高频电子线路Class04

1、高频电子线路王军王军汕头大学电子工程系(2)传输变压器传输变压器传输线 传输线主要采用双导线、同轴线等。由于当工作信号频率很高时，信号的波长可与电路尺寸相比拟时，就不可能把导线和电路看作集总参数电路了。因此就必须要考虑分布参数。如图所示。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:11-Jan-2005Sheet of File:D:DESIGN EXPLORER 99EXAMPLESMyDesign5.ddbDrawn By:C0C0L0L0R0R0G0G0i+_+_uu图 传输线分布参数lR0两根导线每单位长度具有的电阻。L0两根导线每

2、单位长度具有的电感。C0每单位长度导线之间的分布电容。G0每单位长度导线之间的电导。当G0、R0为0时，叫无损传输线，如果沿线每处分布参数都相等，则称为均匀传输线。 00CLZc 为：为：无损传输线的特性阻抗无损传输线的特性阻抗）（一一般般大大于于为为相相对对介介电电常常数数，且且总总传传输输线线的的波波速速：421cvrr rrfcfv 0 传传输输线线上上的的波波长长： 因此电磁波在传输线上的传播速度和波长都比在真空中要小。只要保证传输线的长度L小于波长，则可以把它看作一个集总元件，当满足如下条件：为最高信号频率。为最高信号频率。maxmaxminmin,)10181(ffvl 那么只要l

3、 很小，则传输线的高频范围就很宽。在忽略传输线上的损耗时，根据传输线理论，可以有以下结论： 两线对应点通过的电流必定大小相等，方向相反。 在满足匹配的条件下，两导线间电压沿线均匀分布。传输线变压器传输线变压器 传输线变压器就是利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器。 图 2 -17 为其典型的结构和电路图。磁环42132143(a)(b)图 2 17 传输线变压器的典型结构和电路 (a) 结构示意图; （b） 电路 因此，传输线变压器可以看作双线并绕的1:1变压器，也可看做绕在磁环上的传输线。所以它有变压器方式和传输线两种工作方式，取决于激励形式。如图2-18所示。RSES1324U1.R

4、LU2.ZCI.RSES1234U1.RLUL(a)(b)I. 图 2 18 传输线变压器的工作方式 (a) 传输线方式; (b) 变压器方式 传输线变压器的一般应用 1:1倒相器RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4 倒相器 可以看出，对地为正的输入变成了对地为负的输出，输入输出大小相等，方向相反。平衡和不平衡变换器RSESU1.132U

5、2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4不平衡平衡变换器 在这个电路中，单端对地输入变换成了双端对地的平衡输出，而且为了与传输线匹配，应该满足RS=ZC ,RL=ZC，同样，只要改变激励方式，也可以实现平衡非平衡变换。1:4和4:1阻抗变换器RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2

6、.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4RiLLiLLLLLRURUIURRURUURUII412222111121 因因此此：1:4阻抗变换器3dB耦合器RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4 在这个电路中，

7、根据对称性，流过两个RL电流应相等，那么就有UA=UB，UAB=0，所以流过Rb的电流为0，Rb上没功率输出，那么，信号源输出的功率被均匀的分配到了两个负载电阻上，及每个电阻上的功率和输入功率的一半，因此该电路叫3dB耦合器，也叫功率分配器。3dB耦合器2.2.3其它形式的滤波器其它形式的滤波器 随着无线电技术的飞速发展，在高频电子线路，特别是高频集成模块中，对滤波器性能的要求越来越高，比如要求非常高非常高的频率稳定度的频率稳定度，阻带衰减特性陡峭阻带衰减特性陡峭；因此采用普通的普通的LC滤波滤波器器的性能不可能满足要求(Why?)。在高频电路系统中除了使用LC谐振电路谐振电路外，目前还经常使

8、用一些集中参数滤波器作为选频电路，以改善电路的稳定性，及其系统性能以及电路的微型化。目前常用的集中参数滤波器有： 石英晶体滤波器(SiO2) 陶瓷滤波器 声表面滤波器等（Surface Acoustic Wave)。 薄膜体声(FBAR)滤波器利用利用机械谐振机械谐振来达到滤波目的来达到滤波目的同频率谐振，机械波波长小于电磁波波长在获得好的滤波效果的同时缩小滤波器体积普通LC滤波器可以实现高性能的滤波，只不过不利于集成化、小型化或微型化；不利于在特别高频段工作。（1）石英晶体滤波器石英晶体的物理特性压电效应 图2-20石英晶体谐振器（a）晶体形状、（b）切割方式、（c）晶振结构、（e）晶振符号

9、(a)(b)(c)(e)石英晶体谐振器的等效电路和阻抗特性图2-21 晶体谐振器的等效电路（a）泛音等效电路，（b）基频等效电路Lq、Cq、rq是对应于机械共振而等效的电感、电容和损耗电阻，C0是静态电容，而且一般CqC0，rq也非常小。因此在忽略了rq后，阻抗Ze为：000022220002020(1/)11111111111111qqqqeqqqqqqqqqqjLCLCjCZjCLjLCCCjCL CjjCCC CLCC 00011,qqqqqqL CC CLCC 式式中中00000000011221112221(1)(1)22eeqqqqqqqqqqqqqqZZfLCCCfCC CL C

10、LCCCCpfffCC 显然当时发生串联谐振，而当时发生并联谐振，因此，石英晶体谐振器具有两个谐振频率。串联谐振频率：并联谐振频率：(2-45)(2-46)泰勒级数展开,忽略高阶无穷小即00qqqCCpCCC 由于接入系数很小，则外电路对晶体的影响必然也很小。图2-19是晶体谐振器的电抗特性 由于CqC0,而且两个电容的串联CqC0/（Cq+C0）Cq，因此两个谐振频率距离非常近。在ff0电路也呈容性，而在fqf1时， 此法失效， 可用精确的串-并联阻抗变换公式计算。在耦合振荡回路中， 互感M是重要的调节参数。改变M，可改变耦合阻抗Zm和耦合系数k。由式(2-26)可知， 初级回路的反映(射)

11、阻抗 Zf 会改变初级并联谐振回路的阻抗。因此， 通过调节互感M就可实现阻抗变换。其具体应用参见第3章的有关内容。2.3.2 LC网络阻抗变换网络阻抗变换LC网络的形式很多， 常见的有L()型、T型和型。用LC网络实现阻抗变换的共同基础是串-并联阻抗变换公式。1. 串并联阻抗变换公式如图2-29所示， 将串联的电阻Rs和电抗Xs等效地变为并联的电阻Rp和电抗Xp(或者相反)， 根据阻抗相等的原则， 有由此可得 (2-49a) (2-49b)ssppj1j11XRXR)1 (2ss2s2spQRRXRR22ssps2s1(1)RXXXXQ图 2-29 串-并联阻抗变换由上式可以很容易导出Rs和X

12、s与Rp和Xp的关系。式中， 品质因数Q为 (2-50)在1时， Rp远远大于Rs， 而电抗的性质不变， Xs和Xp的数值也几乎相等。pss2222p(1)(1)/ssssRQR QQXQQXRXQRX2. L型网络阻抗变换型网络阻抗变换L型网络是一种异性质阻抗变换网络， 按负载电阻与网络电抗的并联或串联关系， 可以分为L-I型网络(负载电阻R与p并联)与L-型网络(负载电阻RL与Xs串联)两种， 如图2-30所示。图中， Re为匹配后要求的负载电阻或信号源的内阻，s和Xp分别表示串联支路和并联支路的电抗， 两者性质相异。串联谐振形式并联谐振形式将较大的负载转换为一个较小的电阻，以实现与较小源

13、内阻的信号源匹配222222pLLppLsspLLpLpjX RR XX RRjXjjXRRXRX222222eLppLssLpLpR XX RRXRXRXR22222ee22222222/()/()()()/()/()RR11 sLLpLLpLpLLsppLpLpLpLsspLXRRXRR XRXRRQRXXRXR XRXXRRRXssXX 复匹配，则串联谐振图 2-30 L型匹配网络(a) L-I型网络eee| |RR (R )sssLXXQQRReeR|RLpLLRXRQR怎么设计L-I型匹配网络?图 2-30 L型匹配网络(b) L-型网络22222222111,ssLsLLppsLs

14、LsLppLsjXXRXRRRXjXRXRXRRjXRXpeLL|11sLRXRQRRR )(LeLLsRRRQRXLeLeeppRRRRQRXX怎么设计L-II型匹配网络?L型网络的元件值由型网络的元件值由Q值值(不要求远远大于不要求远远大于1)唯一确定，唯一确定， 而而Q又又取决于匹配前取决于匹配前/后的负载电阻值，后的负载电阻值， 这样， L型阻抗变换网络就型阻抗变换网络就很难兼顾滤波功能了很难兼顾滤波功能了。L-型网络适合于型网络适合于RLRe的情况，的情况， 而而L-型网络适合于型网络适合于RLRe。如果使用其他计算公式，其使用条件需要变化。p1eXRQ 1/ )1 (e2LLp1R

15、QRRX2e2es11/ )1 (QRQRLQRX同并联谐振同并联谐振T T型和型和型阻抗变换网络可以得到好的滤波特性的关键在于：增加了一型阻抗变换网络可以得到好的滤波特性的关键在于：增加了一个中间阻抗个中间阻抗2.3.3 变压器阻抗变换变压器阻抗变换高频变压器高频变压器:对于理想变压器，若初、次级线圈的匝数分别为N1和2，则接在次级线圈上的负载电阻RL，折合到初级回路后为 (2-56)L221LRNNR根据能量守恒定律根据能量守恒定律, ,很容易得到很容易得到传输线变压器传输线变压器:这已经在前面的介绍传输线变压器的时候介绍了,这里不重复讲述.2.3.4 电阻网络阻抗变换电阻网络阻抗变换(同

16、同“高频衰减器高频衰减器”章节章节)电阻网络阻抗变换器是一种有损耗的宽带阻抗变换器，称为高频电阻匹配器。利用高频电阻匹配器，可以直接把需要相连接的两部分高频电路匹配连接起来。在高频电路中，器件的终端阻抗和线路的匹配阻抗通常有50 和75 两种。因此，最常用的电阻匹配器是50/75 的阻抗变换器，通常有电阻衰减型和变压器变换型两种方式。对于一般情况，通过如图2-32所示的T型电阻衰减网络，就可以制成电阻网络阻抗变换器。图中，Z1、Z2分别为两端的匹配阻抗，匹配器的最小衰减量为 (2-57)1122212121minZZZZZZ图 2-32 T型电阻网络匹配器11223|ZRRZR从源往右看要有输入阻