高频第2章高频电路基础1高频电路中元器件及组.ppt

1、第二章 高频电路基础,2.1 高频电路中的元器件 2.2 高频电路中的组件,作业： 2-1、2-3,1.1 无线通信系统概述,1.1.1无线通信系统的组成,发送设备主要由基带信号处理、调制器、频带信号处理、功率放大器组成。 发送设备的任务（功能）：调制、放大与滤波。 接收设备主要由射频选择放大、解调、基带信号处理、功率放大器组成。 接收设备的任务（功能）：解调、放大与滤波。 输入换能器 输出换能器,接收设备的结构,接收设备的总体结构：超外差式。 有一次变频、二次变频等结构形式。 镜频抑制接收机结构 零中频式接收机结构,镜频抑制接收机原理,零中频接收机结构,优点:1.无镜频干扰； 2.射频处理模

2、块少； 3.不需中频滤波器,缺点：1.本振泄漏(经射频通道、天线泄漏)； 2.低噪声放大器偶次谐波失真干扰； 3.直流偏差（泄漏的本振经天线接收在与本振混频为零中频 的直流信号，远大于信号）（用交流耦合或谐波混频消除）； 4.低频闪烁噪声（场效应管较严重，频率越低越大）干扰。,1.1.2 无线通信系统的类型,按系统中关键部分的不同特性分类： 按工作频段分：中波、短波、超短波、微波和卫星等通信系统。 按通信方式分：（全）双工、半双工和单工方式。 按调制方式分：调幅、调频、调相和混合调制。 按传送的消息的类型分：模拟和数字通信。 还有其它分类： 移动和固定 专用和公用、军用和民用 频分多址和时分多

3、址、码分多址、空分多址 陆地、空中、海上、航天,1.2 信号、频谱与调制 高频电路中要处理的无线电信号主要有三种：基带（消息）信号、高频载波信号和已调信号。主要有时间特性、频率特性、频谱特性、调制特性和传播特性。,时间特性：各种信号波形，电参量随时间而变化。 频谱特性：频谱图，或谐波分析。信号包含各种不同频率正弦信号的幅度大小。 频率特性：任何信号都具有一定的频率或波长，也都具有一定的频率范围（带宽）。 调制特性：信号要远距离传输都必需经过调制，特别是无线传输。 传播特性：无线通信的传播媒质主要是自由空间。不同的频率，有不同的传播方式。,1.时间特性 无线电信号（电流或电压）的幅度随时间的变化

4、 关系。表现为周期性或非周期性，连续变化或不连 续变化，等等。 2.频谱特性 非单一频率的信号（非正弦信号，如脉冲信 号），都包含不同的频率分量，有特定的频谱结构。 表现为连续或不连续特点。 占据一定的宽度。如： 语音的频谱宽度约为 1006000Hz，图像的 频谱宽度约为06MHz。,3.频率特性 任何信号都具有一定的频率或波长。在自由空间，频率和 波长有如下关系：,(力学公式),应当指出，不同频段的信 号具有不同的分析与实现方 法，对于米波（超短波或甚高频）以上信号，通常用集总 （中）参数的方法来分析与实现；对于米波一下的信号一般 用分布参数的方法来分析与实现。,4.传播特性 依据无线电信

5、号 的频段或波长，其传播方式、传 播距离及传播特点有所不同。 电波传播方式：直射（视距）、绕射（地波）、 散射（空间波）、折射（不同介质）、反射（天波）。 广播发射方式：地波、天波、空间波。 中、低频（中、长波）-地波方式绕射传播。 波长越长，吸收损耗越少。 短波波段-天波方式沿电离层反射传播。频率 越高电离层吸收越少，但越容易穿透电离层。 超短波以上（甚高频VHF）-空间波方式直射传播。,5.调制特性 调制特性在无线电 通信中的作用是至关重要的。 无线电辐射是通过天线向外辐射，天线的尺寸与波 长相适应，信号通过调制到很高的频率上，通过较 小的天线有效的辐射到空间，形成电磁波辐射。 调制的另一

6、个作用是，实现信道的复用，提高信 道的利用率。 数字调制还能实现抗干扰、纠错和保密功能。 调制分为模拟和数字调制。 调制分为正弦调制和脉冲调制（载波为正弦或脉 冲信号）,信号如何调制？,调制方式：调幅、调频和调相。 （1）调幅 高频载波信号的幅度受调制信号控制，随调制 信号的变化而变化。分为AM、DSB、SSB、VSB调幅制。 （2）调频 高频载波信号的频率受调制信号控制，随调制 信号的变化而变化。 （3）调相 高频载波信号的相位受调制信号控制，随调制 信号的变化而变化。,2. 调制方法： （1）调幅 频谱线性搬移（相乘器） （2）调相 频谱非线性搬移（谐振回路、移相网络等） （3）调频 频谱

7、非线性搬移（直接与间接调频） 直接调频：调制信号直接控制振荡器。 间接调频：先将调制信号积分后再进行直接调相。,第二章高频电路基础,各种高频电路基本上是由有源器件、无源元件和无源网 络组成的。 高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同，但是注意它们在高频使用时的高频特性。 高频电路中的元件主要是电阻（器）、电容（器）和电 感（器）, 它们都属于无源的线性元件。高频电路中完成信 号的放大，非线性变换等功能的有源器件主要是二极管，晶体管和集成电路。,2.1高频电路中的元器件,1.电阻器 一个实际的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性，但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面，而且还表现

8、有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。,一个电阻R的高频等效电路如图所示，其中CR为分布电容，LR为引线电感，R为电阻。,电阻的高频等效电路,电阻r随频率增高而增加，这主要是趋肤效应的影响.,2.电感线圈的高频特性 电感线圈在高频频段除表现出电感L的特性外，还具有一定的损耗电阻r和分布电容。在分析一般长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈的等效电路可以表示为电感L和电阻r串联，如图所示。,电感线圈的低频等效电路,3.电容器的高频特征 一个实际的电容器除表现电容特性外，也具有损耗电阻和分布电感。 与电感线圈相比，电容的损耗常常忽略不计。 电容器的等效电路也

9、有两种形式，如图所示。,设流过电感线圈的电流为I，则电感L上的无功功率为I2L，而线圈的损耗功率，即电阻r的消耗功率为I2r，所以电感的品质因数为,Q值是一个比值，它是感抗L与损耗电阻r之比，Q值越高损耗越小，一般情况下, 线圈的Q值通常在几十到一二百左右。,品质因数 表示线圈的损耗性能。 定义：无功功率与有功功率之比 :,电感与电阻串联形式的线圈等效电路转换为电感与电阻的并联形式。,电感线圈串、并联等效电路,根据等效电路的原理，在左图中1-2两端的导纳应等于右图中1-2两端的导纳，即,由上式，并用式(1.1.2)就可以得到,( 1.1.4 ),由上述结果表明，一个高Q电感线圈，其等效电路可以

10、表示为串联形式,也可以表示为并联式行。在两种形式中，电感值近似不变，串联电阻与并联电阻的乘积等于感抗的平方。即：,当Q 1时，则,串联与并联转换（电感）,转换,由式(1.1.4)看出，r越小R就越大，即损耗小，反之，则损耗大。 一般地，r为几欧的量级，变换成R则为几十到几百千欧。 Q 也可以用并联形式的参数表示。 由式(1.1.4)有 上式代入(1.1.2)得,-用并联形式表示,（ -用串联形式表示）,表示同一个电感的损耗。,电感的损耗,为了说明电容器损耗的大小，引入电容器的品质因数Q，用串联形式表示为：,-串联形式表示,-并联形式表示,电容器损耗电阻的大小主要由介质材料决定。 Q值可达几千到

11、几万的数量级，因此， 电容器的损耗常常忽略不计。,用并联形式表示为：,电容的损耗,同理，可以推导出上图串、并联电路的变换式:,当Q 1时，它们近似式为,串联电阻和并联电阻的乘积等于容抗的平方。即,r,C,R,串联与并联转换（电容）,2.1.2高频电路中的有源器件 从原理上看，用于高频电路的各种有源器件，与用于低频或其他电子线路的器件没有根本不同。 只是由于工作在高频范围，对器件的某些性能要求更高。 随着半导体和集成电路技术的高速发展，能满足高频应用要求的器件越来越多，也出现了一些专门用途的高频半导体器件。,1.二极管 半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中，工作在

12、低电平。因此主要用点接触式二极管和表面势垒二极管(又称肖特基二极管)。两者都利用多数载流子导电机理，它们的极间电容小，工作频率高。,变容二极管(利用PN结的电容效应)的记忆电容Cj （反偏势垒电容）与外加反偏电压U之间呈非线性关系。变容二极管在工作时处于反偏截止状态，基本上不消耗能量，噪声小，功率高。 将它用于振荡回路中，可以做成电调谐器（如电视机的电调高频头），也可以构成自动调谐电路等； 变容管若用于振荡器中，可以通过改变电压来改变振荡信号的频率。这种振荡器称为压控振荡器(VCO)，压控振荡器是锁相环路的一个重要部件； 微波变容管（微波二极管），用作非线性电容变频、混频； 还有一种是PIN二

13、极管，由P型、I型和N型三种半导体构成，由正向直流电流控制的可调电阻，做成电可控开关、限幅器、电衰减器或电调移相器。,2.晶体管与场效应管 在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和多种场效应管，这些管子比用于低频的管子性能更好，在外形结构方面也有所不同。 高频晶体管有两大类型： 一类是做小信号放大的高频小功率管，对它们的主要要求是高增益和低噪声；另一类为高频功率放大管，除了增益外，要求其在高频有较大的输出功率。,3.集成电路 用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多,主要分为通用型和专用型两种。 通用型 宽带集成放大器，工作频率可达一、二百兆赫兹，增益可达五、六十分贝，甚至更高

14、。 用于高频的晶体管模拟乘法器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。 专用型 集成锁相环、集成调制解调器、单片接收机及家电专用电路等。,2.2.1高频谐振回路,谐振回路由电感线圈和电容组成，当外界授予一定能量，电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的周期振荡回路。若该电路在某一频率的交变信号作用下,能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有谐振特性，故该电路又称谐振回路。,谐振回路按电路的形式分为：,1.串联谐振回路 2.并联谐振回路 3.耦合谐振回路,用途：,1.利用他的选频特性构成各种谐振发大器 2.在自激振荡器中充当谐振回路 3.在调制、变频、解调充当选频网络,1.串联谐

15、振回路,下图是最简单的串联回路。 图中r是电感线圈L中的电阻， r通常很小，可以忽略，C为电容。,振荡回路的谐振特性可以从它们的阻抗频率特性看出来。 当信号角频率为时，其串联阻抗为：,( 2-1 ),串联阻抗,回路阻抗的模|Zs|和幅角随f 变化的曲线分别如下图所示,|Zs|,串联谐振特性曲线,幅角特性曲线,（2-1）,O,当r； 当0时，回路呈感性，|Zs|r； 当0时，感抗与容抗相等，|Zs|最小，并为纯电阻r， 我们称此时发生了串联谐振，且串联谐振角频率0为:,( 2-2 ),电抗特性曲线,若在串联振荡回路两端加一恒压信号U，则发生串联谐振时因阻抗最小，流过电路的电流最大，称为谐振电流，

16、其值为,在任意频率下的回路电流I与谐振电流之比（归一化）为：,( 2-4 ),串联谐振回路电流,( 2-3 ),归一化电流的模为 其中,( 2-6 ),( 2-5 ),Q被称为回路的品质因数，它是振荡回路的另一个重要参数。 根据式（2-5）画出相应的曲线如图所示，称为谐振曲线。,Q1Q2,由图可知回路的品质因数越高，谐振曲线越尖锐，回路选择性越好。,（2-9）,在实际应用时，外加的频率与回路谐振频率0之差=-0表示频率偏离谐振频率0的程度，称为失谐。 当与0很接近时，相对失谐,（2-7）,当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时，将回路电流值下降为谐振值的 1/ 21/2时所对应的频率范围称回路

17、的通频带，亦称回路带宽，通常用B表示。 令上式等于 ，则可以推得=1，从而可得带宽为,串联谐振时电感及电容上的电压为最大，其值为电阻上电压值的Q倍，也就是恒压源的电压值U的Q倍。 发生谐振的物理意义是，此时电容和电感中储存的最大能量相等。,串联振荡回路的相位特性与其辐角特性相反。 在谐振 时回路中的电流、电压关系如图所示。 图中 与 同相， 和 分别为电感和电容上的电压。 由图可知， 和 反相。,O,2.并联谐振回路,串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻的情况或低阻抗电路（恒压源）。 当频率不是非常高时，并联谐振回路应用最广。并联谐振回路适用于电源内阻为高内阻（恒流源） 1. 并联谐振回路原理

18、并联谐振回路是与串联谐振回路对偶的电路，其等效电路见下图,并联回路的阻抗为：,C,L,r,(2-11),当并联谐振回路电纳部分b0时，回路两端电压 与电流 同相，称为并联谐振。并设并联谐振的角频率为 ，则,式中电导和电纳分别为,并联谐振角频率,并联回路的阻抗为：,（2-1）,即,可见，谐振时，回路的感抗和容抗近似相等。,当 远远小于1（即Q大大于1 ）时，则,通常将这时感抗和容抗的数值称为回路的特性阻抗，用字母表示。即：,谐振时，由于电纳b=0,总导纳y只包含电导g部分,称为谐振电导,用gp表示,回路的特性阻抗与回路电阻r之比称为回路的品质因数。即：,并联回路的特性阻抗,谐振时，回路两端的电压 与信号源电流 同相，,下面我们分析，当电路谐振时，流过电感支路和电容支路的电流与信号源电流 的相位关系。,其谐振阻抗为,并联回路的谐振阻抗,（上式近似条件： 即高Q 值 ),(2-12),(2-14),谐振时，电感支路的电流为：,( 2-17 ),( 2-