通信电子线路 课件 第1章 绪论

第1章绪论1.1电子线路分类1.2非线性电子线路在通信中的应用1.3无线电波的传播1.4本课程的特点与学习要求

1.1

电子线路分类

电子线路是指含有晶体三极管、场效应管等有源电子器件并能实现某种特定电功能的电路。例如,振荡器、放大器、滤波器等各种信号的产生、放大、变换和处理电路。

1.按照工作频率分类

按照工作频率分类,电子线路可分为低频电子线路、高频电子线路和微波电子线路。

高频工作频率的范围一般为300kHz~300MHz,如广播、电视、短波通信设备等无线电设备均属于高频电子线路。微波工作频率一般高于300MHz,如移动通信设备、卫星通信设备、微波中继通信设备、雷达、导航设备等均属于微波电子线路。

由于工作频率不同,对有源器件的性能要求、电子线路的工艺结构都不尽相同。随着工作频率升高,对器件的上限频率要求也提高,晶体管极间电容、电极的引线电感、载流子扩散漂移时间等因素的影响都会逐渐明显起来,以至于变成必须考虑的主要因素。

电路的制造工艺由印刷电路板结构转变成微型集成电路结构,电路各级间的隔离、屏蔽和电源的馈给等都随之发生变化。

2.按照流通的信号形式分类

按照流通的信号形式分类,电子线路可分成模拟电子线路和数字电子线路。凡是完成模拟信号的产生、放大、变换、处理和传输的电子线路统称为模拟电子线路。模拟信号比较

直观形象,但是电路的抗干扰能力差且不便于用计算机处理。凡是完成数字信号的产生、放大、变换、处理和传输的电子线路统称为数字电子线路。数字信号可以再生,其抗干扰能力强,并且便于用计算机处理。在电子信息各个领域中,要根据不同的用途和要求选取不同的电路。

3.按照线性和非线性分类

按照线性和非线性分类,电子线路可分为线性电子线路和非线性电子线路。线性电子线路由线性元件组成,具有叠加性和均匀性,适用叠加定理。非线性电子线路含有非线性

元件。非线性电子线路具有以下几个特点:

(3)非线性器件的响应取决于工作点位置与输入信号大小。图1-1所示是晶体三极管非线性转移特性。在图1-1(a)中,静态工作点Q位于放大区,当输入信号很小时,动态范围位于线性段,可以近似为线性工作,输出信号不失真,即所谓的甲类工作状态;当输入信号为大信号时,输入信号有部分进入截止区,即进入非线性区,为非线性工作,输出信号失真,即所谓的甲乙类工作状态。在图1-1(b)中,静态工作点Q位于截止区,无论输入信号有多大,都将进入非线性区,输出信号失真,即所谓的乙类工作状态。

图1-1

晶体三极管非线性转移特性

(4)采用工程近似分析方法。非线性电路的数学描述是非线性方程,在求解非线性方程时颇为复杂和困难。在工程上一般采用近似分析方法,根据实际情况对器件的数学模型

和电路条件进行合理近似,以便使用简单的分析方法获得具有实用意义的结果。

1.2非线性电子线路在通信中的应用非线性电子线路广泛地应用于无线通信领域,因此又称之为通信电子线路。

1.2.1

无线通信的发展与应用无线通信是在逐渐发展的电路理论和电磁场理论的基础上得以实现的。1831年,英国的法拉第发现了电磁感应定律。1837年,英国的麦克斯韦提出了电磁场理论。1888年,德国的赫兹用实验证明了电磁波的存在。以上这一切,都为发明无线通信奠定了重要的基础。

无线通信技术的发展具有以下三个特征:

(1)无线通信所应用的振荡频率不断升高,从长波、中波发展到短波、超短波,直至微波,随之传送的信号频率范围不断加宽,从几百赫兹、几千赫兹到几千兆赫兹。

2)无线通信技术所采用的电子元件和器件不断更新,由电子管到晶体管,又发展到集成电路。电阻器、电容器、电感线圈以及各种接插件、开关、导线等各种新型元器件不断

出现。

(3)近代无线通信承担的任务远远超出了通信范围,它与各学科的发展紧密地联系在一起,成为各门学科发展的重要工具。

下面列出无线通信技术的一些主要应用场合:

(1)无线电报——利用无线电波传递电报信号。

(2)无线电话——利用无线电波传送语音信号。

(3)无线电广播——利用无线电波给千家万户送去语音、音乐和各种信息。

(4)无线电传真——将照片、文字(文件)等随着无线电波的传播从一个地方传送到另一个地方。

(5)无线电广播电视——随着无线电波的传播给千家万户送去活动影像和信息。电视技术还在工业、医疗、教育、国防、公安等部门得到广泛应用。

(6)无线电定位——利用无线电波的反射来测定天空中、水面上或陆地上各种目标的位置和运动情况,军事上应用极广,如航空雷达。

(7)无线电导航——利用无线电定位设备和其他电子设备,引导飞机在复杂气象条件下飞行和着陆,或帮助舰船在大雾中航行和靠岸。

(8)无线电超声波技术——利用超声波(可以在水中传播)测海深、探鱼群和暗礁的位置,测绘海深地图。超声波可作为水中通信工具或操纵水中武器,在这方面已发展成为一

门与国防有关的科学——水声学。

(9)无线电天文学——无线电技术和天文学结合而形成的学科。它通过分析天体所发射的电磁波来研究宇宙,用天文无线电望远镜来观测天体。

(10)无线电气象学——用无线电技术研究地球表面大气中的复杂气象过程,可准确预报台风、暖流、寒流、雨、雪等气象情况。

(11)无线电遥测、遥控技术——利用无线电技术远距离测量各种物理量,控制各种机件的动作,可以使生产过程自动化。

(12)办公室自动化、家用电器自动化——利用无线电技术控制办公室设备和家用电器。

(13)电子计算机系统是近代无线电技术发展的一大成就。

上述各种无线通信技术的应用,都伴随着各种性质的消息的传送。而无线通信技术在工业上的其他许多应用,却并不传送什么消息,如高频加热、高频焊接、微波炉等。

1.2.2非线性电子线路应用举例:无线电广播系统

1.无线电广播发送设备的工作原理

一个典型的无线电广播发送设备(或无线电广播发射机)的组成框图及各点波形如图1-2所示。

图1-2无线电广播发送设备的组成框图

2.无线电广播接收设备的工作原理

1)最简单的接收机——直接检波式接收机

最简单的直接检波式接收机的组成框图及各点波形如图1-3所示。图1-3直接检波式接收机的组成框图及各点波形

2)高放式接收机

一般把带有高频放大器的接收机称为高放式接收机。另外,为了能推动功率大一点的扬声器放声,还需在检波器后面加音频放大器。高放式接收机的组成框图及各点波形如图1-4所示。图1-4高放式接收机的组成框图及各点波形

3)超外差式接收机

超外差式接收机的组成框图及各点波形如图1-5所示。图1-5超外差式接收机的组成框图及各点波形

由于中频频率固定不变,选台时中频放大器的调谐回路就不需要再调整,中频放大器的选择性、通频带质量可以得到保证;而且中频频率相对较低,中频放大电路增益可以做得较高,能提高整机增益和灵敏度。这些都是超外差式接收机的优点。

1.3无线电波的传播

1.3.1-无线电波波段的划分电磁波的范围很广,它包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、宇宙射线等等。无线电波是波长比较长的一种电磁波,它所占有的频率范围很广,约为10kHz~10000Ghz(104~1013Hz),波长范围为30000m~0.3mm。无线电波各波段的名称、波长与频率范围、相应的频段名称以及主要用途如表1-1所示。

1.3.2无线电波各波段的传播特点

1.无线电波的基本传递方式

无线电波和光波一样,具有直射、绕射、反射和折射等现象。按照由发射天线到接收天线的传播途径不同分类,无线电波传播包括表面波(地面波)、天波和空间波三种方式。

1)表面波

表面波主要依靠绕射方式传播,即电波沿着弯曲的地球表面行进到接收点,如图1-6所示。图1-6表面波传播方式

2)天波

天波是依靠电离层的反射和折射到达接收点的,如图

1-7所示。图1-7天波传播方式

3)空间波

空间波是在空间传播的,主要包括直射波和反射波,如图1-8所示。空间波一般适用于微波的传播。图1-8空间波传播方式

2.各波段传播特点

(1)长波波段用地面波方式传播有利,因损耗小,可远距离传输。

(2)中波波段的传播特点与长波相似,可用地面波方式和天波方式传播。

(3)短波波段的特点是地面的吸收比较严重,用地面波传播很不利,传播距离不超过几十千米。

短波传播还有两个突出的特点:

①短波天波传播受电离层的影响很大,而电离层的物理特性经常变化,所以短波传播很不稳定。通常在两点之间进行短波通信时,接收信号往往会突然减弱,有时甚至无法收到,这种现象称为衰弱,它是短波通信的一个严重问题,为了保持良好的通信质量,必须根据电离层的变化规律,经常更换工作频率。

②在离开短波发射电台一定距离的范围内,有一段信号无法到达的中间地带,这个区域称为寂静区,如图1-9所示。出现寂静区的原因是,地面波传播的传输距离不远,而天波传播的传输距离又较远,两者之间会出现一段天波和地面波都传播不到的中间地带。图1-9短波通信中的寂静区

(4)超短波和微波由于频率太高,地面损耗大增,绕射能力不强,不能用地面波方式传播。同时超短波和微波在电离层中反射得很小,大部分电波穿透电离层后一去不复返,故也不能用天波方式传播。所以超短波和微波通常是靠直线传播,即主要用空间波的传播方式,作用距离大致限制在几十千米的视距范围之内。

1.4本课程的特点与学习要求

1.本课程的内容——三大类电路(1)高频放大电路——在输入信号作用下,可将直流电源提供的能量转换为按输入信号规律变化的被放大的输出信号。例如,小信号谐振放大器、谐振功率放大器。

(2)高频振荡电路——在不