高频电子线路第4章

1、高频与射频电路高频与射频电路第四章第四章 非线性、时变参量电路和变频器非线性、时变参量电路和变频器学习内容学习内容了解非线性电路的主要特点与分析方法；了解非线性电路的主要特点与分析方法；了解线性时变电路的分析方法；了解线性时变电路的分析方法；掌握二极管和三极管混频原理及电路；掌握二极管和三极管混频原理及电路；理解各种干扰，特别是混频器中所产生的理解各种干扰，特别是混频器中所产生的各种干扰。各种干扰。 常用电路是若干无源元件或常用电路是若干无源元件或( (和和) )有源元件的有序联有源元件的有序联结体。它可以分为结体。它可以分为线性线性与与非线性非线性两大类。两大类。 线性电路线性电路是由线性元

2、件构成的电路。它的输出是由线性元件构成的电路。它的输出输入关系用线性代数方程或线性微分方程表示。输入关系用线性代数方程或线性微分方程表示。线性电路的主要特征是具有线性电路的主要特征是具有叠加性叠加性和和均匀性均匀性。若：若： 满足：满足： 叠加性叠加性满足：满足： 均匀性均匀性满足：满足： 线性线性4.1 4.1 概述概述 非线性电路非线性电路中至少包含中至少包含一个一个非线性元件非线性元件输出输入关系用非线性函数方程输出输入关系用非线性函数方程(或微分方程或微分方程)表示表示不具有叠加性与均匀性不具有叠加性与均匀性(与线性电路的与线性电路的重要区别重要区别)。iv0V0+iDZLv二极管电路

3、及其伏安特性二极管电路及其伏安特性 当信号通过非线性电路后，在输出信号中将会产生当信号通过非线性电路后，在输出信号中将会产生新的频率成分，也可能不再出现输入信号中的某些新的频率成分，也可能不再出现输入信号中的某些频率成分。（频率成分。（频谱搬移频谱搬移）非线性电路的重要特性。）非线性电路的重要特性。常用的无线电元件分类：常用的无线电元件分类： 线性元件线性元件 元件参数与通过元件的电流或施于其元件参数与通过元件的电流或施于其上的电压上的电压无关无关。如，电阻、电容和空心电感等；。如，电阻、电容和空心电感等； 非线性元件非线性元件 元件参数与通过它的电流或施于其元件参数与通过它的电流或施于其上的

4、电压上的电压有关有关。如，二极管、晶体管、带磁芯的。如，二极管、晶体管、带磁芯的电感线圈等；电感线圈等； 时变参量元件时变参量元件 参数元件按照某一方式参数元件按照某一方式随时间变随时间变化化的线性元件。如，混频时，可以把晶体管看成的线性元件。如，混频时，可以把晶体管看成一个变跨导的线性参变元件。一个变跨导的线性参变元件。 在一定条件下，元件非线性特性小在一定条件下，元件非线性特性小 线性元件线性元件当条件变化当条件变化, 非线性特性主导非线性特性主导 非线性元件非线性元件串联电路串联电路线性电路时：线性电路时：时变线性电感电路时：时变线性电感电路时：非线性电感电路时：非线性电感电路时：描述线

5、性电路、时变参量电路和非线性电路的方程式描述线性电路、时变参量电路和非线性电路的方程式分别是分别是常系数线性微分方程常系数线性微分方程、变系数线性微分方程变系数线性微分方程和和非线性微分方程非线性微分方程 数学形式数学形式非线性工程上适用的近似电路分析方法：非线性工程上适用的近似电路分析方法： 图解法：图解法：根据非线性元件的特性曲线和输入信根据非线性元件的特性曲线和输入信号波形，通过作图直接求出电路中的电流和电号波形，通过作图直接求出电路中的电流和电压波形。压波形。 解析法解析法（如，（如，幂级数分析法幂级数分析法，折线分析法折线分析法）借）借助非线性元件的特性曲线的数学表达式列出电助非线性

6、元件的特性曲线的数学表达式列出电路方程从而解得电路中电流和电压。如，二极路方程从而解得电路中电流和电压。如，二极管的伏安特性的分析。管的伏安特性的分析。变系数线性微分方程变系数线性微分方程 非线性微分方程非线性微分方程 求解困难！求解困难！4.2 4.2 非线性元件的特性非线性元件的特性非线性元件的非线性元件的三个主要特征三个主要特征： 输出量与输入量非线性关系输出量与输入量非线性关系 具有频率变换作用具有频率变换作用 混频器正是利用了非线性元件的这个特性混频器正是利用了非线性元件的这个特性 不满足叠加原理不满足叠加原理4.2.1 4.2.1 非线性元件的工作特性非线性元件的工作特性 纯电阻元

7、件属于线性元件，满足欧姆定律，即：纯电阻元件属于线性元件，满足欧姆定律，即：R纯电阻vivi （4.2.14.2.1） 该直线的斜率的倒数就等于电阻值该直线的斜率的倒数就等于电阻值R，即：，即： （4.2.24.2.2）线性电阻伏安特性曲线线性电阻伏安特性曲线vi0V0I线性元件线性元件 静态电阻静态电阻 = = 动态电阻动态电阻iv 静态电阻静态电阻动态电阻动态电阻vivi以非线性电阻元件半导体二极管为例：以非线性电阻元件半导体二极管为例：半导体二极管伏安特性曲线半导体二极管伏安特性曲线 0V0I vi0V0I非线性元件非线性元件 静态电阻静态电阻 动态电阻动态电阻 且二者的大小都与所选的工

8、作点且二者的大小都与所选的工作点Q有关有关4.2.2 4.2.2 频率变换作用频率变换作用i0vi线性电阻上的电压线性电阻上的电压与电流波形与电流波形正弦电压作用于半导体二正弦电压作用于半导体二极管产生极管产生非正弦非正弦周期电流周期电流tvt0tv0vi0it00 直流分量直流分量2倍频分量倍频分量设非线性电阻的伏安特性曲线为抛物线形状：设非线性电阻的伏安特性曲线为抛物线形状： 当输入信号为余弦波，即：当输入信号为余弦波，即： 则有输出信号：则有输出信号： 定性分析定性分析输入信号频谱输入信号频谱输出信号频谱输出信号频谱可见信号经过非线性电路后频率发生了变换可见信号经过非线性电路后频率发生了

9、变换)(iFS)(SV0)(OFS2)21(2SkV0 输入电压输入电压输出电流输出电流4.2.3 4.2.3 不满足叠加原理不满足叠加原理 设非线性电阻的伏安特性曲线为抛物线形状：设非线性电阻的伏安特性曲线为抛物线形状： 输出为：输出为： 4.34.3非线性电路分析法非线性电路分析法根据具体电路的不同，分析方法是多种多样的，最常根据具体电路的不同，分析方法是多种多样的，最常见也最实用的解析方法有见也最实用的解析方法有2种：种： 幂级数法幂级数法用泰勒级数将曲线在某一点（静态工作点）展开成级用泰勒级数将曲线在某一点（静态工作点）展开成级数形式，取其中若干项近似数形式，取其中若干项近似 折线法折

10、线法将曲线近似看成若干首尾相接的线段连接而成的折线将曲线近似看成若干首尾相接的线段连接而成的折线4.3.1 4.3.1 幂级数分析法幂级数分析法 非线性器件的伏安特性非线性器件的伏安特性,可用非线性函数来表示：可用非线性函数来表示： 其中：其中：（4.3.14.3.1） 静态工作点电流静态工作点电流静态工作点处电导静态工作点处电导即动态电阻的倒数即动态电阻的倒数非线性伏安特性曲线非线性伏安特性曲线工程计算应用：工程计算应用：常常只取前若干项，精度足够常常只取前若干项，精度足够一次多项式（线性近似）情况：一次多项式（线性近似）情况： （4.3.44.3.4） vi 非线性伏安特性曲线非线性伏安特

11、性曲线二次多项式（抛物线近似）情况：二次多项式（抛物线近似）情况： vi （4.3.54.3.5） 幂级数幂级数分析分析非线性电路的频率变换非线性电路的频率变换设设1：非线性电路伏安特性用下列三次多项式表示：非线性电路伏安特性用下列三次多项式表示设设2：输入信号为：输入信号为 则输出为：则输出为： 3倍频倍频2阶产物阶产物 （4.3.114.3.11）直流直流2倍频倍频基波基波3阶产物阶产物 非线性电路输出频谱非线性电路输出频谱高频信号高频信号非线性网络非线性网络放大放大变频变频线性网络线性网络选频选频滤波滤波有用信号有用信号 系统系统4.3.2 4.3.2 折线分析法折线分析法幂级数法适用于

12、中等大小的信号。当信号振幅更幂级数法适用于中等大小的信号。当信号振幅更大时，幂级数取的项数必须增多，分析难度加大，大时，幂级数取的项数必须增多，分析难度加大，所以不再适用，此时应采用所以不再适用，此时应采用折线分析法折线分析法近似为近似为晶体管的转移特性曲线用折线近似晶体管的转移特性曲线用折线近似vBiC vBiC 此折线可以表示为此折线可以表示为:（4.3.134.3.13）折线近似折线近似 vBiC 折线法只适用大信号情况，如功率放大器和检波折线法只适用大信号情况，如功率放大器和检波器分析。详细讨论见高频功率放大器章节。器分析。详细讨论见高频功率放大器章节。 变频或混频即对信号进行频率变换

13、，将其载频变频或混频即对信号进行频率变换，将其载频(常常称为射频称为射频)变换到某一固定的频率上变换到某一固定的频率上(常称为中频，常称为中频，常见为射频和本振频率的和频或差频常见为射频和本振频率的和频或差频)，而保持原，而保持原信号的特征信号的特征(如调幅规律如调幅规律)不变。不变。调幅波变频波形图调幅波变频波形图射频载波频率射频载波频率 1.7 1.76MHz6MHz 本振频率本振频率2.1652.1656.465MHz6.465MHz中频载波频率中频载波频率 465kHz 465kHz1、定义、定义 4.5 4.5 变频器的工作原理变频器的工作原理2 2、为什么要变频或混频？、为什么要变

14、频或混频？变频的优点：变频的优点： 减少设备体积和成本，便于信号的接收和发射；减少设备体积和成本，便于信号的接收和发射； 增加信道数，提高信息容量；增加信道数，提高信息容量； 错开使用频段，避免同频段其他信号干扰。错开使用频段，避免同频段其他信号干扰。变频的缺点：变频的缺点： 容易产生镜像干扰、中频干扰等干扰。容易产生镜像干扰、中频干扰等干扰。3 3、变频器的分类、变频器的分类按器件分：按器件分：晶体管混频器：具有一定的混频增益；晶体管混频器：具有一定的混频增益；二极管混频器：动态范围大，噪声小；二极管混频器：动态范围大，噪声小； 场效应管混频器：交调、互调干扰少。场效应管混频器：交调、互调干

15、扰少。按结构分：按结构分：单管混频、平衡式混频、环型混频单管混频、平衡式混频、环型混频按中频分：按中频分：上变频器（和频）、下变频器（差频）上变频器（和频）、下变频器（差频）从两个输入信号在时域上的处理过程分：从两个输入信号在时域上的处理过程分：叠加型混频器、叠加型混频器、 乘积型混频器乘积型混频器4 4、主要性能指标、主要性能指标 （4.5.24.5.2）或或 （4.5.34.5.3） 噪声系数：噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。比的比值。 选择性：选择性：抑制中频信号以外的干扰的能力。抑制中频信号以外的干扰的能力。 非线性干扰：非线性干扰：

16、抑制组合频率干扰、交调、互调干抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。扰等干扰的能力。相互关联，综合考虑，合理选管相互关联，综合考虑，合理选管5 5、频谱搬移的实现、频谱搬移的实现 两个以上不同频率的余弦波叠加后输入到非线性两个以上不同频率的余弦波叠加后输入到非线性变频电路中，会产生和差频等系列新频率成分。变频电路中，会产生和差频等系列新频率成分。语音输入信号频谱语音输入信号频谱)(SFS)(SV载波输入信号频谱载波输入信号频谱)(0F0)(0V输出输出信号信号频谱频谱S2)(outF020S0S0设计一个设计一个选频网络选频网络S2S20从低频搬移到了高频从低频搬移到了高频4.6 4.

17、6 晶体晶体( (三极三极) )管混频器管混频器1 1、晶体管混频器的电路组态、晶体管混频器的电路组态 对振荡电压来说是共射电对振荡电压来说是共射电路，输出阻抗较大（对谐路，输出阻抗较大（对谐振回路影响小）；振回路影响小）； 信号输入电路与振荡电路相互影响较大信号输入电路与振荡电路相互影响较大(直接耦直接耦合合)，可能产生频率牵引现象。，可能产生频率牵引现象。 混频时所需本地振荡注混频时所需本地振荡注入功率较小（这主要是入功率较小（这主要是因为共发电路功率放大因为共发电路功率放大性能较高）；性能较高）；共射混频电路共射混频电路 输入信号与本振电压分输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极别从基

18、极输入和发射极注入，产生牵引现象的注入，产生牵引现象的可能性小；可能性小； 对于本振电压来说是共对于本振电压来说是共基电路，其输入阻抗较基电路，其输入阻抗较小，不易过激励，因此小，不易过激励，因此振荡波形好，失真小；振荡波形好，失真小； 需要较大的本振注入功率。需要较大的本振注入功率。但这一点不难实现，通常所需功率也只有几十毫但这一点不难实现，通常所需功率也只有几十毫瓦，因此这种方式的混频器在实际中应用最多。瓦，因此这种方式的混频器在实际中应用最多。共射混频电路共射混频电路 共基混频电路共基混频电路2、晶体管混频原理：变跨导分析法、晶体管混频原理：变跨导分析法晶体管混频器基本电路晶体管混频器基

19、本电路 加电压后的晶体管转移特性曲线加电压后的晶体管转移特性曲线 在晶体管混频器的分析中，将晶体管视为一在晶体管混频器的分析中，将晶体管视为一个跨导随本振信号变化的线性参变元件。个跨导随本振信号变化的线性参变元件。 ic0aa1a2bb1b2 0tVBB （4.6.14.6.1） （4.6.1a4.6.1a） 则混频后输出的中频电流为则混频后输出的中频电流为:其振幅为其振幅为: （4.6.24.6.2）（4.6.34.6.3） （4.6.44.6.4） （4.6.64.6.6）其中其中: （4.6.84.6.8） 某调幅通信机混频器电路某调幅通信机混频器电路实际电路举例：实际电路举例： 调谐于

20、调谐于i调谐于调谐于s晶体管（三极管）混频器的缺陷：当输入信号振幅比较大晶体管（三极管）混频器的缺陷：当输入信号振幅比较大时，三极管混频器转移函数用泰勒级数展开后，必须取很时，三极管混频器转移函数用泰勒级数展开后，必须取很多项，导致混频后输出信号的频率成分太多，干扰严重。多项，导致混频后输出信号的频率成分太多，干扰严重。 4.7 4.7 二极管混频器二极管混频器二极管混频器二极管混频器4.7.1 4.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器原理性电路原理性电路1D1L2D2L 0v 1D1L2D2L 0v2Sv2Sv设输入互感线圈的电压感应系数为设输入互感线圈的电压感应系数为1 1D2D 0v

21、2Sv2Svi i1 1i i2 2等效电路等效电路 （4.7.24.7.2）（4.7.34.7.3） tt0cost)(tS （4.7.14.7.1） 1D1L2D2L 0v2Sv2Svi i1 1i i2 2 设输出互感线圈的电压感应系数为设输出互感线圈的电压感应系数为1 比晶体（三极）管混频器产生的频率成分比晶体（三极）管混频器产生的频率成分少很多少很多 本振频率本振频率奇次谐波奇次谐波与高频信号的组合与高频信号的组合4.7.2 4.7.2 二极管环形混频器（双平衡混频器）二极管环形混频器（双平衡混频器）为了进一步抑制非线性产物，采用环形混频器：为了进一步抑制非线性产物，采用环形混频器：

22、环形混频器电路环形混频器电路实线实线 本振负半周本振负半周虚线虚线 本振正半周本振正半周在本振电压在本振电压正半周正半周的环形混频器的环形混频器 （4.7.54.7.5）在本振电压在本振电压负半周负半周的环形混频器的环形混频器 （4.7.64.7.6） （4.7.84.7.8） （4.7.14.7.1）tt0cost)(tSt)2+(TtS 故有：故有：（4.7.94.7.9）又：又： （4.7.104.7.10） 展开：展开：（4.7.114.7.11） 晶体（三极）管混频器：（有源混频器）晶体（三极）管混频器：（有源混频器）优点：优点：有变频增益有变频增益缺点：缺点：1、动态范围较小、动态

23、范围较小 2、组合频率干扰严重、组合频率干扰严重 3、噪声较大、噪声较大 4、存在本地辐射、存在本地辐射二极管混频器：（无源混频器）二极管混频器：（无源混频器）优点：优点：1、动态范围较大、动态范围较大 2、组合频率干扰少、组合频率干扰少 3、噪声较小、噪声较小 4、不存在本地辐射、不存在本地辐射缺点：缺点：无变频增益无变频增益4.9 4.9 混频器中的干扰混频器中的干扰干扰的主要种类干扰的主要种类 组合频率干扰和副波道干扰；组合频率干扰和副波道干扰； 交叉调制干扰（交调）；交叉调制干扰（交调）； 互相调制干扰（互调）；互相调制干扰（互调）； 阻塞现象和相互混频。阻塞现象和相互混频。不同波不同

24、波形频谱形频谱 v0(f 0)v中频中频(f i)非线性元件非线性元件中频滤波器中频滤波器4.9.1 4.9.1 组合频率干扰和副波道干扰组合频率干扰和副波道干扰情况情况1、有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰干扰哨声干扰哨声 被一起选出，并送到后级中放，经放大后解调输被一起选出，并送到后级中放，经放大后解调输出而引起串音，啸叫和各种干扰，从而影响有用出而引起串音，啸叫和各种干扰，从而影响有用信号的正常工作。信号的正常工作。 即当：即当： （4.9.34.9.3）产生干扰哨叫。产生干扰哨叫。例子：例子： 没有无用频率输入没有无用频率输入情况情况2、外来干扰信号和本振

25、产生的干扰外来干扰信号和本振产生的干扰（1） 组合副波道干扰组合副波道干扰如果混频器之前的输入回路和高频放大器的选择性不够好，干扰如果混频器之前的输入回路和高频放大器的选择性不够好，干扰信号也会进入混频器。信号也会进入混频器。 v0(f 0)v中频中频(f i)非线性元件非线性元件中频滤波器中频滤波器 即当：即当： （4.9.54.9.5） 或者：或者： （4.9.64.9.6）产生产生组合副波道干扰组合副波道干扰（2） 副波道干扰副波道干扰（是组合副波道干扰的特例）（是组合副波道干扰的特例）在组合副波道干扰中，某些特定频率形成的干扰称为在组合副波道干扰中，某些特定频率形成的干扰称为副波道干扰

26、，主要有副波道干扰，主要有中频干扰中频干扰和和镜像干扰镜像干扰。中频干扰中频干扰 镜像频率干扰镜像频率干扰f nf if i 1000kHz1000kHz1465kHz1465kHz465kHz465kHz1930kHz1930kHzf S f 0 465kHz465kHzf i 镜频镜频4.9.2 4.9.2 交叉调制（交调）交叉调制（交调）Cross-modulationCross-modulationl 表现现象：表现现象： 当所接收电台的信号和干扰电台同时进入接收机输入端当所接收电台的信号和干扰电台同时进入接收机输入端时，如果接收机调谐于信号频率，可以清楚地收到干扰时，如果接收机调谐于

27、信号频率，可以清楚地收到干扰信号电台的声音，若接收机对接收信号频率失谐，干扰信号电台的声音，若接收机对接收信号频率失谐，干扰台的声音也消失。干扰电台的调制信号转移到了有用信台的声音也消失。干扰电台的调制信号转移到了有用信号的载波上。号的载波上。l 产生的原因：产生的原因： 由混频器的由混频器的3次或更高非线性项产生。若有用信号和干扰信次或更高非线性项产生。若有用信号和干扰信号均为调幅波，混频器的非线性会使有用信号的各频率分号均为调幅波，混频器的非线性会使有用信号的各频率分量的幅度受干扰信号的幅度影响，其包络发生变化。决定量的幅度受干扰信号的幅度影响，其包络发生变化。决定于放大器或混频器的非线性

28、，与干扰信号的频率无关，只于放大器或混频器的非线性，与干扰信号的频率无关，只要干扰信号足够强并进入接收机前端，就可能发生交调。要干扰信号足够强并进入接收机前端，就可能发生交调。信号和干扰均受调制信号和干扰均受调制4.9.3 4.9.3 互相调制（互调）互相调制（互调）IntermodulationIntermodulationl 表现现象：表现现象： 接收机调谐于信号频率，接收机调谐于信号频率，可以清楚地收到干扰信号可以清楚地收到干扰信号电台的声音，若接收机对电台的声音，若接收机对接收信号频率失谐，干扰接收信号频率失谐，干扰台的声音仍然存在。台的声音仍然存在。 4.9.4 4.9.4 阻塞现象与相互混频阻塞现象与