高频电路教案

1、第1章 绪论高频电子线路.第第1章章 绪论绪论 1.1 无线通信系统概述无线通信系统概述 1.2 信号、频谱与调制信号、频谱与调制 1.3 本课程的特点本课程的特点 思考题与习题思考题与习题 第1章 绪论高频电子线路.1.1 无线通信系统概述 高频电路是通信系统高频电路是通信系统, 特别是无线通信系统的基础特别是无线通信系统的基础, 是无线通信设是无线通信设备的重要组成部分。备的重要组成部分。 一、无线通信系统的组成 1861年麦克斯韦年麦克斯韦理论上预言了电磁波的存在，理论上预言了电磁波的存在，1888年赫兹年赫兹通过火通过火花放电实验得以证实，花放电实验得以证实，1896年马可尼年马可尼完

2、成无线通信实验，从而开始了完成无线通信实验，从而开始了无线通信技术。无线通信技术。 无线通信无线通信(或称无线电通信或称无线电通信)的类型很多的类型很多, 可以根据传输方法、可以根据传输方法、 频率频率范围、范围、 用途等分类。不同的无线通信系统用途等分类。不同的无线通信系统, 其设备组成和复杂度虽然其设备组成和复杂度虽然有较大差异有较大差异, 但它们的基本组成不变但它们的基本组成不变, 图图1- 1是无线通信系统基本组成的是无线通信系统基本组成的方框图。方框图。 图中虚线以上部分为发送设备（发信机）图中虚线以上部分为发送设备（发信机）, 虚线以下部分为接收虚线以下部分为接收设备（收信机）设备

3、（收信机）, 天线及天线开关为收发共用设备。天线及天线开关为收发共用设备。 信道为自由空间。信道为自由空间。 话筒和扬声器属于通信的终端设备话筒和扬声器属于通信的终端设备, 分别为信源和信宿。分别为信源和信宿。 第1章 绪论高频电子线路. 图图11 无线通信系统的基本组成无线通信系统的基本组成 第1章 绪论高频电子线路. 超外差接收机超外差接收机的主要特点就是由频率固定的的主要特点就是由频率固定的中频放大器中频放大器来完成对接收信号的选择和放大；当信号频率改变时来完成对接收信号的选择和放大；当信号频率改变时, 只要只要相应地改变本地振荡信号频率即可。相应地改变本地振荡信号频率即可。 优点优点：

4、由于中频比载频低的多，对选频网络的要求低：由于中频比载频低的多，对选频网络的要求低的多，容易实现高增益。的多，容易实现高增益。 不足不足：由于存在混频，因而存在频率组合干扰，且抑：由于存在混频，因而存在频率组合干扰，且抑制干扰比较麻烦。制干扰比较麻烦。 第1章 绪论高频电子线路. 由上面的例子可以总结出无线通信系统的基本组成由上面的例子可以总结出无线通信系统的基本组成, 从从中也可看出中也可看出高频电路的基本内容高频电路的基本内容应该包括应该包括: （1）高频振荡器：用于产生载波或本地振荡信号）高频振荡器：用于产生载波或本地振荡信号 （2）放大器：包括小信号放大和功率放大）放大器：包括小信号放

5、大和功率放大 （3）混频或变频：）混频或变频： （4）调制与解调：）调制与解调： （5）反馈控制电路：包括）反馈控制电路：包括AGC、AFC和和APC（PLL） 第1章 绪论高频电子线路.二、二、无线通信系统的类型 按照无线通信系统中关键部分的不同特性按照无线通信系统中关键部分的不同特性, 有以下一些有以下一些类型类型: 1、按照、按照工作频段或传输手段工作频段或传输手段分类分类, 有中波通信、有中波通信、 短波通短波通信、信、 超短波通信、超短波通信、 微波通信和卫星通信等。微波通信和卫星通信等。 所谓工作频率所谓工作频率, 主要指发射与接收的射频（主要指发射与接收的射频（RF）频率。）频率

6、。 射频实际上就是射频实际上就是“高高频频”的广义语的广义语, 它是指适合无线电发射和传播的频率。它是指适合无线电发射和传播的频率。 无线无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。 2、按照、按照通信方式来分类通信方式来分类, 主要有（全）双工、主要有（全）双工、 半双工和单半双工和单工方式。工方式。 3、按照、按照调制方式的不同来划调制方式的不同来划分分, 有调幅、有调幅、 调频、调频、 调相以调相以及混合调制等。及混合调制等。 第1章 绪论高频电子线路. 4、按照传送的消息的类型分类按照传送的消息的类型分类, 有模拟通信和数字通有模拟通信和数字通信信,

7、 也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。通信等。 各种不同类型的通信系统各种不同类型的通信系统, 其系统组成和设备的复杂其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同。但是组成设备的基本电路及其原理程度都有很大不同。但是组成设备的基本电路及其原理都是相同的都是相同的, 遵从同样的规律。遵从同样的规律。 本书将以模拟通信为重点本书将以模拟通信为重点来研究这些基本电路来研究这些基本电路, 认识其规律。认识其规律。 这些电路和规律完全这些电路和规律完全可以推广应用到其它类型的通信系统。可以推广应用到其它类型的通信系统。 第1章 绪论高频电子线路.

8、一、无线电信号的频率及分段一、无线电信号的频率及分段1、信号频率及波谱、信号频率及波谱 任何信号都具有一定的频率或波长。任何信号都具有一定的频率或波长。 我们这里所讲的我们这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波长。频率特性就是无线电信号的频率或波长。 电磁波辐射的波电磁波辐射的波谱很宽谱很宽, 如图如图 1 4 所示。所示。 1.2 无线电信号的频谱及特性 第1章 绪论高频电子线路.无线电波105红外线1010可见光紫外线1015X射线1020宇宙射线1025f/Hz/m3103310 2(3.87.8)10 7310 7310 12310 17 图图 1 4 电磁波波谱电磁波波谱 第1章

9、 绪论高频电子线路. 从上图可以知道，无线电波只是一种波长比较长的电从上图可以知道，无线电波只是一种波长比较长的电磁波磁波, 占据的频率范围很广。占据的频率范围很广。 在在自由空间自由空间中中, 波长与频率波长与频率存在以下关系存在以下关系: c = f （11） 式中式中: c为光速为光速, f 和和分别为无线电波的频率和波长分别为无线电波的频率和波长 因此我们也因此我们也可以认为无线电波是一种频率相对较低的可以认为无线电波是一种频率相对较低的电磁波电磁波。第1章 绪论高频电子线路.2、无线电波的频（波）段划分、无线电波的频（波）段划分 无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。无线电波

10、也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。 对频率或波长进行分段对频率或波长进行分段, 分别称为频段或波段（波段划分分别称为频段或波段（波段划分请见下表）。请见下表）。 注意：注意：不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同, 传播的能力和方式也不同传播的能力和方式也不同, 因而其应用范围也不同。因而其应用范围也不同。 不同频段的信号具有不同的分析与实现方法不同频段的信号具有不同的分析与实现方法, 对对于米波以上（含米波于米波以上（含米波, 1 m）的信号通常用集总（中）的信号通常用集总（中）参数的方法来分析与实现参数的方法来分析与实现, 而对于米波以下（而对

11、于米波以下（1 m）的）的信号一般应用分布参数的方法来分析与实现，信号一般应用分布参数的方法来分析与实现， 当然当然, 这也这也是相对的。是相对的。 第1章 绪论高频电子线路.说明：说明：“高频高频”是一个相对的概念，上表中的是一个相对的概念，上表中的“高频高频”是一个狭义的概是一个狭义的概念，指的是短波波段，其频率范围为念，指的是短波波段，其频率范围为330MHz，而广义的，而广义的“高频高频”指的指的是射频，其频率范围非常宽，只要是射频，其频率范围非常宽，只要电路尺寸比工作波长小得多电路尺寸比工作波长小得多，可以，可以用用集中参数来分析集中参数来分析实现，都可以实现，都可以认为属于认为属于

12、“高频高频”（就目前技术来讲，（就目前技术来讲，“高频高频”的上限频率可达的上限频率可达3GHz）第1章 绪论高频电子线路.二、无线电信号的特性二、无线电信号的特性 在高频电路中在高频电路中, 我们要处理的无线电信号主要有三种我们要处理的无线电信号主要有三种: 基带（消息）信号基带（消息）信号、 高频载波信号高频载波信号和和已调信号已调信号。 所谓基带所谓基带信号信号, 就是没有进行调制之前的原始信号就是没有进行调制之前的原始信号, 也称调制信号。也称调制信号。 1、 时间特性 (1)、信号的描述、信号的描述：一个无线电信号：一个无线电信号, 可以将它表示为电压可以将它表示为电压或电流的时间函

13、数或电流的时间函数, 通常用时域波形或数学表达式来描述。通常用时域波形或数学表达式来描述。 (2)、时间特性的概念时间特性的概念：无线电信号的时间特性就是信号：无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。随时间变化快慢的特性。第1章 绪论高频电子线路.2、频谱特性 对于较复杂的信号（如话音信号、对于较复杂的信号（如话音信号、 图像信号等）图像信号等）, 用用频谱分析法表示较为方便。频谱分析法表示较为方便。 信号的信号的频谱特性的概念频谱特性的概念：信号的频谱特性就是信号中：信号的频谱特性就是信号中各频率成分的特性。各频率成分的特性。信号幅度0t 图图 1 2 信号分解信号分解 第1章 绪

14、论高频电子线路. 对于周期性信号对于周期性信号, 可以表示为许多离散的频率分量（各可以表示为许多离散的频率分量（各分量间成谐频关系）分量间成谐频关系）, 例如图例如图 1 3即为图即为图 1 2所示信号的所示信号的频谱图。频谱图。 频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分, 它们分别反它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。 任何信号都会占据一定的带宽。任何信号都会占据一定的带宽。 从频谱特性上看从频谱特性上看, 带宽带宽就是信号能量主要部分（一般为就是信号能量主要部分（一般为90%以上）所占据的频率范以

15、上）所占据的频率范围或频带宽度。围或频带宽度。 信号振幅0F3F5F7F9FF 图 1 3 频谱图 第1章 绪论高频电子线路.3、传播特性 传播特性传播特性：是指无线电信号的：是指无线电信号的传播方式、传播距离、传传播方式、传播距离、传播特点等播特点等。 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。波段来区分。 电磁波从发射天线辐射出去后电磁波从发射天线辐射出去后, 不仅电波的能量会扩散不仅电波的能量会扩散, 接收机只能收到其中极小的一部分接收机只能收到其中极小的一部分, 而且在传播过程中而且在传播过程中, 电波电波的能量会被地面、建筑物或高

16、空的电离层吸收或反射的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射, 或者或者在大气层中产生折射或散射等现象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从而造成到达接收机时的强度大大衰减。的强度大大衰减。 根据无线电波在传播过程所发生的现象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电波的传播方式主要有直射（视距）传播直射（视距）传播、 绕射（地波）传绕射（地波）传播播、 折射和反射（天波）传播折射和反射（天波）传播及及散射传播散射传播等等, 如图如图 1 5 所所示。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决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频

17、率率。 第1章 绪论高频电子线路.(a)射线(b)(c)电离层(d)对流层 图图1 5 无线电波的主要传播方式无线电波的主要传播方式（a） 直射传播直射传播; （b） 地波传播地波传播; （c） 天波传播天波传播; （d） 散射传播散射传播(距地面距地面60600km)(距地面距地面1012km)(散射传播距离散射传播距离100500km)(适合频率适合频率4006000MHz)(一次反射距离约为一次反射距离约为4000km)(适合于中短波适合于中短波)(适合于中长波适合于中长波)(适合于超短波、微波适合于超短波、微波)第1章 绪论高频电子线路.4. 调制特性 无线电传播一般都要采用高频（射频

18、）的另一个原因无线电传播一般都要采用高频（射频）的另一个原因就是高频适于天线辐射和无线传播。就是高频适于天线辐射和无线传播。只有当天线的尺寸可只有当天线的尺寸可以与信号波长相比拟时以与信号波长相比拟时, 天线的辐射效率才会较高天线的辐射效率才会较高, 从而以从而以较小的信号功率传播较远的距离较小的信号功率传播较远的距离, 接收天线也才能有效地接接收天线也才能有效地接收信号。收信号。 所谓调制所谓调制, 就是用调制信号去控制高频载波的参数就是用调制信号去控制高频载波的参数, 使使载波信号的某一个或几个参数（振幅、载波信号的某一个或几个参数（振幅、 频率或相位）按照频率或相位）按照调制信号的规律变

19、化。调制信号的规律变化。 根据载波受调制参数的不同根据载波受调制参数的不同, 调制分为三种基本方式调制分为三种基本方式, 它们是它们是振幅调制（调幅）、振幅调制（调幅）、 频率调制（调频）、频率调制（调频）、 相位调制相位调制（调相）（调相）, 分别用分别用AM、 FM、 PM表示，表示， 还可以有组合调还可以有组合调制方式。制方式。 第1章 绪论高频电子线路.1.3 本课程的特点 高频电子线路是通信系统的核心，高频电子线路是通信系统的核心，高频电子线路高频电子线路这门课程是通信工程、电子信息工程等电子信息类专业这门课程是通信工程、电子信息工程等电子信息类专业非常重要的一门专业基础课程，因此掌

20、握高频电子线路非常重要的一门专业基础课程，因此掌握高频电子线路课程特点对于学习该课程是十分重要的。课程特点对于学习该课程是十分重要的。 第1章 绪论高频电子线路.1 1、高频电子线路的特点高频电子线路的特点 高频电子线路是由线性元件（电阻、电容、电感等）和高频电子线路是由线性元件（电阻、电容、电感等）和非线性器件非线性器件(二极管、三极管、场效应管等二极管、三极管、场效应管等)组成，其中非线组成，其中非线性是高频电子线路的核心。性是高频电子线路的核心。 2 2、本课程的主要内容、本课程的主要内容 高频振荡器、高频放大器高频振荡器、高频放大器(小信号、功率小信号、功率)、高频信号变换、高频信号变

21、换和处理和处理(变频、调制、解调变频、调制、解调)等等第1章 绪论高频电子线路.3 3、学习本课程需注意的问题、学习本课程需注意的问题注意注意分析方法和过程分析方法和过程的特点：的特点：近似分析近似分析抓住各单元电路的共性，洞悉各功能之间的内在联系。抓住各单元电路的共性，洞悉各功能之间的内在联系。注意注意“分立是基础，集成为重点，分立为集成服务分立是基础，集成为重点，分立为集成服务”的的原则。原则。(1) 高频电子线路是在科学技术和生产实践中发展起来的高频电子线路是在科学技术和生产实践中发展起来的, 也只有通过实践才能得到深入的了解。也只有通过实践才能得到深入的了解。 因此因此, 在学习本在学

22、习本课程时必须要高度重视实验环节课程时必须要高度重视实验环节, 坚持理论联系实际坚持理论联系实际, 在在实践中积累丰富的经验。实践中积累丰富的经验。第1章 绪论高频电子线路.思考题与习题 1. 画出无线通信收发信机的原理框图画出无线通信收发信机的原理框图, 并说出各部分并说出各部分的功用。的功用。 2 无线通信为什么要用高频信号？无线通信为什么要用高频信号？“高频高频”信号指的信号指的是什么？是什么？ 3 无线通信为什么要进行调制？如何进行调制？无线通信为什么要进行调制？如何进行调制？ 4 无线电信号的频段或波段是如何划分的？各个频段无线电信号的频段或波段是如何划分的？各个频段的传播特性和应用

23、情况如何？的传播特性和应用情况如何？ 第1章 绪论高频电子线路.11 画出无线通信收发信机的原理框图，并说出各部分的功画出无线通信收发信机的原理框图，并说出各部分的功用。用。答：答：上图是一个语音无线电广播通信系统的基本组成框图，它由发上图是一个语音无线电广播通信系统的基本组成框图，它由发射部分、接收部分以及无线信道三大部分组成。发射部分由话射部分、接收部分以及无线信道三大部分组成。发射部分由话筒、音频放大器、调制器、变频器（不一定必须）、功率放大筒、音频放大器、调制器、变频器（不一定必须）、功率放大器和发射天线组成。器和发射天线组成。第1章 绪论高频电子线路.低频音频信号经放大后，首先进行调

24、制后变成一个高频已调低频音频信号经放大后，首先进行调制后变成一个高频已调波，然后可通过变频，达到所需的发射频率，经高频功率放波，然后可通过变频，达到所需的发射频率，经高频功率放大后，由天线发射出去。接收设备由接收天线、高频小信号大后，由天线发射出去。接收设备由接收天线、高频小信号放大器、混频器、中频放大器、解调器、音频放大器、扬声放大器、混频器、中频放大器、解调器、音频放大器、扬声器等组成。由天线接收来的信号，经放大后，再经过混频器，器等组成。由天线接收来的信号，经放大后，再经过混频器，变成一中频已调波，然后检波，恢复出原来的信息，经低频变成一中频已调波，然后检波，恢复出原来的信息，经低频功放放大后，驱动扬声器。功放放大后，驱动扬声器。第1章 绪论高频电子线路.12 无线通信为什么要用高频信号？无线通信为什么要用高频信号？“高频高频”信号指的信号指的是什么？是什么？ 答：答： 高频信号指的是适合天线发射、传播和接收的射频信高频信号指的是适合天线发射、传播和接收的射频信号。号。 采用高频信号的原因主要是：采用高频信号的原因主要是：（1）频率越高，可利用的频带宽度就越宽，信道容量就）频率越高，可利用的频带宽度就