時容易區(qū)分，從而實現(xiàn)多路傳輸，互不干擾（信道復用）。調(diào)制的波形

所謂調(diào)制,就是用調(diào)制信號去控制高頻載波的參數(shù),使載波信號的某一個或幾個參數(shù)（振幅、頻率或相位）按照調(diào)制信號的規(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：1).振幅調(diào)制（調(diào)幅）2).頻率調(diào)制（調(diào)頻）3).相位調(diào)制（調(diào)相）分別用AM、FM、PM表示，還可以有組合調(diào)制方式。

發(fā)送設備的組成2）發(fā)送設備主要有兩大任務:一是調(diào)制

,二是放大。1）無線電傳輸信息的基本要求①希望傳輸距離遠；②能夠?qū)崿F(xiàn)多路傳輸，各路信號傳輸時應互不干擾。低頻電子電路高頻電子電路傳輸?shù)男盘枮槭裁匆M行調(diào)制？傳輸信號波長與天線匹配的要求

在無線電通信中，由天線理論可知，要將電信號有效地發(fā)射出去，天線的尺寸必須和信號的波長為同一數(shù)量級。計算：發(fā)送f=1000Hz的音頻信號，需要的天線長度。

λ=c/f=300000000/1000=300000=300(公里)采用調(diào)制后，不同的發(fā)射臺可以采用不同頻率的高頻振蕩信號發(fā)送，有利于其在頻譜上的分離,可以實現(xiàn)多路復用，提高頻帶的利用率。更高的頻段，可用的頻帶更寬，可以傳輸更多的信息或容納更多的用戶，頻帶利用率也更高—頻帶復用。超外差式接收

由于有固定頻率的中頻放大器，它不僅可以實現(xiàn)較高的放大倍數(shù)，而且選擇性也很容易得到滿足。高頻電子電路低頻電子電路無線通信系統(tǒng)的基本組成

信源天線信道發(fā)送設備接收設備信宿具有各種不同的形式，可以是音樂、語言、文字、圖像等。將基帶信號變換為適合信道傳輸?shù)母哳l電信號，變換后的信號稱為已調(diào)信號。將信息源輸入的信息轉換成相應的電信號，該信號稱為基帶信號本課程的研究對象電路功能：是指基本電路所完成的信號傳輸和信號變換處理的具體工作任務。表達方式有輸入信號和輸出信號的數(shù)學表示法、波形表示法及頻譜表示法。

本課程的研究對象是各種高頻電子電路的基本組成、典型電路、工作原理、工程近似分析方法與主要技術指標的估算。高頻電子電路：高頻小信號諧振放大器、高頻功率放大器、混頻器、正弦波振蕩器、中頻放大器、倍頻器、調(diào)制器和解調(diào)器等。高頻電子電路的特點①工作頻率在幾百千赫至幾百兆赫的高頻段；②電路用分立無源元件、有源器件組成，且它們的高頻效應不可忽略；③大多屬于非線性電路；④輸入信號的大小及器件的工作狀態(tài)決定了各個非線性器件的模型，電路功能的分析是采用工程近似分析方法；⑤可以用不同的器件和不同的電路形式構成，其功能和輸入、輸出頻譜的關系不會因不同器件或不同的電路形式而改變，也就是說，實現(xiàn)同一功能電路的基本原理是不變的。1.電阻器的高頻模型

一個實際電阻器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。

在頻率f=0.3MHz~300MHz范圍內(nèi)，

在本課程所討論的頻率范圍內(nèi)，電阻的電容及電感效應可略，理解為理想電阻。

1.3.1無源元件的高頻模型1.3高頻電子電路分析基礎2.電感器的高頻模型電感線圈工作在高頻時，其等效電路如圖。特點1：在高頻（即頻率f=0.3MHz~300MHz）情況下，損耗不可略，用品質(zhì)因數(shù)Q描述。特點2：電感線圈存在自身諧振頻率即工作上限頻率；當工作頻率大于其自身諧振頻率時呈現(xiàn)電容效應。特點3：在本課程所討論的頻率范圍內(nèi)，電容效應可略，等效電路如圖。其中,L為理想無損電感，產(chǎn)生的感抗為jωL；理想電阻rL代表電感線圈的交流損耗；理想電容CL

體現(xiàn)電感線圈的分布電容效應。高頻條件下（0.3MHz~300MHz），實際電感線圈的模型：實際電感線圈的空載品質(zhì)因數(shù)Q0通常在幾十至三百左右。電感線圈可以用一個理想電感L和一個理想電阻r的串聯(lián)來模擬，如圖所示。由于集膚效應的影響，損耗電阻r的值隨工作頻率的增高而增大。3.電容器的高頻模型

由介質(zhì)隔開的兩導體即構成電容器。一個實際電容器的等效電路如圖所示。

C為理想電容，rC代表電容器的極間介質(zhì)損耗，LC代表電容器的極間分布電感效應和引線電感效應。特點2：

一個實際的電容器的損耗主要決定于介質(zhì)材料。目前，電容器的容值可達幾千到幾萬的數(shù)量級，與電感元件相比，其損耗可略，因而在高頻段（即頻率f=0.3MHz~300MHz）可認為是無損且無電感效應的理想電容元件，但在微波波段不可。特點1：

存在自身諧振頻率即工作上限頻率；當工作頻率大于其自身諧振頻率時呈現(xiàn)電感效應。高頻、高Q條件下的模型器件模型電感線圈電阻器電容器1.3.2有源器件的高頻模型

通常將具有電流控制能力的器件稱為有源器件。用于高頻電子電路的有源器件仍然是半導體二極管、三極管、場效應管和半導體集成電路等，只是由于工作在高頻范圍，它們的極間電容等的頻率效應不可忽略，因而呈現(xiàn)非線性特性。

在電路分析時，需結合工作頻率、輸入交流信號的幅度等工作條件對有源器件的非線性特性進行工程近似處理，建立相對應的有源器件等效模型。不同的功能電路中，有源器件的工作環(huán)境不同，因而有源器件的等效模型不同。故，有源器件的等效模型將在后續(xù)各個功能電路中具體討論。1.3.3串、并聯(lián)阻抗的等效互換對比，得或【例1.1】在f0=10MHz時測得某電感線圈的參數(shù)為L=3μH和Q0=80。試求：1）電感線圈的串聯(lián)等效損耗電阻r0；2）電感線圈的并聯(lián)等效損耗電導g0=?解：1）2）1.3.4LC選頻回路1.LC并聯(lián)回路最簡單的LC并聯(lián)回路將電感損耗用R0模擬將電阻用Rp等效1）LC并聯(lián)回路的導納有載品質(zhì)因數(shù)阻抗整理導納諧振電阻電納電導并聯(lián)諧振回路的阻抗特性

>

0時，回路呈容性；

<

0時，回路呈感性；阻抗角的頻率特性是單調(diào)減的。當工作頻率

=

0時，LC并聯(lián)諧振結構呈現(xiàn)阻性，阻抗達最大值且Z=Rp。2）LC并聯(lián)回路的諧振特性

3）LC并聯(lián)回路的選頻特性歸一化電壓的幅值隨工作頻率變化的關系曲線稱為諧振曲線注：對并聯(lián)諧振回路而言，激勵是電流源，響應是端電壓。諧振曲線回路具有選頻能力：對激勵中接近于f0的頻率成分衰減很少，而阻止激勵中遠離f0的頻率成分通過。理想諧振曲線應為矩形。選頻特性①Q(mào)L值越大，諧振曲線越尖銳，選頻特性愈好；③矩形系數(shù)（用K0.1表示）：表達實際諧振曲線接近矩形的程度。②3dB通頻帶寬度（用2

f0.7或BW0.7表示）：當諧振曲線由最大值1下降到時，兩邊界頻率與之間的頻帶寬度稱為回路的。

由于電路無負載，則諧振電阻即為線圈的等效損耗并聯(lián)電阻，且品質(zhì)因數(shù)【例1.2】在圖示的LC并聯(lián)選頻回路中，線圈的電感L=586

H、等效損耗串聯(lián)電阻r=12

，電容C=200pF。求回路的品質(zhì)因數(shù)Q、諧振電阻Rp和通頻帶2

f0.7。解：

電路等效如圖?；芈返耐l帶諧振電阻【例1.3】在圖示電路中，線圈的電感L=586

H、等效損耗串聯(lián)電阻r=12

，電容C=200pF，負載電阻為RL=200k

，信號源內(nèi)阻為Rs=200k

。問電路系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)多大？通頻帶為多寬？解：

電路的品質(zhì)因數(shù)線圈等效損耗并聯(lián)電阻電路等效如圖。電路的總電導電路的通頻帶寬度【例1.4】一LC并聯(lián)諧振回路，諧振頻率為10MHz，回路電容為50pF，試計算所需電感線圈的電感值。若電感線圈的品質(zhì)因數(shù)為100，試計算回路的諧振電阻和帶寬。若要求增加回路的帶寬為0.5MHz，則應在回路中并聯(lián)多大的電阻才能滿足所需帶寬的要求？解：

1）由于2）解得回路的帶寬回路的諧振電阻【例1.4】一LC并聯(lián)諧振回路，諧振頻率為10MHz，回路電容為50pF，試計算所需電感線圈的電感值。若電感線圈的品質(zhì)因數(shù)為100，試計算回路的諧振電阻和帶寬。若要求增加回路的帶寬為0.5MHz，則應在回路中并聯(lián)多大的電阻才能滿足所需帶寬的要求？3）滿足0.5MHz帶寬時應并聯(lián)電阻R，此時，品質(zhì)因數(shù)滿足解得此時，回路的總電阻為解得即2.LC串聯(lián)回路1）電路結構2）高頻等效電路3）電路阻抗4）串聯(lián)諧振即：固有頻率電抗電阻諧振阻抗回路有載品質(zhì)因數(shù)5）串聯(lián)諧振回路的阻抗特性結論1：諧振時，LC串聯(lián)回路的阻抗模達到最小，為r，呈阻性。r=rL+r0，r0為電感線圈的損耗電阻，rL為外接負載。阻抗幅值的頻率特性結論2：當工作頻率時，LC串聯(lián)結構相當于感性阻抗；當工作頻率時，LC串聯(lián)結構相當于容性阻抗；

阻抗角的頻率特性是單調(diào)增的；阻抗幅角的頻率特性

其中：

6）串聯(lián)諧振回路的選頻特性頻率時，串聯(lián)諧振回路的歸一化電流為顯然，在電路元件參數(shù)確定時(即QL確定)，對不同的工作頻率，I/I0的值不同，稱I/I0~

為LC串聯(lián)諧振回路的諧振曲線.

LC串聯(lián)諧振回路的諧振曲線：結論1：當諧振(

=

0)時電流I達最大；結論2：QL值越大，回路的選擇性越好。結論3：3dB通頻帶B【例1.5】現(xiàn)有一電感線圈，其電感L=200μH、品質(zhì)因數(shù)。將它與一可變電容器C串聯(lián)后，接于幅度為Usm=10mV，頻率為f0=794kHz的交流信號源上。調(diào)節(jié)可變電容器C的值，使回路工作于諧振狀態(tài)，試求此時：（1）電容器的容值C0及諧振電阻rs。（2）回路電流的幅值I0。（3）電容器兩端電壓的幅值Ucm。解：根據(jù)題意畫出其電路如圖所示。當電容器容值為C0時，回路諧振，滿足且【例1.6】有一雙電感復雜并聯(lián)回路如圖所示。已知L1+L2=500

H，C=500pF，為了使電源中的二次諧波能被回路濾除，應如何分配L1和L2？分析：

欲負載獲得的電壓的

頻率成分是0這時，L2與C的串聯(lián)結構的固有諧振頻率應為設i1(t)的頻率是

0,i2(t)的頻率是20用L2與C的串聯(lián)結構將頻率成分20短路

對頻率成分

0而言，L2與C的串聯(lián)結構一定呈現(xiàn)容性，若L1與容性的L2C串聯(lián)結構發(fā)生并聯(lián)諧振，負載將獲得的較大的電壓（頻率成分是0）解：

L1=375

H

L2=125H又L1+L2=500

H即和【例1.6】有一雙電感復雜并聯(lián)回路如圖所示。已知L1+L2=500

H，C=500pF，為了使電源中的二次諧波能被回路濾除，應如何分配L1和L2？1.3.5阻抗變換1.負載的部分接入R’L能量守恒→定義接入系數(shù)：解得：等效為：X2、X3同性電抗（同為電感或同為電容）與X2、X3異性電抗。1）變壓器耦合連接的變比關系2）自耦變壓器耦合連接的變比關系3）雙電容分壓耦合聯(lián)結的變比關系C【例1.7】如圖所示。試計算回路諧振頻率fo和3dB通頻帶2Δf0.7。已知：L=0.8μH，Q0=100，C1=25pF，C2=5pF，Ci=5pF，Ri=10k

，RL=5k。

答：原電路等效為總結：負載部分接入LC回路時的阻抗變換關系如下：

為了以后分析電路時運用方便，可將上述變化關系推廣