第2章 高频电路基础知识

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1、高频电子技术,第2章 高频电路基础知识,学习目标 F 了解高频电路中常用的概念和术语 F 了解无线电波的传播途径、无线电波频（波）段的划分 F 了解常见电子元器件的高频电路特性 F 掌握串、并联谐振回路谐振频率、谐振曲线、品质因数、谐振电阻等特性参数的意义及计算 F 了解几种高频电路中无源网络的高频特性,本章知识结构,第2章 高频电路基础知识,案例一：认识元器件 通过实物图片认识常见元器件。图2.1是电阻实物图，图2.2是电容实物图，图2.3是电感实物图。,图2.1电阻实物图,图2.2 电容实物图,图2.3 电感实物图（包括：环形电感 贴片电感 阻流电感 ）,案例二：认识变压器,图2.4变压器

2、实物图,第2章 高频电路基础知识,2.1,概念、术语,基带信号，载波，调制、解调、超外差接收机、品质因数、谐振、谐振频率、谐振电阻,第2章 高频电路基础知识,载波就像是“交通工具”,超外差原理最早是由E.H.阿姆斯特朗于1918年提出的，1919年利用超外差原理制成超外差接收机。,品质因数Q：表征一个储能器件(如电感、电容等)、谐振电路所储能量同每周损耗能量之比的一种质量指标.元件的Q值愈大,用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳. Q=无功功率/有功功率 Q值越大,曲线越尖锐,通频带越窄,电路的选择性越好.,天线尺寸大于信号波长的十分之一，信号才能有效发射。,常用基带信号频率范围： 语音 30

3、0Hz-3.4kHz 图像信号 0-6MHz 音乐信号 16Hz-20kHz,例 1 如果广播电台发射的信号频率为fc=936kHz，接收机中频fI=455KHz，求接收机本振频率fL是多少？,例 2 如果高频载波频率为150MHz，问/4天线应多长？,f=c/ =c/f,第2章 高频电路基础知识,2.2 无线电波的传播与频段划分,2.2.1 无线电波的传播特性,无线电波的主要传播方式 （a） 直射传播; （b） 地波传播; （c） 天波传播; （d） 散射传播,电波的传播方式主要有： 直射（视距）(a): 电视、调频广播，移动通信，中继与卫星等；超短波 绕射（地波）(b): 波长长，地面吸收

4、少，绕射能力强；广播、通信；中长波； 折射和反射（天波）(c):借助60600km的电离层；广播、通信；短波； 散射传播(d):借助1012km的对流层，适合4006000MHz信号；条件：阻挡物体多，体积小于波长。,2.2.2 无线频段的划分,电磁波波普图如下。,第2章 高频电路基础知识,无线电波只是一种波长较长电磁波，占据的频率范围很广，波长和频率的关系如下：,第2章 高频电路基础知识,对频率或波长进行分段，称为频段或波段,2.3 高频电路中的电子器件和无源网络 2.3.1 高频电路中的电子器件,各种高频电路基本上是由有源器件、 无源元件和无源网络组成的。 高频电路中使用的元器件与在低频电

5、路中使用的元器件基本相同, 但要注意它们在高频使用时的高频特性。,第2章 高频电路基础知识,高频电路中的元件主要是电阻(器)、 电容(器)和电感(器), 它们都属于无源的线性元件,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。 一个电阻R的高频等效电路如下图所示, 其中, CR为分布电容, LR为引线电感, R为电阻。,1. 电阻,电阻的高频等效电路,频率越高，电阻的高频特性越明显, LR、CR越小，高频特性越好，因此希望电阻的引线要短。,在实际使用时，要尽量减小电阻器的高频特性，使之表现为纯电阻。,2. 电容,一个高频

6、电路中电容器的等效电路如图（a）所示。,RC极间绝缘电阻（由于两导体间介质的非理想所致）； LC分布电感或极间电感,在实际使用时，高频电路分析中可以忽略电容的高频特性。,3.电感,高频电路中，电感线圈对高频电信号的损耗是不能忽略的。频率越高，高频电感的损耗（等效交流电阻）越大。,一般交流电阻远大于直流电阻，故高频电感器的损耗电阻主要指交流电阻。,一般用品质因素Q来表征高频电感的损耗性能。品质因素Q定义为高频电感的感抗与其串联损耗电阻之比。Q值越高，表示电感的储能作用越强，损耗越小。,4. 高频电路中的有源器件,高频电路中的有源器件主要有二极管，晶体管以及集成电路，完成信号的放大、非线性变换等功

7、能。,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。 主要有点触式二极管、表面势垒二极管以及变容二极管。,1） 二极管,2） 晶体管与场效应管（FET）,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; 另一类为高频功率放大管, 除了高增益外, 要求其在高频有较大的输出功率。,1、高频振荡回路,2.3.2 高频电路中的无源网络,第2章 高频电路基础知识,（a）串联谐振电路 （b）并联谐振电路 简单LC谐振电路,主要完成阻抗变换、信号选择等任务，并可直接作为负载使用。,串联谐振回路,第2章 高频电路基础知识

8、,回路电抗,时，电路产生串联谐振，回路阻抗值最小，流过回路 的电流最大。,谐振电流为,回路的品质因数为,第2章 高频电路基础知识,并联谐振回路,根据谐振的定义，Zp的虚部为零，可得,而品质因数,所以当,时回路谐振时阻抗最大，,Q值越小，线性范围越宽。,谐振电阻R0为:,通频带B为:,例 3 设一放大器以简单并联振荡回路为负载, 信号中心频率f0=10MHz, 回路电容C=50 pF, (1) 试计算所需的线圈电感值。 (2) 若线圈品质因数为Q=100, 试计算回路谐振电阻及回路带宽。 (3) 若放大器所需的带宽B=0.5 MHz, 则应在回路上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求?,解 (

9、1) 计算L值。,(2) 回路谐振电阻和带宽。,回路带宽为,回路总电阻为,需要在回路上并联7.97 k的电阻。,设回路上并联电阻为R1, 并联后的总电阻为R1R0, 总的回路有载品质因数为QL。 由带宽公式, 有,此时要求的带宽B=0.5 MHz, 故,(3) 求满足0.5 MHz带宽的并联电阻。,第2章 高频电路基础知识,抽头并联振荡回路,激励源或负载与回路电感（或电容）部分连接构成的并联振荡回路，即抽头并联振荡回路。通过改变抽头位置或电容分压比来实现回路与信号源的阻抗匹配，或者进行阻抗变换。常见的几种振荡回路形式如图所示。,第2章 高频电路基础知识,耦合振荡回路,在高频电路中，有时会用到相

10、互耦合的两个振荡电路，其中接激励信号源的回路称初级回路，与负载相连的回路称为次级回路或负载回路。常见的耦合回路如图所示。,（a）互感耦合电路 (b)电容耦合电离,耦合振荡回路在高频电路中的主要作用：(1)进行阻抗变换以完成高频信号的传输；（2）形成更好的频率特性。在应用时，满足两个条件：一是回路都对信号频率调谐；二是都为高Q电路。,第2章 高频电路基础知识,2、高频变压器和传输线变压器（自学内容）,高频变压器,两个线圈在紧耦合时就构成变压器，若耦合系数近似为1，变压器的性能接近理想状态。高频变压器与低频变压器的结构基本相同，在忽略了各种损耗和漏感情况下，其电路符号和等效电路如下图所示。,（a）

11、电路符号 （b）等效电路,高频变压器以某种磁性材料作公共的磁路，为增加线圈间的耦合，减少损耗，常用磁导率高、高频损耗小的软磁材料作磁芯，如铁氧体材料（锰锌铁氧体、镍锌铁氧体）；用于小信号场合，尺寸小，线圈匝数少，所以磁芯采用环形结构和罐形结构，如上图所示。,（a）环形结构 (b)罐形结构 （c）双孔磁芯,第2章 高频电路基础知识,在某些高频电路中也用到具有中心抽头的三绕组高频变压器，称为中心抽头变压器，如图下所示。它可以实现多个输入信号的加或减，在某些端口间有隔离，另一些端口间有最大的功率输出。,（a）等效电路 （b）四端口应用,第2章 高频电路基础知识,传输线变压器,典型结构如图所示,（a）

12、结构示意图 （b）电路图,传输线变压器中的传输线主要是指用来传输高频信号的双导线、同轴线，图（a）就是互相绝缘的双导线结构。,传输线就是两导线间（同轴线内外导体间）的分布电容和分布电感形成一电磁波的传输系统。,波速、波长表达式为,第2章 高频电路基础知识,从原理上讲，传输线变压器既可以看做是绕在磁环上的传输线，也可以看成是双线并绕的1:1变压器，因此它兼有传输线和高频变压器二者的特点。其工作模式有两种：传输线工作模式和变压器工作模式，如图所示。,（a）传输线模式 （b）变压器模式,在传输线工作模式下，传输线上任一点上，两导线流过的电流大小相等、方向相反，两导线上电流所产生的磁通只存在于两导线之

13、间，磁芯中没有磁通和损耗。当负载电阻RL和ZC相等而匹配时，两导线间的电压沿线均匀分布。 在变压器工作模式下，信号源加在一个绕组的两端，在初级线圈中有励磁电流，在磁环中产生磁通。由于有磁芯，励磁电感较大，在工作频率上感抗值远大于特性阻抗ZC和负载阻抗。两线圈端口有相同的电压。,第2章 高频电路基础知识,3、谐振器,石英晶体谐振器，如图所示。,（a）外形 (b) 内部结构 (c) 电路符号,反压电效应当晶体两面加电压时，晶体又会发生机械形变。,石英晶体之所以能成为电的谐振器，是由于它具有压电效应。,压电效应（正压电效应）当晶体受外力作用（如伸缩、切变、扭曲等）而变形时，就在它对应的表面上产生正负

14、电荷，呈现出电压。,石英晶体谐振器等效电路如所示。,一般Lq很大， Cq很小。 由图可知，电路有两个谐振频率， 一是串联谐振频率为：,另外还有一个并联谐振频率为：,晶体震荡器的特点： （1）晶体的谐振频率f0和fq很稳定，因为晶体参数由其尺寸决定，受外界因素影响小； （2）品质因素很大，数值上万； （3）接入系数很小，10e-3； （4）晶体在工作频率附近阻抗变化率很大，有很高的并联谐振阻抗。,应用：除了可作振荡器的震荡回路外，还可以频率窄带滤波器,当 或 时，回路呈容性； 当 时，回路呈感性。,2.等效电路及阻抗特性,第2章 高频电路基础知识,4、滤波器（自学内容）,高频电路中除了使用谐振回

15、路和耦合回路作选频网络外，还可以用滤波器完成选频作用。常用的滤波器形式有：LC集中选频滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和表面声波滤波器。,C型集中选择性滤波器,(b) LC式集中选择性滤波器,(a) 单节LC滤波器,第2章 高频电路基础知识,陶瓷滤波器,四端陶瓷滤波器,表面声波(surface wave)是利用局部扰动产生一种通过固体介质内和沿表面传送的波。,表面声波滤波器,第2章 高频电路基础知识,衰减器与匹配器,衰减器是对电信号的一种衰减作用，匹配器是保证两个高频线路能正确连接。在高频电路中，器件的终端阻抗和线路的匹配阻抗有50和75两种。,（a）T型 （b）型 高频衰减器T型、型网络,将固定衰减器中的固定电阻换成可变电阻，或者用开关网络就构成可变衰减器。衰减量可由外部电信号来控制，又称电调衰减器。主要用在功率控制、自动电平控制和自动增益控制电路中。,如果两部分高频电路直接相连，阻抗必须匹配，否则需要用高频匹配器或阻抗变换器连接。常用的匹配器或阻抗变换器是5075变换器，有电阻衰减器型和变压器变换型两种方式。,