d1z射频模拟电路(图)j

1、射频模拟电路 开课学院： 电子工程学院 授课教师： 敬守钊 联系电话办公地点： 科C313射频模拟电路课程概况 前导课程：电路分析基础、信号与系统、 模拟电路基础 （低频、线性） （电子器件、基本放大器） 研究内容：用于各种无线电通讯设备的 单元电路（高频、主要非线性） 课程别名：高频电路、高频电子线路、通 信电子线路、非线性电子线路 课程教材：射频模拟电路与系统， 张玉兴等，电子科大出版社 参考书目：高频电子线路，杨绍城， 电子科技大学出版社 高频电子线路，张肃文， 高等教育出版社 考试方式：一页纸开卷 成绩构成：平时20，期末80 平时成绩：课堂纪律、作业 绪论

2、0.1 射频模拟电路在通信系统中 的地位 射频模拟电路几乎包括了无线通信系统中的所有单元电路 图0-1为无线电发射机与无线电接收机的原理框图。图中，石英晶体振荡器、缓冲放大、倍频器、调制、功率放大、低噪声高频放大、混频、本地振荡、中频放大、检波等都是射频电路要讨论的内容 通信：准确而迅速地传递信息 1、语言与文字（最基本的传输手段） 2、光通信（远距离通信，迅速准确） 3、电通信（用电磁能量传递信息：有线通 信、无线通信） 无线通信发展史 1837年，莫尔斯(Morse)利用电能以光速沿导线传播的特点发明有线电报； 1864年，英国物理学家麦克斯韦(Maxwell)发表“电磁场的动力学塬理”这

3、一著名论文，从理论上证明了电磁波的存在； 1876年，贝尔（Bell）发明有线电话（语言变成电信号） 1887年，德国物理学家赫兹（Hertz）用实验证明电磁场理论，电磁波具有光的特性 1895年，意大利科学家马可尼首次实现几百米距离的无线通讯 1901年，首次完成横跨大西洋的通讯 1904年，弗莱明发明电子二极管（检波） 1907年，李。德。福雷斯特发明电子三极管（放大、振荡、调制、检波波形变换） 1948年，肖克利等人发明了晶体三极管 （设备小型化、便携式、节能、长寿命） 20世纪60年代（1958年），集成电路出现 1967年，中、大规模集成电路出现 1978年，超大规模集成电路出现（模

4、拟电路数字化） 自19世纪末迅速发展起来的以电信号为消息载体的通信系统，称为现代通信系统。调制：装载信息的过程 调制概念：让载波的某个特征量（振幅、频率和相位）按信息的变化规律而变化。 调制的方法：连续波调制、脉冲波调制 连续波调制包括：调幅、调频、调相 调制的目的： 1、区别不同的音频信号 2、以切实可行的天线发射超外差接收 早期直放式解调接收机 难以区分相邻频道，无抗干扰能力 超外差接收优点： 1、容易分离相邻频道信号，抗干扰能力强 2、易于实现高增益0.2 非线性电路的基本特点 严格讲，任何器件，如晶体二极管、双结晶体管、场效应管，都是非线性的。这种非线性是指器件特性的非线性，不考虑时间

5、的非线性。这种器件被称为时不变非线性器件。 时不变非线性器件的特点： 非线性定义 Q 点的直流电导 Q点切线的斜率定义为Q点的交流电导（微分电导）：非线性器件的 与 是不相等的。 与 不相等的不一定是非线性器件。( )if vQVv QIi QQVIg/0QIivig0gg0gg非线性器件特性 在 上叠加一个交变电压 电流波形与电压波形之间发生了严重的畸变，这就是非线性的结果。电流波形是周期的，可分解为无穷多个余弦信号之和。 tVVvmQcosQVv 不满足叠加原理 111( )cosmv tVt222( )cosmv tVt1122( )coscosmmv tVtVt001112223211

6、2231122( )(coscos)(coscos)(coscos)mmmmmmv taa VtVta VtVta VtVt非线性电路分析方法 严格分析：非线性代数方程和微分方程（含高阶），考虑噪声时无法求解； 近似分析：工程上根据实际情况对器件数学模型和电路的工作条件进行合理近似： 1、折线分析法（图解） 2、幂级数分析法（连续可导情况下），取前 三项近似 3、开关函数法（大信号作用于二极管） 4、大小信号分析法（线性时变参数分析法）0.3 射频模拟电路发展动态 射频集成芯片应用广泛 新型分离器件不断出现（高性能特殊器件） 数模结合（软件无线电） 射频概念延伸0.4 课程特点及学习方法课程特

7、点：1. 工程性强：着重培养学生的电子电路工程设计能力。2. 分析方法灵活：如折线法、幂级数法、开关函数法、线性时变参数法等。3. 实践性强：结合工程实际电路，培养分析电路的能力。 学习方法 1、以搞懂电路工作原理为基本目标 2、认真自主完成作业，强化基本概念，掌 握基本分析方法 3、学会EDA软件的使用，如： ADS，Multisim，Systemvue， Protel，AutoCAD， 通过软件仿真可进一步了解系统工作原理 主要学习内容第一章：射频电子学基础（基本概念；R、L、C的高频特性；LC谐振电路的特性），6学时第二章：射频电子系统中的放大器设计（高频小信号放大器；高频谐振功率放大器

8、；。），14学时第三章：波形发生器与变换电路（反馈振荡原理；三端式振荡电路；石英晶体振荡器；。），8学时第四章：调制与解调（频谱线性变换概念；振幅调制与解调；角度调制与解调） ，10学时第五章：混频器（混频器模型；有源混频电路；二极管混频器的折线分析；平衡混频器），4学时第六章：。第1章 射频电子学基础 1.1 射频模拟电路概述 元件参数：集中参数与分布参数 分析方法：路与场 射频损耗：趋肤效应、辐射损耗、介质损耗 射频干扰：辐射、耦合 射频“地” 电屏蔽、磁屏蔽 去藕、旁路 图1-1 趋肤深度示意图 1f图1-2 地线上电位差引起的寄生反馈 图1-3 屏蔽盒及接地 图1-4 RF电路中电源的

9、去耦合 图1-5 耦合电容、旁路电容及RFC电感值的选取 （a） （b） （c） （d）1110iRCRFC(510)iLR11110LRC21110SRCRFC12121(510)LC CCC1.2 电磁频谱分段 图1-6 电磁频谱分段1.3 物理常数和单位，微波频段的划分及字母表示法 表1-4 IEEE/工业界频段划分的标准命名 频段命名频率范围用途HF330MHz短波广播、军事通信VHF30300MHz电视、调频广播；雷达、导航UHF3001000MHz电视广播、雷达、移动通讯L10002000MHz雷达、移动通讯S20004000MHz雷达、中继、卫星通讯（续表） 频段命名频率范围用途

10、C40008000MHz雷达、中继、卫星通讯X800012 000MHz雷达、中继、卫星通讯Ku1218GHz雷达、中继、卫星通讯K1827GHz雷达、中继、卫星通讯Ka2740GHz雷达、中继、卫星通讯毫米波40300GHz雷达、射电天文、卫星通讯亚毫米波300GHz雷达、射电天文、卫星通讯1.4 射频无源元件 无源元件：不需要直流电源就能正常工作 有源元件：需要直流电源才能正常工作 1.4.1 RF电路中的电阻 电阻的高频特性与制造电阻的材料、电阻的封装和尺寸大小密切相关 金属膜碳膜线绕 薄膜表贴引线 小尺寸大尺寸 电阻的主要参数：标称阻值、百分误差（精度）、额定功率、温度系数等图1-7

11、金属膜电阻与薄膜电阻 图1-8 电阻的 图1-9 电阻“R”的绝对值 等效电路描述 阻抗随频率的变化表1-5 表贴电阻的规格 几何形状尺寸代码长度L，mils(mm)宽度W，mils(mm)额定功率（W）040240（1.0）20（0.50）1/16060360（1.5）30（0.75）1/10080580（2.0）50（1.25）1/81206120（3.0）60（1.50）1/41812120（3.0）80（2.00）1/2 1.4.2 RF电路中的电感 RF电路中要使用许多电感，如谐振电路、滤波器、射频扼流圈、阻抗变换网络、匹配网络、移相网络、频相转换网络等。 电感线圈在电路中扮演不同的

12、角色，外形也不相同。 任何一段导线都可形成电阻和电感。 电感的损耗：导体（含趋肤）、辐射、介质DC2cond(16)lRaDC/ (2 )(17)R RaDC() / (2 )(18)LRa图1-10 各种电感线圈和互感线圈 图1-10 各种电感线圈和互感线圈（续）（m） （n） （o） （p）图1-11 电感线圈中的分布电容与串联电阻 图1-12 高频电感线圈的等效电路图1-13 空心线圈的频率响应 220(1 10 )rNLal022/(1 10 )SrNaClNb wire2cu(1 10 )SlRca1(j)j1jj(1 10 )SSSSRLCZRLCd 空芯（高功率）F4骨架陶瓷骨架

13、磁芯 电感的主要参数：标称电感值、百分误差（精度）、品质因数Q（损耗），额定电流、自谐频率等 1.4.3 RF电路中的电容 电容是射频电路中的主要元件之一，从电路功能的角度看，有耦合电容（隔直电容）、旁路电容、去耦电容及槽路电容等。 电容的结构、工艺、价格按低频、中频、高频、微波等应用而有所不同。 电容的损耗:导体(含趋肤)、介质(导电、极化、电离) 电容的主要参数：标称电容值、百分误差 (精度)、额定电压（耐压）、品质因数Q（损耗）、自谐频率等 图1-14 电容器的若干类型 （d） （e） （f）（g） （h） （i）图1-15 片式贴装（SMD）电容的内部结构 图1-16 高频电容电等效电

14、路图1-17 47pF引线电容的频率响应 0(1 11 )rACad dieltantan(1 11 )eSSAACGddbtan1(1 11 )2SeeRcGfCDC0cu(1 11 )2aLRfe DC2cond(1 11 )lRda1.5 简单串、并联谐振回路与双调谐耦合谐振回路 1.5.1 简单串、并联谐振回路的基本特性 谐振回路可以完成选频、移相、频率-相位转换、频率-幅度转换及阻抗变换等功能。 谐振回路由电感与电容串联或并联组成 简单LC串并联谐振回路的基本组成如图1-75所示 谐振电感在微波频段可以是一段终端开路或终端短路的传输线，或是长度规定的同轴腔、圆柱腔、矩形腔等。图1-7

15、4 LC谐振回路的电路结构（a） （b）图1-75 简单LC串并联谐振回路的基本组成（a）串联 （b）实际并联 （c）理想并联 谐振现象及谐振频率 简单串、并联谐振电路的阻抗在某一特定频率上具有最小值或最大值的特性称为谐振特性； 该特定频率称为谐振频率 稳态分析用拉普拉斯变换； 非稳态下（瞬态）分析用线性微分方程一、串联谐振回路SSsinvVt1j()jZrLrxC 1、谐振现象及谐振频率图1-76 串联谐振回路的基本特性 谐振时，Vs仅对r供能 ；L、C交换能量1j()jZrLrxC1xLC01/LCSS22221()VVIrxrLCarctanxr 0000SjjLLVL IVr 2、特性

16、阻抗与品质因数 特性阻抗：谐振时的感抗或容抗： 品质因数Qo (空载) ：特性阻抗与损耗电阻之比： 电感Q（几十几千）；电容Q（几百几万）/1/ ()ooL CLC00011/LLQrrrCrC01QWQo 3、串联谐振特点 谐振时，回路电流与信号源电压同相(即谐振时呈纯电阻)，且为最大值： 谐振时，L、C上的电压振幅相同（相位相反），且为最大值，并为信号源电压的Qo倍： 串联谐振称为电压谐振 大功率应用中要注意电容耐压！ 问题：当信号源频率高于或低于谐振频率时，串联回路呈什么特性？/IoVsm r0000SjjLLVL IVrS0S0020011jjjCVVVICCrCr 4、谐振曲线 定义

17、：归一化抑制比 (复数) ： 串联谐振电路任意频率下的电流表达式与谐振时电流表达式之比 ： 定义：广义失谐 归一化抑制比 归一化抑制比的幅频特性曲线称为谐振曲线0000200000001()1()1111()1()11()SSVrjLIrCIVrrjLCLjjQrLCLCjQ )(000 Qj11211|二、并联谐振回路 1、并联电路等效、回路阻抗与谐振频率 并联电路按上右图分析比较方便：根据端口阻抗相同的原理实现变换（ ）。 由左图：SSsiniIt1(j)1j1j(1)j(1)j()rLL CCZrLCCr LCLrLCLr 由右图： 比较得： 令： 称为并联谐振回路的谐振电阻。它是电感器

18、的损耗电阻r（与之串联）折合到电感器的两端（与之并联）后的等效电阻。 损耗电阻r愈小，RP愈大，r0，则RP1j(1)jPYZCr LCLGBPCrGL1BCL1/PPLRGCr图1-77 并联谐振回路的基本特性 谐振时， Is仅对Rp供能 ； L、C交换能量1BCL1j(1)jPYZCr LCLGBLCP1jSSSejj(1)PIIIVVYGBCr LCLS22()(1)IVCr LCLarctanPBG CrLIGIVSPSP0000SS0S01jjjjCLLIVCIIQ ICCrr0000SS00011/(j)jjjLVLIVrLIILL CrCr 2、特性阻抗与品质因数 特性阻抗：谐振

19、时的感抗或容抗： 品质因数Qo (空载) ：特性阻抗与损耗电阻之比： 精确值：/1/ ()ooL CLC00011/ppLLQrrrCrCRRr01Q1/PPLRGCr22(1)oooooPRQrQ rQQL222111(1)PorQLCLLC2000000/PPPLLCRQCRrL CR00011PPPCRRLCLLG 3、并联谐振特点 谐振时，端口电压与信号源电流同相(即谐振时呈纯电阻)，且为最大值： 谐振时，L、C上的电流振幅相同（相位相反），且为最大值，并为信号源电流的Qo倍： 并联谐振称为电流谐振 谐振时，外电流相对于回路电流可以忽略！ 问题：当信号源频率高于或低于谐振频率时，并联回

20、路呈什么特性？pVoIsmR0000SS0S01jjjjCLLIVCIIQ ICCrr0000SS00011/(j)jjjLVLIVrLIILL CrCr 4、谐振曲线 定义：归一化抑制比 (复数) ： 并联谐振电路任意频率下的端电压表达式与谐振时的端电压表达式之比 ： 广义失谐 归一化抑制比 归一化抑制比的幅频特性曲线称为谐振曲线)(000 Qj11211|000011j(1)1j1j()PPGVVGCLQ三、谐振曲线 1、串联谐振回路与并联谐振回路具有相同的归一化表达式 2、Qo越大，谐振曲线越尖锐，选频特性越好 3、 Qo越大，相频特性越陡峭，稳频特性越好j11211arctan 图1-

21、78 串联谐振回路与并联谐振回路的归一化响应特性 图1-79 信号源内阻与负载电阻对谐振回路品质因数的影响（a） （b） 1.5.2 信号源内阻与负载电阻对谐振回路品质因数的影响 1.5.2 信号源内阻与负载电阻对谐振回路品质因数的影响 阻抗中的电抗可归入串联谐振回路或并联谐振回路的电抗中（改变串联谐振回路或并联谐振回路的谐振频率）；有耗部分归入回路总损耗，得到有载品质因数： 可见 ，串联电路要求R小，并联电路要求R大。0SLsLLQrRR0S1()LpPLQL GGGoLQQ 1.5.3 品质因数的物理意义 品质因数是描绘储能系统性能指标的关健参数（即储能与耗能之间的关系） 特性阻抗与品质因

22、数密切相关： 回路有相同的损耗时，则特性阻抗愈大的回路品质因数愈高。 图1-80 串联谐振回路中的能量关系 （a） （b）0LrQC00111LLQLrrrcrLC一个周期中的耗能：储能与耗能之比：故： 谐振回路的品质因数是系统中的总储能与一个周期中的耗能之比乘以 。 222011122RRmmWPTrI TrIf2002012211222mLLCRmLIWWf Lf LQWrrrIf0022LCRWWf LLQWrr2Q回路储能每周期耗能 1.5.4 简单串、并联谐振回路的通频带与选 择性 通频带与选择性是一切收发系统的关键指标 1、通频带 定义：三分贝通频带(或半功率点通频带) ：归一化抑

23、制比下降到0.707或 时的频率范围。 ，简称3dB带宽 一般情况下，在射频范围内： 广义失谐： 绝对频移（失谐量）：21120707. 0ff0rLQ00.7072 f000000022)()(ffQQQQLLLL00fff令归一化抑制比：2220.707001111|22121 ()1 ()LLffQQffLQff0707. 02结论：简单谐振回路的通频带与 成反比， 愈大，通频带愈窄。 LQLQ2、选择性 用矩形系数来度量选择性能。定义：当 降到0.1时的通频带与降到0.707时的通频带之比为矩形系数，记为 。 |707. 01 . 01 . 022ffKr 总是大于1，理想矩形的 。

24、1 . 0rK0.11rK 愈接近1，选择性愈好。 1 . 0rK得3dB通频带：令：结论：简单串并联回路的选择性很不好，它的矩形系数远大1。20.101|0.121()LfQf200.12101LffQ200.101019.95LrLfQKfQ图1-81 回路的通频带与选择性 0.10.12 f 【例1-1】如图1-75（b）所示并联谐振回路，设回路空载品质因数Q0=90，谐振回路的谐振频率为：f0=465kHz，C=200pF，信号源电流振幅值IS=0.1mA。 求：（1）谐振电阻RP；若信号源内阻RS=150k，负载电阻RL不接，有载品质因数QL等于多少？通频带20.707等于多少？ （2）若信号源内阻RS=150k，负载电阻RL=150k，有载品质因数QL等于多少？通频带20.707等于多少？ 1.5.6简单串、并联谐振回路的部分接入及阻抗变比折合 采用部分接入的办法，可降低信号源内阻及负载电阻对谐振回路的影响，提高回路的有载品质因数 1、串并联阻抗等效互换 得到： 相除得到： 串联形式的有载品质因数=并联形式的有载品质因数 即串并联互换前后的品质因数不会发生变化222222112222222222111R XR XRjXjRXRXRjX22222221XRXRX22212222R XRRXLQXRRX2211221222211()LRRRRQX221222211(