高频电子线路(第五版)

高频电子线路

教学参考书：

高频电子线路（第五版）

张肃文主编

讲授余连德→0第一章绪论

§1.1无线电通信发展简史

1864年

麦克斯韦预言电磁波的存在

1887年

赫兹实验证实电磁波的存在

1895年

电磁波进行通信成功

火化发射机→→粉末检波器

1907年

发明电子管

1948年

发明晶体管三个里程碑

20世纪六十年代集成电路§1.2无线电信号传输原理

1、基本通信系统示意图

2、无线电报发射方式及波形

发送设备传输媒介接收设备信号输出键控管放大强放电源振荡器缓冲图1.2.5t3、目前常用的发射信号调制方式

连续调制(音、像信号)

脉冲调制(常用于控制信号---遥控器)

调幅

(1)连续调制调频

调相

(2)调幅发射机的组成

图1.2.84、无线电信号的接收

(1)简易接收机

图1.2.9

(2)直接放大式接收机

图1.2.10

(3)超外差式接收机

图1.2.11

§1.3通信的传输媒质

有线通信:电缆、光纤

无线电通信:自由空间(受大气层影响

------电离层影响)

天波、地波

第二章选频网络

§2.3串联、并联阻抗等效互换与回路抽

头时的阻抗变换

1

、串、并联阻抗等效互换

得

Xs、Xp

为电感或电容

3

、抽头式并联回路的阻抗等效变换

设

----阻抗比=接入系数的平方----接入系数(抽头比)接入系数

§2.4耦合回路

1、耦合回路概述

互感耦合——图2.4-2(a)

电容耦合——图2.4-2(a)

2、定义耦合系数

f矩形特性耦合耦合元件电抗初、次级回路中与X12同性质的总电抗对于:电容耦合——互感耦合——§2.5

滤波器的其它形式

2.5.1LC集中选择性滤波器2.5.2石英晶体滤波器2.5.3陶瓷滤波器2.5.4声表面波滤波器第三章高频小信号放大器

§3.1概述

高频小信放大器:几百KHZ~几百MHZ

小信号、晶体管工作在线

性范围.

谐振放大器

非谐振放大器

主要指标：

1，

增益

2，

通频带

3，

选择性（两个基本指标）

（1）矩形系数——对邻近频道干扰抑制能力

Kr表示f10.70.1理想理想情况:

一般要求:

（2）抑制比（或抗拒比）——对干扰信

号抑制能力

4、稳定性

5、噪声系数f干扰§3.2晶体管高频小信号等效电路

与参数

3.2.1形式等效电路(网络参数等效电路)

晶体管四端网络图（3.2.1）以y参数表示，则有由上两式可得晶体管的y参数等效电路两式或写成

其中：

——输出短路时的输入导纳——输入短路时的反向传输导纳——输出短路时的正向传输导纳——输入短路时的输出导纳根据以上还可得到

晶体管放大电路的y参数等效电路图3.2.3列出相应方程：即电压增益为(3.2.10)式由(1)、(2)、(3)式可得输入导纳输入导纳与输出负载有关，是内部反馈的作用。将输入信号取零（电流源开路），消去、可得输出导纳输入导纳与信号源有关，也是内部反馈的作用。3.2.2混合π等效电路

考虑到晶体管的内部反馈

图3.2.43.2-3混合π等效电路参数与形式等效

电路y参数的转换

当晶体管工作点选定后，混合π电路中参数则可确定。

高频分析中使用y参数等效分析较简便。

π→y?图3.2.5对于π电路有

节点b'

节点c

上三式整理得

IbIyb’e-Iyb’c

与对比得（3.2.18)~~(3.2.21)式复数表示

以上8个参数均可手册查得

输入电导输入电容输出电导输出电容3.2-4晶体管高频参数

1)截止频率fβ

fβ为当β下降到时的频率2)特征频率fT

fT

为当β

下降到时的频率

显然，当

则有

通常

时3)最高振荡频率fmax

当晶体管的功率增益时的工作频率---

fmax

当时，晶体管将不能振荡。

一般取实际工作频率为

§3.3单调谐回路谐振放大器

3.3.1单级调谐放大器

一、电压增益

1、常用基本共射电路图3.3.1(a)

y参数等效电路

y参数等效电路

(参照图3.2.3得下图)本图结合3.2.10式的推导2、考虑输出回路的实际电路图3.3.1(b)即有∴基本电路的电压增益为即3.3.1式则有

Y’L为1、2端看负载回路侧的等效导纳，而Y’则为LC回路a、b端看的总等效导纳。

而此时电压增益应为为集电极电压如图3.3.2图中:图3.3.2由图可见

又由图3.3.2可见

谐振时（通常工作在谐振状态）

则当与负载匹配时,条件为

即有

可得最大电压增益为

若忽略二、功率增益图4.3.3

谐振时因此

若使用相同晶体管，

则有可得最大功率增益为通频带与选择性

前面(一）可知f10.7可得通频带为令上式

谐振特性曲线3.3.4级间耦合网络

图3.3.4

§3.4多级单调谐回路谐振放大器

电压增益

多级相同时

谐振特性曲线为f10.7此时通频带宽应满足

解得

或

即级数增多，频带变窄。缩减因子<1§3.5双调谐回路谐振放大器

单级CoeCie常设

则有

1.电压增益

由(2.4.17)式及得f式中

电压增益为

因谐振时

则有

------耦合系数------广义失谐当有

2.通频带

由式(1)(3)可得通频带为

当时,常用(临界耦合),临界耦合弱界耦合强耦合令即

得

而单调谐时通频带为

可见双调谐时通频带加宽到倍矩形系数

当时,代入(4)式有

解得

矩形系数为

§3.6谐振放大器的稳定性与稳定措施

3.6.1稳定性分析

1.不稳定的原因

实用上,因晶体管内部存在,

使输出电压产生反馈——可能自激。前面知等效电路反馈导纳----（即3.2.6式)得输入导纳为（3.6.1式)当输入电路接有谐振回路时,如图

其中:

输入谐振回路均为频率的函数,图3.6.2引起失谐影响QL图3.6.3

gF在某些频率上可能为负值，呈负电导，

使gs+gi

被抵消。

自激。有反馈无反馈图3.6.3图3.6.22.不产生自激的条件

能量损耗被抵消,电纳部分也抵消，

即放大器产生自激，此时应有输入谐振回路总导纳为当时，可得当yre

愈大，上式愈接近于1，放大器愈不稳定。

以复数表示（如图）——自激条件

式中：或表示为

同理，得输出回路关系式为

设：输入、输出回路相同，即

（1）、(2)代入自激条件式得

即要求分别满足——相位条件于是有表明只有当yre

足够大时，等式左边才减小到1而满足自激振幅条件。

通常取（稳定条件）远离1为稳定工作范围。稳定系数3.6.2单向化

晶体管——双向元件

单向化——消除yre的作用（变为单向）

1.失配法

采用共射—共基级联电路图3.6.4

Yre反馈中和法（不适于现代生产的发展，少用。）方法失配法输入阻抗低输出阻抗高相当于共射级的负载导纳很大，即

(2)很大时，共射的负载阻抗很低，电压增益很小，但电流增益仍大，后面共基电路有较大电压增益补偿，则级联后功率增益较大。根据，则yre的反馈作用被抵消YF分析

共射—共基级联电路的等效为复合管。

等效y

参数为一般工作频率范围内

等效反向传输导纳变小了许多§3.7谐振放大器的常用电路和集成电路

谐振放大器

3.7.1谐振放大器的常用电路举例

图3.7.13.7.23.7.3

3.7.2集成电路谐振放大器

图3.7.7(图像中放电路）§3.9放大器中的噪声

一.概述

自然干扰（天电、宇宙、大地干扰）

人为干扰（工业、无线电台干扰）干扰（外部）噪声（内部）自然噪声（热噪声、散粒噪声）

人为噪声（交流声、感应噪声、接触噪声）本节主要讨论自然噪声二.内部噪声的特点和来源

内部噪声——随机过程，带电粒子

无规则运动，遵循统计规律。起伏噪声图3.9.1tv三.非周期噪声电压的频谱

起伏噪声——带电粒子无规则热运动，由无

数持续时间极短的脉冲叠加。

设非周期脉冲函数为则富氏积分表示为对于宽度为τ的单位窄脉冲，有

其第一个零值点在处。当τ

很小（τ→0),零值点→∞远。而且，对于无线电频率范围，τ

远小于信号周期T即则有频谱幅值基本不变第四章非线性电路、时变参量电路和变频器

§4.1概述

严格讲，所有元件均为非线性。但一定条件下非线性可略——线性元件。

如：电阻、电容、空心电感、小信号工作的晶体管等。

非线性电路——含非线性元件组成的电路，如功率放大器、振荡、变频、调制、解调电路等。无线电工程技术中

§4.2非线性元件的特性

4.2.1.非线性元件的工作特性

如：

二极管的伏安特性

隧道二极管的伏安特性非线性求解法图解法解析法（借助非线性元件的特性）图4.2.3图4.2.2AB段为负阻区4.2.2非线性元件的频率变换作用设二极管的特性近似为当输入两个信号电压为所得电流为可见，非线性变换产生新的频率。

4.2.3.非线性电路不满足叠加原理。直流和频差频谐波谐波§4.3非线性电路分析法

4.3.1.幂级数分析法

设非线性元件特性函数为则展为幂级数有通常取前三项近似为抛物线取前两项近似为直线若在工作点V0

附近各阶导数存在，则在V0

附近展开为幂级数有例：幂级数展开为三次多项式近似输入电压为

代入上式并三角变换得4.3.11式。

从上式见得到各种新的频率分量。

4.3.2.折线分析法

用于大信号时转移特性用折线近似

集电极电流脉冲波输入信号集电极电流脉冲表达式当

傅氏级数展开，得各频率分量为有(1)、（2）式相比，得谐波分解系数各频率分量振幅

§4.4线性时变参量电路分析法

时变参量元件——其参数随时间变化。

（如：晶体管在大信号作用下，Q点随时间变化，跨导gm随时间变化）

4.4.1时变跨导电路分析

已知晶体管

大幅值信号即

若gm为周期函数，则上式为两三角函数的

乘积项——必有和频、差频。

设当时，在两个输入信号作用下，静态工作点可变工作点对（1）式泰勒展开（vB点上），得因vs很小，取两项近似，有以（2）式代入上式得，乘积项将产生差频、和频4.4.4式4.4.2模拟乘法器电路分析

差分对模拟乘法器——便于集成，工作稳定。

T1、T2对称，有则或同理有令则有以作曲线——归一化因子

v1很小时（v1<26mV，常温T=300K,Z<1)，特性才是线性的。对ic1、ic2

取偏导，当Z很小时，由于电路对称,Rc1=Rc2=Rc,则有T3管的跨导当Re足够大时，两输入信号的乘积项4.4.4开关函数分析法

非线性元件受大信号控制——开关状态设(大信号）§4.5变频器的工作原理

接收机中常把某一频率变换为另一频率。图5.5.1变频波形混频外来接收本振中频输出变频前后的频谱变频器的主要质量指标

1）变频增益电压增益功率增益2)失真和干扰3）选择性——4）噪声系数主要有产生组合频率交叉调制互相调制等频率失真非线性失真中频输出电压振幅中频输入电压振幅§5.6晶体管混频器较大幅值本振信号图5.6.1基极注入射极注入1、本信号注入方式2、分析方法图5.6.2近似定量分析为的周期函数（前所述设偏置在处泰勒展开，得动点，瞬间视为不变vBE=VB+v0时的跨导小信号可略vBE=VB+v0时的电流大信号v0作用下前面5.4.4式知其中差频项振幅为可见，中频电流振幅与vs的振幅成正比。-------中频电流跨导的基波分量跨导函数g(t)-----随v0作周期变化当输入信号vs为调幅波时，振幅为则中频电流为中频电流也是调幅波定义----------变频跨度跨导函数g(t)工程上，图解求g1

图5.6.3v0作用下(线性范围内）图解得而Q点上显然，当时，变频跨度实验证明-------5.6.8式实际电路收音机自激式变频器电路§5.7二极管混频器

晶体管混频器的

优点——变频增益较高

缺点——动态范围小、组合频率干扰

严重、噪声大、本振辐射等

二极管混频器的优缺点与以上相反。5.7.1二极管混频器大信号作用——二极管为开关状态§5.8差分对模拟乘法器混频器第六章高频功率放大器功率放大器分类——按工作点（导通角）甲类电流流通角360°

(低频）乙类--------------180°

(低频）丙类-------------<180°(高频常用，效率高）丁类戊类-------------更小(高频开关状态）§6.2谐振功率放大器的工作原理6.2.1获得最高效率所需的条件高频功率放大器的主要技术指标：输出功率、效率图6.2.1由能量守恒定律有效率为可见，提高效率主要在减小PC

,当PC不超过规定时，提高效率，将使PO大大增加，即图6.2.2

iC

为脉冲电流，失真很大，但谐振回路电流仍为正弦波（基波电流）。

iC的最大值出现在vc

的最小值处。6.2.2功率关系图6.2.1回路谐振于基频，呈纯电阻RP。§6.3晶体管谐振功率放大器的折线近似

分析法6.3.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式输出特性折线化近似图6.3.1理想实际图6.3.2斜率为常数转移特性近似为一条直线跨导（几十~几百ms)该直线称为理想化静态特性适用于时6.3.2集电极余弦脉冲电流的分解丙类工作状态，ic为尖顶余弦脉冲。1、尖顶余弦脉冲的解析式理想实际转移特性斜率gc2、尖顶余弦脉冲的傅氏分解

尖顶余弦脉冲分解系数3、分解系数曲线图6.3.4

6.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性1、动态特性

vB、vC同时变化时，iC

~vC的动态关系曲线（负载线或工作路），一般不是直线。2、动态特性直线的作法3、RP不同时动态特性及波形

临界线RP增加静态特性图6.3.6（1）RP较小时，动态曲线1较陡，VCm较小，（动态特性与静态特性交点为A1）——欠压状态，iC为尖顶余弦脉冲。

（2）RP增大时，动态特性线2，斜率值减小，交点为A2，VCm

增大，——临界状态，iC仍为尖顶余弦脉冲。

（3）RP继续增大时，动态特性线3，交点为A3

，VCm

更大，但iC为下凹状态，——过压状态。

4、负载特性图6.3.7

6.3.4各极电压对工作特性的影响欠压状态过压状态图6.3.8(a)欠压状态过压状态图6.3.8(b)§6.4晶体管功率放大器的高频特性（b）高频特性脉冲（a）低频特性脉冲图6.4.1图6.4.2§6.5高频功率放大器的电路组成电源的提供方式：串联馈电、并联馈电对直流等效6.5.1馈电线路---------电源的提供对基频电流等效对高次电流等效基本原则：符合下面等效电路的要求1、集电极电路的馈电图6.5.22、基极电路的馈电图6.5.33、自生基极偏压的方法图6.5.46.5.2输出、输入与级间耦合回路§6.8宽带高频功率放大器§6.10晶体管倍频器主振放大或倍频放大或倍频2~4MHz2~4MHz2~8MHz4~8MHz8~16MHz图6.10.1一、倍频的概念倍频----输出频率是输入频率的整数倍。优点：

1）主振频率可降低，有利于频率稳定；

2）有利于采用石英主振；

3）中间级可工作于放大或倍频，由此扩展发射机波段；

4）输出与输入频率不同，减小寄生耦合提高稳定性；石英片不能太高频率不扩展主振频率的情况下图6.10.15）对于调频（调相）发射机，可用倍频加大频移（相移）-----调制度；

6）超高频段难以获得足够功率，采用参量倍频将低频大功率变为高频大功率。

二、倍频器主要形式丙类倍频参量倍频（两类）第8章三、工作分析

设电路工作于二次谐波倍频（丙类放大器）图6.2.1回路谐振于二次谐波各极电压与电流关系图6.10.2瞬时集、基电压回路谐振于二次谐波第七章正弦波振荡器按工作原理分反馈式振荡器负阻式振荡器工作状态：通常为丙类状态，是非线性的（分析很困难）。实际上近似用甲类线性工作来分析。§7.3LC振荡器基本工作原理构成电路振荡的条件：1.一套振荡回路（LC回路）；

2.一个能量补充的来源（电源VCC）；

3.一个控制设备（有源器件）。例：调集型振荡电路为例图7.3.1振荡电路的组成（三个环节）：（1）放大环节（2）反馈环节（3）选频环节§7.9负阻振荡器1.负阻特性负电阻正电阻当电压减小时，电流增大曲线斜率得到数为负值，即——呈负电阻性（对交流）此时R的电位升方向与电流同向，相当于发电机作用，向外输出功率。从直流电源转换而得具有负阻的器件电压控制型电流控制型电子四极管隧道二极管双基极二极管晶体管雪崩击穿时AB段为负阻特性电流控制型电压控制型负阻振荡器

(1)原理设-rn

为负阻器件的等效电阻，有电路类型

串联性

隧道二极管负阻振荡器图7.9.5起振条件并联型图7.9.4§7.11集成电路振荡器

互感耦合差分对振荡器

图7.11.17.11.27.11.3

第八章参量现象与时变电抗电路§8.1概述利用非线性电阻特性的电路变频电路功放电路振荡电路等利用非线性电抗特性也可实现以上电路非线性电抗器件可分两类1有磁芯的非线性电感2非线性电容（变容二极管体积小、结构简单）前面介绍的§8.2参量放大器8.2.1变容二极管的非线性电抗特性变容二极管的结电容Cj

与所加反向电压vR

的关系8.2.2参量放大的物理过程C拉开C靠近电容器储能图8.2.28.2.3非线性电抗中的能量关系遵循门雷——罗威关系式将频率为fs

的信号和频率为fP

的泵源信号电压同时加到无损耗单值非线性电容上，除有Fs、

fP及它们的各次谐波外，还会产生新的组合频率证明略信频功率泵频功率取m=1；n=0，n=-1取n=1;m=0，m=-1前面证明知，能量转换时要有三组频率，即：fs、fP

与和频或差频所以，参量放大器除有fs、fP

两回路外，还应有一个fi谐振（空闲）回路。令并在门——罗公式中分别取m=1；n=0，n=-1及n=1；m=0,m=-1则有参量放大器实际电路图8.2.48.3.1参量混频原理§8.3参量混频器输入输出泵源8.3.2参量混频电路图8.3.2第九章振幅调制与解调

§9.1概述

调制——将信息携带与高频载波上调制方式调幅——振幅调制调频调相脉冲调制——角度调制解调——调制的逆过程检波——对应于调幅鉴频——对应于调频鉴相——对应于调相调幅波§9.2调幅波的性质图9.2.29.2.1调幅波的表达式与频谱1.调幅波的表达式2.调幅波的频谱——上边频——下边频边频幅值9.2.2调幅波中的功率关系将调幅波作用在电阻为R的负载上，则有载频功率为下边频功率为同理，上边频功率为因此，调幅波的总功率（输出功率）为未调幅时,100%调幅时,即可见，载波功率占总功率的（但不带信息）。§9.3平方律调幅9.3.1工作原理+非线性器件带通滤波器设：输入电压为非线器件特性为以vi

代入上式得——————直流——————载波——————调制信号基波——上、下边频经滤波选取上式第4项得并可知，调幅度为调幅作用产生于项——平方律调幅

9.3.2平衡调幅器二极管平衡调幅器（两个平方律调幅组成）§9.4斩波调幅不含载波项——抑制了载波§9.5模拟乘法器调幅前面第五章（5.4.2）讨论过，简单模拟乘法器的输出电压为缺点：（1）当

v2小时，误差大

（2）vo与温度有关

（3）只能工作在两象限

v2>0实用上双差分模拟乘法器图9.5.1模拟乘法器调幅为幅平衡调幅（抑制载波调幅）§9.6单边带信号的产生§9.7残留边带调幅§9.8高电平调幅§9.9包络检波9.9.1包络检波器的工作原理充放9.9.2包络检波器的质量指标1）电压传输系数（检波效率）输出电压振幅输入包络振幅2）等效输入电阻输入高频基波电流振幅3）失真

（1）惰性失真（对角线失真）原因：RC太大，通常要求：图9.9.2（2）负峰切割失真（底部切割）图9.9.3充放图9.9.4原因：耦合电容Cc的存在而且较大时,由于Cc的电压Vc在R上有分压VR，可能出现调幅波包络负半周低于VR的情况而导致D截止。(3)非线性失真（4）频率失真由二极管非线性引起，又滤波电容、耦合电容引起§9.10同步检波1.应用乘法器的同步检波相乘低通滤波包络检波器2.应用包络检波器的同步检波两种方法：讨论乘法器工作第十章角度调制与解调角度调制调频调相载波的频率或相位随调制信号改变§10.1概述§10.2调角波的性质10.2调频波和调相波的数学表示式设：调制信号为载波信号为调频时，不变，但随调制信号线性变化变化也适用即有频移频偏（最大频移）调频波的数学表示式调相波的数学表示式——调频指数——调相指数10.2.3调频波和调相波的频谱与带宽调频波和调相波相似，以讨论调频波带宽为例。对调频波展开得1.将及展为傅氏级数，并用第一类贝塞尔函数表示10.2.22式、10.2.23式2.用贝塞尔函数曲线表示——图10.2.4

mf值不同，则Jn(mf)不同，即每个频率分量振幅不同。对于调频：mf可大于1，可小于1。（与调幅不同）3.频带宽度——与mf值有关一定，改变(a)有效带宽改变有效带宽有效带宽(b)mf一定,§10.3调频方法概述调频方法可分两类：1.直接调频2.间接调频调制信号直接控制载波瞬时频率先将调制信号积分，再对载波调相，从而得到调频10.3.1直接调频原理调制信号直接改变影响振荡频率的元件或电路的参数，使瞬时频率随调制信号线性变化——直接调频。多谐振荡器调频脉冲频率与基极偏置电压有关10.3.2间接调频原理由调频波表达式相角改变量——相移