《高频电子电路》课件-第1

第1章绪论利用高频无线电波来传递信息的无线电技术已广泛应用于无线电通信、广播、电视、雷达、导航等主要设备和系统中，其中的发射、接收、检测高频信号的基本功能电路大都相同。本课程主要讨论的就是这类处理高频信号的高频电子电路。信号的时间特性一个电信号(电压或电流),通常将它表示为时间的函数,称为信号的时域表达，用随时间变化的波形或数学表达式来描述。例如图示信号的表达式为

电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。

1.1无线电波频段的划分与应用

信号的时间特性要求传输该信号的电路的时间特性（如时间常数）与之相适应。图1信号的波形

对于周期性信号,可以表示为许多离散的频率分量（各分量间成谐频关系）。信号的频谱特性

对于较复杂的信号（如话音信号、图像信号等）,用频谱分析法表示较为方便。例如，图1所示信号可以用傅里叶变换的方法分解为无穷多个频率的正弦波的和。频谱特性包含幅频特性Um~f和相频特性

~f两部分,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。任何信号都会占据一定的带宽。从频谱特性上看,带宽就是信号能量主要部分(一般为90%以上)所占据的频率范围或频带宽度。

图2频谱图电信号以电磁波形式在自由空间中传播，传播速度为光速c，电磁波的波长

与频率f存在以下关系：电磁波的频谱很宽

无线电波只是一种波长比较长(即频率相对较低)的电磁波,占据的频率范围是30kHz—300GHz。例（1）GSM数字蜂窝系统（单频、双频手机）（2）我国无线电广播系统无线电波的频段、传输媒介和用途不同频段电磁波的传播方式和能力不同，应用范围也不同。“高频”，广义上讲就是适于无线电波发射和传播的电磁波频率，其频率范围非常宽，通常又称“射频”。只要电路尺寸比工作波长小得多，仍可用集总参数来分析和实现，都可认为属于高频范围。高频电子电路所涉及的正是高频信号传输和处理方面的基本电路（但不涉及用于处理一千兆赫兹以上信号的微波电路）1.2高频电子电路的研究内容如：音频频率范围20Hz-20kHz

语音分布在300Hz-3000Hz；信号波长计算公式

=c/f

，其中：c=3×108（米∕秒）∴语音信号波长范围是

=（100~1000）km信号在空间直接发送存在的问题②信号选择：如果直接发射，各种基带信号频率范围大致相同，会造成各信号之间的相互干扰，使接收机无法区分。①天线尺寸：天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时（波长λ的1/10~1），信号才能被天线有效的辐射出去。声音是如何传到远方的？

人耳能听到的声音（f=20-20KHz），声波在空气中传播的速度340米∕秒，且衰减很快。

把声音传到远方采用的方法是：

将声音变为电信号，将反映声音变化规律的电信号借助非线性电子器件进行变换和处理，由发射机将该信号变为足够强的高频电磁波，由信道（例：天线）传输。该过程称为发送。

在远方由接收机从信道接收后，经过与发射端相反的变换过程及放大后，再经电→声，变换为原声音。该过程称为接收。调制解调把音频信号（调制信号、携有信息的信号）“装载”（调制）到高频振荡（载波）之中，然后由天线向外辐射出去，这种方法叫调制。待发送的货物运载工具调制的作用调制：用需传送的基带信号去控制高频载波振荡信号的参量，使其随基带信号的变换而线性变换。载波信号基带信号已调信号调制传送信息的特点：

载波信号相当于运载工具频率很高；无线发射时，天线尺寸可以很小；不同电台，可以选择不同的载波频率，因而接收时容易区分，从而实现多路传输，互不干扰（信道复用）。调制的波形

所谓调制,就是用调制信号去控制高频载波的参数,使载波信号的某一个或几个参数（振幅、频率或相位）按照调制信号的规律变化。

根据载波受调制参数的不同,调制分为三种基本方式：1).振幅调制（调幅）2).频率调制（调频）3).相位调制（调相）分别用AM、FM、PM表示，还可以有组合调制方式。

发送设备的组成2）发送设备主要有两大任务:一是调制

,二是放大。1）无线电传输信息的基本要求①希望传输距离远；②能够实现多路传输，各路信号传输时应互不干扰。低频电子电路高频电子电路传输的信号为什么要进行调制？传输信号波长与天线匹配的要求

在无线电通信中，由天线理论可知，要将电信号有效地发射出去，天线的尺寸必须和信号的波长为同一数量级。计算：发送f=1000Hz的音频信号，需要的天线长度。

λ=c/f=300000000/1000=300000=300(公里)采用调制后，不同的发射台可以采用不同频率的高频振荡信号发送，有利于其在频谱上的分离,可以实现多路复用，提高频带的利用率。更高的频段，可用的频带更宽，可以传输更多的信息或容纳更多的用户，频带利用率也更高—频带复用。超外差式接收

由于有固定频率的中频放大器，它不仅可以实现较高的放大倍数，而且选择性也很容易得到满足。高频电子电路低频电子电路无线通信系统的基本组成

信源天线信道发送设备接收设备信宿具有各种不同的形式，可以是音乐、语言、文字、图像等。将基带信号变换为适合信道传输的高频电信号，变换后的信号称为已调信号。将信息源输入的信息转换成相应的电信号，该信号称为基带信号本课程的研究对象电路功能：是指基本电路所完成的信号传输和信号变换处理的具体工作任务。表达方式有输入信号和输出信号的数学表示法、波形表示法及频谱表示法。

本课程的研究对象是各种高频电子电路的基本组成、典型电路、工作原理、工程近似分析方法与主要技术指标的估算。高频电子电路：高频小信号谐振放大器、高频功率放大器、混频器、正弦波振荡器、中频放大器、倍频器、调制器和解调器等。高频电子电路的特点①工作频率在几百千赫至几百兆赫的高频段；②电路用分立无源元件、有源器件组成，且它们的高频效应不可忽略；③大多属于非线性电路；④输入信号的大小及器件的工作状态决定了各个非线性器件的模型，电路功能的分析是采用工程近似分析方法；⑤可以用不同的器件和不同的电路形式构成，其功能和输入、输出频谱的关系不会因不同器件或不同的电路形式而改变，也就是说，实现同一功能电路的基本原理是不变的。1.电阻器的高频模型

一个实际电阻器的高频等效电路如图所示,其中,CR为分布电容，LR为引线电感，R为电阻。

在频率f=0.3MHz~300MHz范围内，

在本课程所讨论的频率范围内，电阻的电容及电感效应可略，理解为理想电阻。

1.3.1无源元件的高频模型1.3高频电子电路分析基础2.电感器的高频模型电感线圈工作在高频时，其等效电路如图。特点1：在高频（即频率f=0.3MHz~300MHz）情况下，损耗不可略，用品质因数Q描述。特点2：电感线圈存在自身谐振频率即工作上限频率；当工作频率大于其自身谐振频率时呈现电容效应。特点3：在本课程所讨论的频率范围内，电容效应可略，等效电路如图。其中,L为理想无损电感，产生的感抗为jωL；理想电阻rL代表电感线圈的交流损耗；理想电容CL

体现电感线圈的分布电容效应。高频条件下（0.3MHz~300MHz），实际电感线圈的模型：实际电感线圈的空载品质因数Q0通常在几十至三百左右。电感线圈可以用一个理想电感L和一个理想电阻r的串联来模拟，如图所示。由于集肤效应的影响，损耗电阻r的值随工作频率的增高而增大。3.电容器的高频模型

由介质隔开的两导体即构成电容器。一个实际电容器的等效电路如图所示。

C为理想电容，rC代表电容器的极间介质损耗，LC代表电容器的极间分布电感效应和引线电感效应。特点2：

一个实际的电容器的损耗主要决定于介质材料。目前，电容器的容值可达几千到几万的数量级，与电感元件相比，其损耗可略，因而在高频段（即频率f=0.3MHz~300MHz）可认为是无损且无电感效应的理想电容元件，但在微波波段不可。特点1：

存在自身谐振频率即工作上限频率；当工作频率大于其自身谐振频率时呈现电感效应。高频、高Q条件下的模型器件模型电感线圈电阻器电容器1.3.2有源器件的高频模型

通常将具有电流控制能力的器件称为有源器件。用于高频电子电路的有源器件仍然是半导体二极管、三极管、场效应管和半导体集成电路等，只是由于工作在高频范围，它们的极间电容等的频率效应不可忽略，因而呈现非线性特性。

在电路分析时，需结合工作频率、输入交流信号的幅度等工作条件对有源器件的非线性特性进行工程近似处理，建立相对应的有源器件等效模型。不同的功能电路中，有源器件的工作环境不同，因而有源器件的等效模型不同。故，有源器件的等效模型将在后续各个功能电路中具体讨论。1.3.3串、并联阻抗的等效互换对比，得或【例1.1】在f0=10MHz时测得某电感线圈的参数为L=3μH和Q0=80。试求：1）电感线圈的串联等效损耗电阻r0；2）电感线圈的并联等效损耗电导g0=?解：1）2）1.3.4LC选频回路1.LC并联回路最简单的LC并联回路将电感损耗用R0模拟将电阻用Rp等效1）LC并联回路的导纳有载品质因数阻抗整理导纳谐振电阻电纳电导并联谐振回路的阻抗特性

>

0时，回路呈容性；

<

0时，回路呈感性；阻抗角的频率特性是单调减的。当工作频率

=

0时，LC并联谐振结构呈现阻性，阻抗达最大值且Z=Rp。2）LC并联回路的谐振特性

3）LC并联回路的选频特性归一化电压的幅值随工作频率变化的关系曲线称为谐振曲线注：对并联谐振回路而言，激励是电流源，响应是端电压。谐振曲线回路具有选频能力：对激励中接近于f0的频率成分衰减很少，而阻止激励中远离f0的频率成分通过。理想谐振曲线应为矩形。选频特性①QL值越大，谐振曲线越尖锐，选频特性愈好；③矩形系数（用K0.1表示）：表达实际谐振曲线接近矩形的程度。②3dB通频带宽度（用2

f0.7或BW0.7表示）：当谐振曲线由最大值1下降到时，两边界频率与之间的频带宽度称为回路的。

由于电路无负载，则谐振电阻即为线圈的等效损耗并联电阻，且品质因数【例1.2】在图示的LC并联选频回路中，线圈的电感L=586

H、等效损耗串联电阻r=12

，电容C=200pF。求回路的品质因数Q、谐振电阻Rp和通频带2

f0.7。解：

电路等效如图。回路的通频带谐振电阻【例1.3】在图示电路中，线圈的电感L=586

H、等效损耗串联电阻r=12

，电容C=200pF，负载电阻为RL=200k

，信号源内阻为Rs=200k

。问电路系统的品质因数多大？通频带为多宽？解：

电路的品质因数线圈等效损耗并联电阻电路等效如图。电路的总电导电路的通频带宽度【例1.4】一LC并联谐振回路，谐振频率为10MHz，回路电容为50pF，试计算所需电感线圈的电感值。若电感线圈的品质因数为100，试计算回路的谐振电阻和带宽。若要求增加回路的带宽为0.5MHz，则应在回路中并联多大的电阻才能满足所需带宽的要求？解：

1）由于2）解得回路的带宽回路的谐振电阻【例1.4】一LC并联谐振回路，谐振频率为10MHz，回路电容为50pF，试计算所需电感线圈的电感值。若电感线圈的品质因数为100，试计算回路的谐振电阻和带宽。若要求增加回路的带宽为0.5MHz，则应在回路中并联多大的电阻才能满足所需带宽的要求？3）满足0.5MHz带宽时应并联电阻R，此时，品质因数满足解得此时，回路的总电阻为解得即2.LC串联回路1）电路结构2）高频等效电路3）电路阻抗4）串联谐振即：固有频率电抗电阻谐振阻抗回路有载品质因数5）串联谐振回路的阻抗特性结论1：谐振时，LC串联回路的阻抗模达到最小，为r，呈阻性。r=rL+r0，r0为电感线圈的损耗电阻，rL为外接负载。阻抗幅值的频率特性结论2：当工作频率时，LC串联结构相当于感性阻抗；当工作频率时，LC串联结构相当于容性阻抗；

阻抗角的频率特性是单调增的；阻抗幅角的频率特性

其中：

6）串联谐振回路的选频特性频率时，串联谐振回路的归一化电流为显然，在电路元件参数确定时(即QL确定)，对不同的工作频率，I/I0的值不同，称I/I0~

为LC串联谐振回路的谐振曲线.

LC串联谐振回路的谐振曲线：结论1：当谐振(

=

0)时电流I达最大；结论2：QL值越大，回路的选择性越好。结论3：3dB通频带B【例1.5】现有一电感线圈，其电感L=200μH、品质因数。将它与一可变电容器C串联后，接于幅度为Usm=10mV，频率为f0=794kHz的交流信号源上。调节可变电容器C的值，使回路工作于谐振状态，试求此时：（1）电容器的容值C0及谐振电阻rs。（2）回路电流的幅值I0。（3）电容器两端电压的幅值Ucm。解：根据题意画出其电路如图所示。当电容器容值为C0时，回路谐振，满足且【例1.6】有一双电感复杂并联回路如图所示。已知L1+L2=500

H，C=500pF，为了使电源中的二次谐波能被回路滤除，应如何分配L1和L2？分析：

欲负载获得的电压的

频率成分是0这时，L2与C的串联结构的固有谐振频率应为设i1(t)的频率是

0,i2(t)的频率是20用L2与C的串联结构将频率成分20短路

对频率成分

0而言，L2与C的串联结构一定呈现容性，若L1与容性的L2C串联结构发生并联谐振，负载将获得的较大的电压（频率成分是0）解：

L1=375

H

L2=125H又L1+L2=500

H即和【例1.6】有一双电感复杂并联回路如图所示。已知L1+L2=500

H，C=500pF，为了使电源中的二次谐波能被回路滤除，应如何分配L1和L2？1.3.5阻抗变换1.负载的部分接入R’L能量守恒→定义接入系数：解得：等效为：X2、X3同性电抗（同为电感或同为电容）与X2、X3异性电抗。1）变压器耦合连接的变比关系2）自耦变压器耦合连接的变比关系3）双电容分压耦合联结的变比关系C【例1.7】如图所示。试计算回路谐振频率fo和3dB通频带2Δf0.7。已知：L=0.8μH，Q0=100，C1=25pF，C2=5pF，Ci=5pF，Ri=10k

，RL=5k。

答：原电路等效为总结：负载部分接入LC回路时的阻抗变换关系如下：

为了以后分析电路时运用方便，可将上述变化关系推广