第1章 通信电子线路

1、第1章 绪论 通通 信信 电电 子子 线线 路路 通信工程教研室：胡宗福 主要参考书： 严国萍等编. 通信电子线路，科学出版社，2006 曾兴雯等编. 通信电子线路，科学出版社，2006 张肃文主编. 高频电子线路，高等教育出版社，1989 1. 董尚武主编. 电子线路II，清华大学出版社，2008 电子线路的定义：包含有源器件的无源网络的统称。 第1章 绪论 通信电子线路通信电子线路课程的课程的目的目的: 为通信工程专业学生将来在通信信号发送、接收与处 理设备的设计、制造、测试与使用奠定基础。 1. 使学生具有分析与设计高频/非线性电子线路的能力; 2. 能灵活运用有/无源的元器件进行高频信

2、号放大、调 制 与解调、高频信号源功能电路的设计与实现； 3. 高频/非线性电子线路性能的测试与分析能力; 4. 进一步学习射频电子线路的能力和高频/非线性电子线 路的语言表达和交流能力。 第1章 绪论 第第1章章 绪论绪论 1.1 电子线路电子线路的分类的分类 1.2 线性与非线性电子线路线性与非线性电子线路 1.3 非线性电子线路的应用非线性电子线路的应用 1.4 本课程的特点与要求本课程的特点与要求 第1章 绪论 1.1 电子线路的分类 一. 按工作频率 1) 低频电子线路：工作频率低于300kHz。 2) 中频电子线路：工作频率在300kHz6MHz 。广播 3) 高频电子线路：工作频

3、率在6MHz 300MHz。电视、 短波通信等。 4）微波电子线路：频率高于300MHz。卫星电视、微波中 继通信、导航等。 第1章 绪论 二. 按信号形式 1) 模拟电子线路：完成模拟信号的产生、放大、变换、 处理和传输的电子线路。 三. 按集成度 2）数字电子线路：完成数字信号产生、放大、变换、 处理和传输的电子线路。 1）集成电路：体积小、性能稳定、可靠性高、维修使用方 便等优点。 2）分立电路：高频、大功率电子线路还是以分立为主。 第1章 绪论 四. 按元件性质: 线性性和参数恒定性 1）线性电子线路：由线性元件组成的电子线路。用线性 代数方程、线性微分方程或线性差分方程来描述。 3)

4、 恒定参数电子线路：由恒定参数元件组成的电子线路。 2）非线性电子线路非线性电子线路：由非线性元件组成的电子线路。用非 线性代数方程、非线性微分方程或非线性差分方程来描述 4) 变参(时变)电子线路：含有时变参数元件的电子线路。 本课程：通信电子线路是 高频高频 模拟模拟 非线性非线性 变参变参 工作频率和信号形式-应用对象应用对象 集成度和元件性质-内部结构特性内部结构特性 第1章 绪论 1）线性与非线性指的是输入与输出关系输入与输出关系。 这一输入与输出关系是由它的内部结构状态内部结构状态（丙类）和 它的外部输入外部输入（大信号）决定的。 2) 非线性-即不具有线性电子线路的线性特性：叠加

5、性 和均匀性，叠加定理不适用。从一般到具体主要有以下 五点不同。 1.2 线性与非线性电子线路线性与非线性电子线路 第1章 绪论 非线性电子线路不具有叠加性和均匀性，没有叠加定理。 2 yax 1 122 2 1 1221122 () xk xk x ya k xk xk yk y 2 111 axyxx 2 222 axyxx 第1章 绪论 在稳定状态下，非线性电子线路输出变量中含有新的频新的频 率分量率分量。如： 2 11 sincos2 22 yax aa xtyt 12 12 1212 sinsin cos2cos2 22 cos()cos() xtt aa yatt atat 第1章

6、 绪论 3. 处于非线性状态工作的有源器件，如晶体三极 管、场效应管、运算放大器等，它们的输出响应 与输入信号的大小输入信号的大小和器件工作点工作点的选取有关。 iC Q 0 0 tUBEQ iC uBE0 iC uBE ui Uimcost t (a) 图1.1 非线性工作的晶 体三极管集电极电流输 入信号大小的关系 第1章 绪论 图1.1 非线性工作的晶体三极管集电极电流与静态工作点 的关系。 Q 0 iC uBE uBE0 0 iC t t ui Uimcost (b) 第1章 绪论 4. 描述非线性有源器件特性的参量有三种： 1）静态参量，也称为直流参量；设置与设计工作 2）动态参量，

7、也称为交流参量；设置下的动态特性 3）折合参量，也称为平均参量。频率相关的参量 例如：晶体三极管在非线性状态下工作，它的跨导要用直流 跨导、交流跨导和平均跨导三个参量来表述。 第1章 绪论 直流跨导 就是静态工作点的电流与静态工作点的电压之 比。如图1.2(a)所示 (a)(b) iC ICQ Q UBEQ u BE tang0 0 UBEQ 0 uBE u BE iC Q tang m iC ICQ 图1.2 直流跨导与交流跨导 (a)直流跨导示意图；(b)交流跨导示意图 BEQ CQ U I g 0(1.21) 第1章 绪论 C mQ BE i g u (1.22) 当输入信号ui=Uim

8、cost，晶体管的集电极电流 为余弦脉冲时(见图1.1(b)，利用傅立叶级数展开 012 coscos2 Cmm iIItIt 交流跨导是在静态工作点处的电流增量与电压增量之比。 如图1.2(b)所示，交流跨导 第1章 绪论 2 2 m c im I g U (1.23) 其中包含有直流、基波和各次谐波分量。取其中一个 谐波分量的幅值Inm与输入电压幅值Uim相比，得到的比值 gcn就是第n次谐波的平均跨导。如二次谐波的平均跨导为 第1章 绪论 5.非线性电子线路的数学描述是非线性方程。非线性微分方 程的精确求解是一个难题，时至今日，二阶以上的非线性 微分方程还没有实用的求解方法。在工程上一直

9、沿用的是 近似解法，本书也将采用这种方法。随着计算技术的发展， 二阶以下的非线性微分方程可以采用计算机数值解法，这 种方法将会逐步走向实用。 第1章 绪论 1.3 非线性电子线路的应用非线性电子线路的应用 非线性电子线路是通信系统, 特别是无线通信系统的基础, 是无线通信设备的重要组成部分。 1.3.1 无线通信系统的组成无线通信系统的组成 Fig.1.3 发射机典型结构 第1章 绪论 Fig.1.4 接收机典型结构 第1章 绪论 本课程内容 绪论 高频功率放大器 正弦波振荡器 噪声与高频小信号放大器 振幅调制与解调 混频 角度调制与解调 反馈控制电路 第1章 绪论 1.4 本课程的特点与要求

10、本课程的特点与要求 要求：1. 理解并掌握具体功能的实现原理; 2. 熟练掌握各有源器件和无源网络的状态特性; 3. 学会非线性电子线路的分析方法; 4. 清楚近似的条件。 特点：1. 高频，非线性 2. 是具体功能功能和性能性能的硬件实现 3. 多采用工程近似分析法 第1章 绪论 要点回顾： 1. 通信电子线路的定义； 2. 通信电子线路的主要特点，与前所学的比较； 3. 非线性现象及其数学描述； 4. 主要困难。 第1章 绪论 建议学习方法： 1. 从目标要求从目标要求-实现原理实现原理; 再由原理确定有源器件和网络再由原理确定有源器件和网络 及其工作状态；及其工作状态； 2. 对同一对象

11、数学表达式，图示和物理过程语言描述能对同一对象数学表达式，图示和物理过程语言描述能 进行相互转换；进行相互转换； 3. 抓住主要矛盾进行工程近似分析；抓住主要矛盾进行工程近似分析； 4. 课后复习，不清楚的及时提问；课后复习，不清楚的及时提问； 5. 适当独立练习。适当独立练习。 第1章 绪论 无线电波的传播特性无线电波的传播特性介绍 传播特性指的是无线电信号的传播方式、 传播距离、 传播特点等。 无线电信号的传播特性主要根据其所处的频段 或波段来区分。 电磁波从发射天线辐射出去后, 电波的能量会扩散, 接收 机只能收到其中极小的一部分。在传播过程中, 电波的能量 会被地面、 建筑物或高空的电

12、离层吸收或反射, 或者在大气 层中产生折射或散射等现象, 从而造成到达接收机时的强度 大大衰减。 根据无线电波在传播过程所发生的现象, 电波的 传播方式主要有直射（视距）传播、 绕射（地波）传播、 折射和反射（天波）传播及散射传播等, 如图 1 5 所示。 决 定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。 第1章 绪论 (a) 射线 (b) (c) 电离层 (d) 对流层 图1 5 无线电波的主要传播方式 （a） 直射传播; （b） 地波传播; （c） 天波传播; （d） 散射传播 第1章 绪论 1.地波：其传播情况取决于地面条件。 1）地面对电磁波有吸收现象。 2）电磁波频率越低，损耗

13、越小。 3）电磁波具有绕射的特性。 地波传播适用于长波、中波（即中、低频）多用于远距离 通信与导航。 2.天波：是经过距地面60600Km的电离层反射后，传播到接 收点的电磁波。主要优点是用较小的功率进行远距离通信。 天波传播适用于短波波段。 3.散射传播：主要发生在1012Km范围内的对流层。散射特 性是具有很强的方向性和随机性，还有一定的散射损耗。传播 距离100500km，适用频率在400600MHz。 4.视距传播：频率较高的超短波及其更高频率的无线电波，主 要沿空间直线传播。 第1章 绪论 长波信号以地波绕射为主，中波和短波信号可以以地 波和天波两种方式传播，超短波以上频段信号大多以

14、直射 方式传播，也可用对流层散射的方式传播。 第1章 绪论 附：选频网络 选频网络-谐振回路和滤波器-的作用是选出需要的频 率分量并滤除不需要的分量。 谐振回路： 由电容和电感组成 滤波器：石英晶体的，陶瓷的，声表面波的等。 并联联振荡回路串联 耦合振荡回路 / 第1章 绪论 L r C X 0 0 容性感性 (a) (b) |ZS| r 0 0 (c) 0 /2 0 (d) /2 1） LC串联谐振回路。下图是最简单的串联振荡回路。 第1章 绪论 11 () j Ss Zrj LrjLZ e j CC 22 1 1 () s L C ZrLarctg Cr a）回路阻抗： C LXjXrZ

15、s 1 第1章 绪论 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, 其值为 回路谐振时的感抗或容抗=0L=1/0C=L/C 称为 特性阻抗。 LC 1 0 b)谐振频率： r U I 0 rZ s 电抗最小，就是纯电阻 UL . UC . 0 U . I0 . 电感上的电压： r L jULIjUL 0 00 Cr U j Cj IUC 00 0 1 电容上的电压： 第1章 绪论 c) 品质因素： Crr L Q 0 0 1 LC串联回路为了有好的选频特性，品质因素都是远大于1。 jQULIjUL 00 jQU Cj IUC 0 0 1 在谐振

16、时，电容和电感上的电压将会远大于外加电压远大于外加电压， 在选电容和电感器件的耐压值要特别注意。因此，串联谐 振回路也称为电压谐振回路。 第1章 绪论 I I0Q1 Q2 Q1 Q2 0 串联谐振回路的谐振曲线 在任意频率下的回路电流 I 与谐振电流之比为： )(1 1 1 1 1 0 0 0 0 r L j r C L j Z r r U Z U I I S S 2 0 0 20 )(1 1 Q I I 第1章 绪论 00 0 00 0 2 0 2 0 0 2)( 2 )( f f 广义失谐系数 则： 2 01 1 I I d) 广义失谐系数。 当加信号的频率与回路谐振频率0之差=-0时 )

17、( 0 0 0 r L 所以 0 2 Q 因此 第1章 绪论 7 . 0 0 2 f Q f B e)通频带(回路带宽): 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 1/2 时对应的频 率范围称为回路的通频带通频带，用B来表示。即=1对应的频 宽： f) 信号源内阻与负载电阻对串联谐振回路的影响 通常把不考虑信号源内阻和负载电阻时回路自身的Q 值叫无载无载(空载空载)Q值值。把考虑信号源内阻RS和负载电阻RL 影响时的Q值叫有载有载QL值值。 QL=0L/(r+RS+RL) 串联谐振回路适用于恒压源和负载较小的电路。 第1章 绪论 2） LC并联谐振回路 图4 并

18、联 谐振回路 与谐振谐振等 效电路。 a）回路阻抗 1 () 1 p rjL jC Z rjL jC 第1章 绪论 b）谐振频率：使Zp的虚部为0的频率就是谐振频率： LCLCLCr p /1/1 2 0 谐振时回路的阻抗最大，且 为纯阻性，称为谐振电阻： rC L R p 即当= p 时，回路为纯电阻； 当 p 时，感抗大于容抗，电容支路电流大，回路呈容性； 当 p 时，容抗大于感抗，电感支路电流大，回路呈感性。 第1章 绪论 L R Crr L Q p p p p p 1 电容支路的电流： 电感支路的电流： 回路在谐振时的阻抗： spLP spCP IjQI IjQI C Q LQR p

19、p ppp c) 品质因素： 所以，并联谐振又称 为电流谐振。 IL . IC . 0 I . U . 谐振时，谐振电阻 上的电流为Is时， 第1章 绪论 j R jQ CrL Z P P P P p 1 )(1 / d) 广义失谐系数： e) 通频带： p p p p p QQ 2 得通频带： 所以 7 . 0 0 2 f Q f B P z j P p e R Z 2 1 1 arctan z 第1章 绪论 L P S P P LSPP L R R R R Q GGGL Q 1 1 所以当 RS 和/或 RL 较大时，并联振荡回路QLQP。 f) 信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响

20、有载品质因素： 第1章 绪论 要点回顾： 无线电波传输：天波与地波； 滤波器：串/并联LC回路滤波原理； 串/并联LC回路的结构，阻抗特性和谐振频率； 串/并联LC回路中各电压/流之间的关系； 品质因素的意义； 1. 串/并联LC回路的主要应用。 第1章 绪论 例例 1 设一放大器以简单并联振荡回路为负载, 信号中心 频率fs=10MHz, 回路电容C=50 pF。 试计算所需的线圈电感值。 若回路品质因数为Q=100, 试计算回路谐振电阻及回 路带宽。 若放大器所需的带宽B=0.5 MHz, 则应在回路上并联 多大电阻才能满足放大器所需带宽要求? 第1章 绪论 将fP以兆赫兹(MHz)为单位

21、, 以皮法(pF)为单位, L以微 亨（H）为单位， 上式可变为一实用计算公式: CfCf L PP 2 6 2 2 25330 10 1 ) 2 1 ( 将fP=fs=10 MHz代入, 得 uL07. 5 (2) 回路谐振电阻和带宽： k LQR PPP 8 .31 1018. 31007. 5102100 467 解： (1) 计算L值。 第1章 绪论 回路带宽为 kHz Q f B P 100 0 (3) 求满足0.5MHz带宽的并联电阻。 设回路上并联电阻为R1, 并联后的总电阻为R1RP, 总 的回路有载品质因数为QL。 由带宽公式, 有 20 0 L L Q B f Q 此时要求

22、的带宽B=0.5 MHz, 故 第1章 绪论 k R R R kLQ RR RR P P PL P P 97. 7 37. 6 37. 6 37. 61007. 510220 1 67 1 1 需要在回路上并联7.97 k的电阻。 回路总电阻为： 第1章 绪论 要点回顾： 无线电波传输：天波与地波； 滤波器：串/并联LC回路滤波原理； 串/并联LC回路的结构，阻抗特性和谐振频率； 串/并联LC回路中各电压/流之间的关系； 品质因素的意义； 1. 串/并联LC回路的主要应用。 第1章 绪论 例2 一并联振荡回路,无载品 质因数Qp=80, 谐振电阻 Rp=25k, 谐振频率 f0=30MHz,

23、信号源电流幅值 Is=0.1mA。 (1) 若信号源内阻Rs=10k, 无负载电阻RL时，问通频带 B和谐振时输出电压幅度是 多少? (2) 当负载电阻RL=2 k时， 问通频 带B和谐振时输出电 压幅度又是多少? 第1章 绪论 解1）因为Rs=10k，所以 V RR RR IV ps ps s 72. 0 2510 2510 1 . 0 0 23 10/251 80 1/ 0 s p L R R QQ 输出电压： 有载Q值： MHzQfB L 3 . 123/30/ 0 所以通频带： 2）当RL=2k, 总电阻 R=1/(1/25+1/10+1/2)=1.56k , 所以输出电压：Vo=0.

24、11.56=0.156V。 0 80 /(1)5.0 125/1025/ 2 pp L sL RR QQ RR 所以通频带： 0 /30/5.06.0 L BfQMHz 第1章 绪论 一. 抽头并联振荡回路 作用：实现阻抗匹配或阻抗变换。 阻抗变换与阻抗匹配 T U U p U 部分电抗两端电压 UT总电抗两端的电压 并联LC回路作为负载的，且在谐振频率附近谐振频率附近(带宽内带宽内)， 可以通过部分接入可以通过部分接入来进行阻抗变换，被变换对象(电阻)变 换前后所消耗的功率相等前后所消耗的功率相等。即为在一定条件下的等效变换等效变换。 接入系数（或抽头系数）p的定义：与外电路相联的那 部分电

25、抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比。也 可用电压比来表示。 第1章 绪论 L C R0 U UT (a) L C2 R0 U UT C1 (b) L R1 U C2 C1 (c) L R1 UT C1 C2 (e) U1 R1 UT (d) U1 LC UT I IL 图6 几种常见抽头振荡回路 第1章 绪论 假设: LC谐振回路谐振谐振时两端两端的 电压是UT，C2两端的电压是U1， 电阻R折合到谐振回路两端谐振回路两端的电 阻R0。根据电阻上消耗的功率相 等。 2 1 2 1 2 0 0 22 1 / 22 pRR U U R R U R U TT 接 入 系 数 21 1 21 21

26、2 1 1 1 CC C CC CC C U U p T 第1章 绪论 在谐振和高谐振和高Q值值时： N N p ML ML p L L p 1 1 1 紧耦合变压器）3 2 互感时考)2 ) 1 虑 L1 Rpp RpR U U R R U R U T L L T 2 1 0 2 0 2 2 0 2 / )( 22 第1章 绪论 0 0 2 2 21 Qj Rp ZpZ T 4) 在回路失谐不大回路失谐不大时： (a)(b) (c) 求下面各图 从输入端看过去的电阻 第1章 绪论 0 2 0 2 2 0 2 )( 22 RpR U U R R U R U T L L T 图(a) 图(b)

27、图(c) 1 2 1 2 1 0 0 2 1 2 1 )( 22 RpR U U R R U R U TT 1 2 1 2 1 0 0 2 1 2 1 )( 22 RpR U U R R U R U TT 第1章 绪论 二. 信号源的等效折合 1) 电压源的折合:U=pUT 第1章 绪论 R i L C R L R iT L C R L I IT QpII U U QQI R QU L U I T T TT L 0 谐振时的回路电流IL和IC与I的关系（假设Ri无限大）： 2）电流源的折合 因为是等效变换，即变换前后信号源提供的功率不变 pIIUIIU TTT 第1章 绪论 3) 电容的折合：

28、 LL CpC 2, 11 第1章 绪论 例3：如图所示的抽头并联谐振回路，已知：L=100uH, C1=40pF, C2=50pF, 回路空载品质因素 Q0=100, 负载 RL=8k, CL=10pF。信号源内阻 Rs=0.6k 。 1）要求总负载与信号源匹配时，求信号源接入点L2的大 小； 2）求回路的谐振频率和通频带。 解：1）负载与信号源匹配就是要 求负载电阻等于信号源内阻。所 以要把负载RL和回路谐振电阻R0 一起变换到信号源输入端时应与 Rs相等。 第1章 绪论 回路空载的谐振电阻： kL CC CC Q C L QR2121010010 5040 5040 100 612 21

29、 21 000 RL变换到回路上的电阻： kR CCC C RpR L L 5084 . 0)( 2 0 2 21 1 0 2 1 回路两端的总电阻：kRRR L 5 .4050/212/ 0 0 将回路两端的总电阻变换到信号源的输入端时应满足： HLL R R L L pRRp s s 2 .12122. 0 122. 0 5 .40 5 . 0 2 0 2 2 0 2 2 所以 第1章 绪论 2）回路的总电容：pF CCC CCC C L L 24 )( 21 21 回路的谐振频率：MHzLCf25. 32/1 0 回路两端等效总电阻：kRRe25.202/ 0 有载Q值：10 L C RQ eL 通频带：MHzQfB L 325.0/ 0 第1章 绪论 例例 4 如图， 抽头回路由电流源激励, 忽略回路本身的固有 损耗, 试求回路两端电压u(t)和 输出电压u1(t)的表示式及回 路带宽