通信电子线路2-1

1、通信电子线路,基本要求 （1）充分了解高频电子线路基本元件及特性。 （2）掌握电阻(器)、电容(器)和电感(器)的物理特性、等效电路和基本计算方法。 （3）掌握选频网络的类型、特点和应用,通信电子线路,第二章 基 础 知 识,电子线路是由无源元件、有源器件和无源网络组成的。高频电子线路中无源元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器)；有源器件主要有半导体二极管、晶体管、场效应管与集成电路；无源网络是选频网络。 高频电子线路中使用的元器件与低频电路中使用的元器件频率特性是不同的。 掌握本章基本内容是学习高频电子线路的基础。,一、高频电子元器件,1、高频无源元件,高频电路中的元件主要是电阻(器）

2、、电容（器）和电感（器）, 它们都属于无源的线性元件。,1)电阻器,高频电子元器件 高频滤波器 电子噪声,第二章 基础知识,一个实际的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性，但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面，而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。,通信电子线路,第二章 基础知识,一个电阻R的高频等效电路：,分布电容和引线电感越小，电阻器越接近纯电阻特性，高频特性就越好。,金属膜电阻比碳膜电阻的高频特性好，碳膜电阻比线绕电阻的高频特性好，贴片电阻比引线电阻的高频特性好，,其中CR为分布电容，LR为引线电感，R为电阻。,通信电子线路,第二章 基础知识,2)电容器,一个实

3、际的电容器除表现电容特性外，也具有损耗电阻和分布电感。在分析一般超短波以下频段的谐振回路时，常常只考虑电容和损耗。,电容器的高频等效电路,第二章 基础知识,通信电子线路,容抗与频率的关系：,电容器的阻抗特性,第二章 绪 论,通信电子线路,为了说明电容器损耗的大小，引入电容器的品质因数Q，它等于等效电阻与容抗之比。,电容器损耗电阻的大小主要由介质材料决定。Q值可达几千到几万的数量级，Q值越高电容器越接近纯电容。,第二章 基础知识,通信电子线路,理想电感器L的感抗为jL。,实际电感线圈在高频频段除表现出电感L的特性外，还具有一定的损耗电阻和分布电容。在分析一般长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电

4、容的影响。因而，电感线圈的等效电路可以表示为电感L和电阻RL串联。,3)电感器,第二章 基础知识,通信电子线路,电阻RL随频率增高而增加，这主要是集肤效应 的影响。 集肤效应是指随着工作频率的增高，流过导线的交流电流向导线表面集中这一现象，当频率很高时，导线中心部位几乎完全没有电流流过，这相当于把导线的横截面积减小为导线的圆环面积，导电的有效面积较直流时大为减小，电阻增大。 工作频率越高，圆环的面积越小，导线电阻 就越大。,第二章 基础知识,通信电子线路,在无线电技术中通常不是直接用等效电 阻，而是引入线圈的品质因数Q这一参数来表 示线圈的损耗性能。 品质因数定义为无功功率与有功功率之 比:,

5、第二章 基础知识,通信电子线路,设流过电感线圈的电流为I，则电感L上的无功功率为I2L，而线圈的损耗功率，即电阻RL的消耗功率为I2RL，可得到电感的品质因数：,Q值越高电感越接近纯电感，损耗越小，一般情况下, 线圈的Q值通常在几十到一二百左右。,第二章 基础知识,通信电子线路,纯电感的高频特性：,第二章 基础知识,通信电子线路,4)传输线,通信电路中的传输线是指传输电信号的导线。,如：平行导线、双绞线、同轴电缆等。,在直流或低频使用时，其只呈现电阻特性。而在高频使用时，就会呈现电阻、电导、电感和电容特性。,u1,第二章 基础知识,通信电子线路,由于传输线的参数是均匀地沿其长度方向分布，因此也

6、称为分布参数电路 。,在一定的工作频率下，这四个参数在电路中，有的作用大，有的作用较小，在电路分析时只需考虑主要作用参数。,u1,第二章 基础知识,通信电子线路,2、高频有源元器件,从原理上看，用于高频电路的各种有源 器件，与用于低频或其他电子线路的器件没 有根本不同。 只是由于工作在高频范围，对器件的某 些性能要求更高。,1)二极管 半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中，工作在低电平。因此主要用点接触式二极管和表面势垒二极管。两者都利用多数载流子导电机理，它们的极间电容小，工作频率高。,变容二极管： 其电容Cj随外加反偏电压U的变化而变化。变容管常用于振荡器中

7、，可以通过改变电压来改变振荡信号的频率。用于高频调制和压控振荡器。,第二章 基础知识,通信电子线路,PIN二极管： 是一种以P型，N型和本征(I)型三种半导体构 成的，它具有较强的正向电荷储存能力。它的高 频等效电阻受正向直流电流的控制，是一种可调 电阻。它在高频及微波电路中可以用做电可控开 关、限幅器、电调衰减器或电调移相器。,第二章 基础知识,通信电子线路,2)晶体管与场效应管 在高频中应用的晶体管仍然是双极型晶体管 和各种场效应管，在外形结构方面有所不同。 高频晶体管有两大类型:一类是作小信号放 大的高频小功率管,对它们的主要要求是高增益 和低噪声;另一类为高频功率管,其在高频工作时 允

8、许有较大管耗，且能输出较大功率。,第二章 基础知识,通信电子线路,3)集成电路 用于高频的集成电路的类型和品种要比用 于低频的集成电路少得多，主要分为通用型和 专用型两种。 目前通用型的宽带集成放大器，工作频率 可达一、二百兆赫兹，增益可达五、六十分 贝，甚至更高。用于高频的晶体管模拟乘法 器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。,第二章 基础知识,通信电子线路,谐振回路由电感线圈和电容组成，当外界授予一定能量，电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的周期振荡,能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有谐振特性，故该电路又称谐振回路。,二、高频滤波器,常用的高频滤波器：,LC谐

9、振电路、陶瓷滤波器、石英晶 体滤波器和声表面波滤波器。,高频滤波器=选频网络=谐振回路,1、高频滤波器的指标,高频滤波器的任务是选出有用信号，滤除 干扰。其频率特性：,第二章 基础知识,通信电子线路,f0,B0.7,B0.1,A,f,f,0.7A,0.1A,f0,1)中心频率,中心频率通常指滤波器的固有谐振频率，在 中心频率点电路的传输能力最强(信号最强)，电 压的传输系数最大。,第二章 基础知识,通信电子线路,2)通频带B0.7,通频带通常用B0.7 表示，是指滤波器的电压 传输系数的大小下降到f0对应的传输系数的0.707 倍时所对应的频率范围。,不同的信号带宽不同，对滤波器通频带要求也不

10、同。,第二章 基础知识,通信电子线路,3)带内波动,A,f,0.707A,理想滤波器通频带内传输特性是常数。,实际滤波器通频带内的传输特性是变化的。,在实际应用中应尽量减小因此而引起的失真。,第二章 基础知识,通信电子线路,4)选择性与矩形系数,选择性是指滤波器选出有用信号、滤除 干扰的能力。 理想滤波器的幅频特性应为矩形。 通常用K0.1来描述滤波器幅频特性与理 想幅频特性的相似程度。被称为矩形系数。,滤波器的矩形系数越接近1，其选择性越好。,第二章 基础知识,通信电子线路,5)插入损耗,定义：插入滤波器前后负载功率之比。,插入损耗越小越好。,6)输入输出电阻,要求其满足输入、输出端均匹配的

11、条件。,7)相频特性,理想滤波器的相频特性应为线性。,第二章 基础知识,通信电子线路,2、LC谐振电路,LC谐振电路由电感线圈和电容组成，当外界授 予一定能量，电路参数满足一定关系时，可以在回 路中产生电压和电流的周期振荡回路。并能在电抗 原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有 谐振特性，故该电路又称谐振回路。,谐振回路按电路的形式分为：,1.串联谐振回路 2.并联谐振回路 3.耦合谐振回路,第二章 基础知识,通信电子线路,1)串联谐振电路,振荡回路的谐振特性可以从它们的阻抗频率特性看出来。当信号角频率为时，其串联阻抗用Zs表示。,串联谐振回路的阻抗,第二章 基础知识,通信电子线路,|Z

12、s|,0,0,0,第二章 基础知识,通信电子线路,当R0； 当0时，回路呈感性，|Zs|R0； 当=0时，感抗与容抗相等，为纯电阻R0，此 时发生了串联谐振，串联谐振角频率用0表示。,叫作串联谐振回路的特征阻抗。,串联谐振回路的谐振频率,第二章 基础知识,通信电子线路,若在串联振荡回路两端加一频率变化的恒压 信号，流过回路的电流为：,发生串联谐振时阻抗最小，流过回路的电流最 大，称为谐振电流。其值为:,串联谐振回路的谐振电流,第二章 基础知识,通信电子线路,串联谐振时元件上的电压,串联谐振回路谐振时,电阻上的电压 UrUs,串联谐振回路谐振时,电感上的电压 ULjLI0js,串联谐振回路谐振时

13、,电容上的电压 U1/(jC)I0js,串联谐振回路的品质因数：,第二章 基础知识,通信电子线路,Q1Q2,回路的品质因数越高，谐振曲线越尖锐，回路 选择性越好。,谐振曲线(),第二章 基础知识,通信电子线路,保持外加信号的幅值不变而改变其频率时, 当回路电流值下降为谐振值的 时对应的频率 范围称为回路的通频带, 也称回路带宽, 通常用 B0.7来表示。通频带为：,串联谐振回路由于谐振阻抗较小，适用于 电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低 阻抗。在通信设备中常用作陷波器。,串联谐振回路的通频带,B0.7 = f0 / Q,第二章 基础知识,通信电子线路,第二章 基础知识,通信电子线路,2)并

14、联谐振回路,并联谐振回路阻抗,C,L,R,并联谐振回路谐振频率,因此回路谐振时，回路的感抗和容抗近似相等。,第二章 基础知识,通信电子线路,回路的空载品质因数,回路谐振阻抗,回路的频率特性,回路Q值越高，曲线越尖锐。所以回路Q值越高，选择性越好。,第二章 基础知识,通信电子线路,并联谐振回路的谐振电压 若在并联振荡回路两端加一频率变化 的恒流源信号,则发生并联谐振时因回路 阻抗最大, 因此并联谐振回路的谐振时电 压最大,称为谐振电压,其值为:,并联谐振回路的通频带 保持外加电流源信号的幅值不变而改变其频率,当路端电压值下降为谐振时路端电压的 时，对应的频率范围。,B0.7 = f0 / Q,第

15、二章 基础知识,通信电子线路,3、石英晶体滤波器,1)石英晶体的物理特性,石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造）， 化学成分是SiO2，其形状为结晶的六角锥体。,为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特 性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，连接两个 角锥顶点的一根轴ZZ，称为光轴，沿对角线的三条 XX轴，称为电轴，与电轴相垂直的三条YY轴，称为 机械轴。,Y,X,Z,石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹 性，因而存在着固有振动频率，当晶体片的固有频 率与外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。,Z,X,Y,X,X,X,X,X,X,Y,Y,Y,Y,Y,Y,沿着不同的轴切下，有不同的切型，X切型、

16、Y切型、AT切型、BT、CT等等。不同的切型 其固有的振荡频率也不相同。 最大特点：Q值高频率稳定性极好。,第二章 基础知识,通信电子线路,2)石英晶体的电特性,当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。我们称其为石英晶体的压电效应。且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。,3)石英晶体谐振器的结构,第二章 基础知识,通信电子线路,4)石英晶体振谐器的等效电路和符号,石英晶体相当一个串并联谐振电路，可用集中参数C0、Lq、Cq、Rq来模拟。,JT,C0是晶体作为介质的静态电容。 其数值较大一般为（几几十)pF。,

17、Lq是晶体弹性体质量。其数值较大一般为（几 十mH几十H)。,Cq是晶体弹性模数。数值较小为（0.010.1)pF。,Rq是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗，值很 小，为（几几十）。,第二章 基础知识,通信电子线路,由于C0Cq，这意味着等效电路中的接,5)石英晶体的特点,等效电感Lq很大、等效电容Cq和Rq很小，,因此，石英晶体的 值很,大，一般为几万到几百万。,入系数很小p=Cq/C0,因此外电路影响很小。,石英晶体的通频带窄选择性好,第二章 基础知识,通信电子线路,1.3.1,石英晶体有两个谐振频率。一个是右边支路的串联谐振频率fs。另一个为石英谐振器的并联谐振频率fp。,6)石英谐振器的阻

18、抗特性,并联谐振频率：,串联谐振频率：,第二章 基础知识,通信电子线路,显然fpfs，由于CqC0，因此，fp与fs很接 近。,X,容性,O,容性,fs,fp,感 性,f,当f=fs时，Lq、Cq串联谐振，当f=fp，回路并联谐振。如果忽略Rq。可画出其谐振曲线。,当f fp时，回路阻抗为容性。 当fs f fp时，回路为感性。,电抗曲线,第二章 基础知识,通信电子线路,7)晶体振荡回路,晶体作为振荡回路中的振荡元件 时，通常是与电容组成并联谐振回路。,此时，晶体必须呈现感抗，所 以，其工作频率必在 fs 到 fp 之间。 这使得fp更接近fs。,晶体振荡回路的振荡频率主要取决于石英 晶体本身

19、，因此通过选择合适的石英晶体，就 可以得到中心频率不同、带宽不同的滤波器。,第二章 基础知识,通信电子线路,4、陶瓷滤波器,某些陶瓷材料制成片状,两面涂银作为电极, 经直流高压的静电极化后，可具有压电效应的特 性。利用陶瓷这种特性制成的滤波器就称为陶瓷 滤波器。,1)等效电路 陶瓷滤波器与石英晶体滤波 器有类似的电抗特性，所以，也 可以用LC串并联电路来等效。,第二章 基础知识,通信电子线路,2)陶瓷滤波器的特点,陶瓷滤波器容易焙烧，可制成各种形 状，易于小型化，耐热、耐湿性能好； 品质因数Q较大(几百)，比普通的LC滤 波器高，比晶体滤波器低； 串并联谐振频率间隔大，通频带比石 英晶体宽，选择性比石英晶体差； 陶瓷滤波器谐振子数目愈多，滤波器 的性能愈好。,第二章 基础知识,通信电子线路,3)分类,按照结构可分为二端和三端陶瓷滤波器。,4)多个谐振子的滤波器的频率选择,第二章 基础知识,通信电子线路,5、声表面波滤波器,声表面波是指声波在弹性体表面的传播， 声表面滤波器是采用石英晶体、压电陶瓷等压 电材料，利用其压电效应和声表面波传播的特 性制成的专用滤波器件。,1)结构及原理,声表面波滤器是在经过研磨抛光的