高频电子线路教材

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1、高频电子线路高频电子线路 教材教材绪 论0.1 无线电通信发展简史0.2 信号、频谱与调制0.3 通信系统的组成0.4 元件的高频特性0.5 本课程的特点、研究对象及任务本 书 介 绍 本书主要讨论用于各种无线电技术设备和系统高频电子线路,主要结合无线电通信这一方式讨论设备和系统中高频电路的线路组成、工作原理及工程设计计算。 0.1无线电通信发展简史信息传输是人类社会生活的重要内容。 古代的烽火到近代的旗语都是人们寻求快速远 距 离通信的手段。 1837年，莫尔斯发明了电报，创造了莫尔斯电 码，开始了通信的新纪元。 1865年，英国的麦克斯韦总结了前人的科学成 果，提出电磁波学说。 1876年

2、，贝尔发明了电话，能够直接将语言信 号变为电能沿导线传送。1897年, 意大利科学家马可尼（Marconi）在赫兹实验的基础上，实现了远距离无线电信号的传送，这个距离在当时不过一百码，但一年后他就实现了船只与海岸的通信。1887年，德国科学家赫兹（Hertz）用一个振荡偶子产生了电磁波，在历史上第一次直接验证了电磁波的存在；马可尼因此获得1909年度诺贝尔奖。与他分 享这一年度诺贝尔奖的是布劳恩（Braun），因为布氏发现金属硫化物具有单向导电性，这一成 果可用于无线电接收装置；1901年12月12日，马可尼做了跨越大西洋传送无线电信号的表演。这一次他把信号从英 国的Cornwall发送到加拿

3、大的Newfoundland。1906年，美国科学家弗雷斯特（ Forest）发明了真空三极管，是电子技术发展史上第一个重要里程碑。1904年，英国科学家弗莱明（Fleming）获得了一项专利，在专利说明书中描述了一个高频交变电流整流用的两极真空管，标志着进入无线电电子学时代 1912年，英国科学家埃克尔斯（Eccles）提出了无线电波通过电离层传播的理论，这一理论 使得一群业余爱好者在1921年实现了短波试验性广播；同年，美国的费森登（Fessenden）和阿姆斯 特朗（Armstrong）改进了接收机的工作方式，发明了外差式接受系统，这种形式仍是目前许多 无线电接收机的主要工作方式；190

4、6年，美国科学家费森登（Fessenden） 在Massachusetts领导了第一次广播；1938年，美国科学家香农（Shannon）指 出，利用布尔（Boole）代数能对复杂的开关 电路进行分析，电子科学中一个崭新的分支就 逐渐形成，发展起来。这就是电子计算机最初 的理论。真正的电子计算机一般说来是1942年 开始研制的ENIAC（Electronic numerical integrator and computer）。 这台计算机直到1946年完成，它主要是为 美国陆军阿贝尔丁检验基地计算弹道而设计的 ，共用了18000个真空管；Electronic numerical integra

5、tor and computer项目开始： 1943完成： 1946速度： 5000次每秒输入/输出： 卡片、光、开关、插头占平面积： 1000平方英尺 项目负责人： John MauchlyJ. Presper EckertENIAC 几乎与此同时，一个引起电子科学革命性变化的工作也在进行，这就是对半导体器件的 研制。而现今半导体器件几乎占领了电子科学 所有特殊的和普通的领域。1948年，确切地说应是1947年12月23日， 第一只晶体管在贝尔实验室（Bell Telephone Laboratories）诞生，这是电子技术发展史上第 二个重要里程碑。 用单晶锗研制成n-p-n型晶体三极管，

6、促成了电子技术小型化的发展，推动了固体物理和电子学的研究 第一只点接触型晶体三极管晶体管的出世要归功于：肖克莱 Shockley 巴丁 Bardeen 布拉顿 Bratein 1902年生于中国厦门他们分享了1956年度诺贝尔物理学奖而巴丁则又与库柏（Cooper）和施莱弗（ Schrieffer）由于对超导理论的贡献共享了1972年度诺贝尔物理学奖。晶体管出现后，无线电技术及电子学本身发生了巨大变化，得到了长足的发展；肖克莱后来对美国旧金山西南端硅谷做出了开创性贡献。20世纪60年代，中、大规模乃至超大规模集成电 路的不断涌现，是电子技术发展史上第三个重要 里 程碑。 1959年，美国科学家

7、基尔比（Kilby）造出了世界上第一块集成电路。 1967年研制成大规模集成（LSI）电路。1978年研制成超大 规模集成（VLSI）电路，从此电子技术进入了微电子技术时代。Kilby 集成电路（ integrated circuit）随着半导体技术的发展，出现了许多电子 技术新的分支。而今所谓三C技术、三A革命无一不是电子技术及半导体技术的发展所导致 的直接结果。半导体技术的发展不仅影响了电子技术， 也影响了其它技术的发展。如：冶金术，精加 工，材料科学，化学等。五十年代开始，半导体技术在我国受到重视。一批从国外回来的著名科学家如：黄昆、 谢希德等组织了一些有志之士开始了半导体专 门化研究，

8、他们那时培养的学生大多数已成为 我国固体物理学或半导体技术界的学科带头人 。七十年代，我们几乎停止了进步。直到八 十年代我国半导体技术才有开始有长足的发展 。应该讲我们与国外的差距正在缩小。20世纪初首先解决了无线电报通信问题。接着 又解决了用无线电波传送语言和音乐的问题，从而开展了无线电话通信和无线电广播。以后传输图 象的问题也解决了，出现了无线电传真和电视。20 世纪30年代中期到第二次世界大战期间，为了防空 的需要，无线电定位技术迅速发展和雷达的出现， 带动了其他科学的兴起，如无线电天文学、无线电 气象学等。20世纪50年代以来，宇航技术的发展 又促进了无线电技术向更高的阶段发展。无线电

9、技术的发展是从利用电磁波传输信息的无线电通信扩展到计算机科学、宇航技术 、自动控制以及其他各学科领域的。 0.2 信号、频谱在高频电路中, 我们要处理的无线电信号主要 有三种: 基带（消息）信号、 高频载波信号和已 调信号。 所谓基带信号, 就是没有进行调制之前 的原始信号, 也称调制信号。1. 时间特性 一个无线电信号, 可以将它表示为电压或电流 的时间函数, 通常用时域波形或数学表达式来描述 。无线电信号的时间特性就是信号随时间变化 快慢的特性。 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 信号分解 2. 频谱特性对于较复杂的信号（如话音信号、 图像信号

10、 等）, 用频谱分析法表示较为方便。 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）, 例如图 2即为图 1所示信号的频谱图; 对于非周期性信号, 可以用傅里叶变换的方法分解为连续谱 , 信号为连续谱的积分。频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分, 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 3. 频率特性任何信号都具有一定的频率或波长。 我们 这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波 长。 电磁波辐射的波谱很宽, 如图

11、3 所示。 无线电波只是一种波长比较长的电磁波, 占 据的频率范围很广。在自由空间中, 波长与频率 存在以下关系: c = f 图3 电磁波波谱 0.3通信系统的组成通信系统组成框图如下图所示: 输入变换器输出换能器接收设备发送设备信道0.3.1 输 入 变 换 器 输入转换器主要任务是将发信者提供的非电量 消息（如声音、景物等）变换为电信号，它能反映 待发的全部信息，通常具有“低通型”频谱结构，故 称为基带信号。当输入消息本身就是电信号时（如 计算机输出的二进制信号），输入换能器可省略而 直接进入发送设备。 0.3.2 发送设备 发送设备主要有两大任务: 一是调制 , 二是放 大。 所谓调制

12、，就是将基带信号变换成适合信 道传输的频带信号。它是利用基带信号去控制载 波信号的某一参数，让该参数随基带信号的大小而 线形变化的处理过程。所谓放大，是指对调制信号和已调信号的 电压和 功率放大、滤波等处理过程，以保证送入信道 足够 大的已调信号功率。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。=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

13、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。调制的概念及波形所谓调制, 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。第一章绪论0.3.3 信 道信道是连接发、收两端的信号通道，又称传输 媒介。通信系统中应用的信道可分为两大类：有线 信道（如架空明线，电

14、缆，波导，光缆等）和无线 信道（如海水，地球表面，自由空间等）。不同的 信道有不同的传输特性，相同媒介对不同频率的信 号传输特性也是不同的。 1.5MHz以下的电磁波主要沿地表传播 , 称为地 波 , 如图所示 :1.530MHz的电磁波，主要靠天空中电离层 的 折射和反射传播，称为天波，如图所示: 电离层30MHz以上的电磁波主要沿空间直线传播，称 为 空间波，如图所示：为了讨论问题的方便，将不同频率的电磁波人 为地划分若干频段或波段，列表如下: 波段名称波段范围频率范围频段名称超长波 长波 中波 短波 超短波(米波)10 000100 000m 100010 000m 1001 000m

15、10100m 110m330kHz 30300kHz 0.31.5MHz 1.530MHz 30300MHz甚低频(VLF) 低频(LF) 中频(MF) 高频(HF) 甚高频(VHF)微波分米波 厘米波 毫米波 亚毫米波10100 cm 110 cm 110 cm 0.11 mm0.33GHz 330GHz 30300GHz 3003000GHz特高频(UHF) 超高频(SHF) 极高频(EHF) 超级高频习惯上按电磁波的频率范围划分为若干个区段 ，称为频段或波段。无线电波在空间传播的速度c=3108 m/s，则高频信号的频率与其波长的关系为： =c/f ，f单位取Hz，单位用m。应用问题解释

16、 为什么夜间收听效果好于白天？因为白天电离作用强电离层对信号的吸收 作用强 人造卫星采用那个波段和地面联系？中长波和短波均被电离层反射而无法穿过电离 层，所以只能依靠超短波段我国第一颗人造卫星的f =20.009MHz（15 米）来传送东方红乐曲和遥测的信号。0.3.4 接 收 设 备接受设备的任务是将信道传送过来的已调信号进行处理，以恢复出与发送端相一致的基带信号，这种从已调波中恢复基带信号的处理过程, 称为解调。显然解调是调制的反过程。0.3.5 输 出 换 能 器输出换能器的作用是将接收设备输出的基带信号变换成原来形式的消息，如声音，景物等，供收信者使用。0.4 元件的高频特性高频电路中使用的元器件与在低频电路中使 用的元器件基本相同，但是注意它们在高频使用 时的高频特性。高频电路中的元件主要是电阻（器）、电容 （器）和