第二章 高频电路基础3

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1、第2 章 高频电路基础,2.1 高频电路中的元件、器件和组件2.2 电子噪声,2.1 高频电路中的元器件,基本元件,有源元件（二极管、晶体管和集成电路）,无源元件 （电阻、电容和电感）,无源网络（ 高频谐振回路、高频变压器、谐振器与滤波器等）,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。,主要作用: 有源元件 完成信号的放大，非线性变换等功能。 无源网络 完成信号的传输，阻抗变换、选频等功能。,2.1.1 高频电路中的元件,1.电阻器一个实际的电阻器，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

2、面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。,一个电阻R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。,电阻的高频等效电路,2. 电感线圈的高频特性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r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r串联，如图所示。,电感线圈的串联等效电路,电阻r随频率增高而增加，这主要是集肤效应的影响。所谓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

3、的圆环面积，导电的有效面积较直流时大为减小，电阻r增大。工作频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越大。高频电感器也具有自身谐振频率(SRF)。 在SRF上, 高频电感的阻抗的幅值最大, 而相角为零, 如图所示。,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r的消耗功率为I2r，故由式（2.1.1）得到电感的品质因数,( 2.1.1 ),( 2.1.2 ),Q值是一个比值，它是感抗L与损耗电阻r之比，Q值越高损耗越小，一般情况下, 线圈的Q值通常在几十到一二百左右。,在无线电技术中通常不是直接用等效电阻r，而是引入线圈的品质因数这一参数来表示线圈的损耗性能。

4、 品质因数定义为无功功率与有功功率之比 :,3 电容 由介质隔开的两导体即构成电容。 一个电容器的等效电路却如图（a）所示。 理想电容器的阻抗1/(jC), 如图2 2（b）虚线所示, 其中, f为工作频率, =2f。,电容器的高频等效电路(a) 电容器的等效电路; （b） 电容器的阻抗特性,Rc为极间绝缘电阻，LC为分布电感或极间电感，小容量电容的引线电感。,高频运用时其阻抗特性实线所示。当工,作频率小于自身谐振频率，呈容性， 工作频率大于自身谐振频率，呈感性。,容性,感性,在分析一般米波以下频段的谐振回路时，常常只考虑电容和损耗。 电容器的等效电路也有两种形式，如图所示。,电容器的串、并联

5、等效电路,r,C,R,2.1.2 高频电路中的组件,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回路。若该电路在某一频率的交变信号作用下,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：,串联谐振回路 并联谐振回路,高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡（谐振）回路、 高频变压器、 谐振器与滤波器等, 它们完成信号的传输、 频率选择及阻抗变换等功能。,简单回路,耦合谐振回路,用途：,1.利用他的选频特性构成各种谐振发大器 2.在自激振荡器中充当谐振回路 3.在

6、调制、变频、解调充当选频网络,本章讨论各种谐振回路在正弦稳态情况下的谐 振特性和频率特性。,1）.串联谐振,(1) 阻抗特性,X,0,容性,感性,+,-,+,+,+,-,-,-,X,0,(3)谐振曲线,回路电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线。,其中,幅频特性,Q1Q2,小失谐,谐振特性方程（通用式）,失谐量,广义失谐量,式中,相频特性曲线,感性,容性,感性,容性,0,串联谐振相频特性,Q1Q2,+ uC -,+ uL -,+ui-,+ uR -,2.并联谐振,谐振时,当LR时,1）谐振频率,当Lr条件不满足时，,谐振时，Z为实数，则分子中虚部必须与分母中虚部相抵消。即,准确并联回路谐振频率,

7、+ ui -,电感性,电容性,+,-,Is,是与外电流相比较而言,Q1Q2,0,感性,容性,+u-,+u-,RL,7）信号源内阻和负载电阻的影响,式中,为回路固有品质因素,例 1 设一放大器以简单并联振荡回路为负载, 信号中心频率fs=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 (1) 计算L值。,将f0以兆赫兹(MHz)为单位, 以皮法(pF)为单位, L以微亨（H）为单位， 上式可变为一实

8、用计算公式:,将f0=fs=10 MHz代入, 得,(2) 回路谐振电阻和带宽。,回路带宽为,(3) 求满足0.5 MHz带宽的并联电阻。 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,回路总电阻为,2.1.3. LC 阻抗变换网络,等效：电路在同频率工作时，从AB端看进去阻抗或（导纳）相等。,3.并联谐振回路的广义形式,Z1,Z2,ZP,R1,R2,ZP,C,L,表明：若R1和R2都不很大时，则认为 R1和R2都集中在电感之路内,2.1.4. 抽头并联振荡电路,+ ucb -,+uab-,+ ud

9、b -,+uab-,是回路与外电路之间的调节因子,与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同性 质总电抗之比。,非谐振时,iLiS ； iC iR,IL,接入系数p越小, 比值越小,所以 前面分析中假设 iLiS ； iC iR (即ILI) 当p较小时将不能满足.,2.1.5 耦合回路,概述,单振荡回路具有频率选择性和阻抗变换的作用。,但是：1、选频特性不够理想2、阻抗变换不灵活、不方便,为了使网络具有矩形选频特性，或者完成阻抗变换的需要，需要采用耦合振荡回路。,耦合振荡:耦合回路由两个 或者两个以上的单振荡回 路通过各种不同的耦合方 式组成。,单谐振回路,矩形选频特性,f0,f,us,u

10、s,is,is,常用的两种耦合回路,耦合系数k：耦合回路的特性和功能与两个回路的耦合程度有关,按耦合参量的大小：强耦合、弱耦合、临界耦合,电感耦合回路,电容耦合回路,说明回路间耦合程度的强弱,k 的定义:耦合回路的公共电抗绝对值与初次级回路中的同性质电抗的几何中项之比.,对电容耦合回路：,一般C1 = C2 = C：,通常 CM C：,k0)时，则Xf1呈容(Xf10)。,1）反射电阻永远是正值。这是因为，无论是初级回路反射到次级回路，还是从次级回路反射到初级回路，反射电阻总是代表一定能量的损耗。,4）当初、次级回路同时调谐到与激励频率谐振（即 X11=X22=0）时，反射阻抗为纯阻。其作用相

11、当于在初级回路 中增加一电阻分量， 且反射电阻与原回路电阻成反比。,3）反射电阻和反射电抗的值与耦合阻抗的平方值 （M）2成正比。当互感量M=0时，反射阻抗也等于零。 这就是单回路的情况。,is,+ V2 -,+ V1 -,is,+ u2m -,频率特性方程,4 频率特性曲线,式中分母第二项为负值，随 增加，此负值增加。所以分母先减小，当 较大时，分母中第三项起作用，分母随 增大而增大。因此，随 增大， 先增大，而后减小。在 两边出现双峰。,峰点位置或两峰间的宽度，将谐振特性方程对 取导数，并令 其导数为零，得,2.2 电子的噪声及其特性,噪声是一种随机信号，其频谱分布于整个无线电工作频率范围

12、，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。 干扰与噪声的分类： 自然(天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等) 干扰(一般指外部干扰)人为(工业干扰和无线电器的干扰)自然噪声(热，闪烁，散粒等） 噪声(内部产生)人为噪声（交流噪声，感应噪声，接触不良噪声等）本章主要讨论自然噪声，对工业干扰和天电干扰只做简略的 说明。,2.2.1 电子噪声的来源与特性,主要由电阻、谐振回路和晶体管内部所具有的带电微粒 无规则运动所产生，具有起伏噪声性质，它是一种随机过程， 遵循统计规律，其特性用概率分布特性描述。,电阻热噪声某一瞬间，起伏噪声电压的大小和方向是随机变化。一段时间内，起伏噪声电压出现正、负的概率相同，因

13、此平均值为常数或为零。这种因热运动而产生的起伏电压称电阻的热噪声。,电阻热噪声电压波形,1）热噪声电压和功率谱密度,(2.2-1),起伏噪声电压的平均值,表示起伏噪声的直流分量。,(2.2-2),表示起伏噪声电压的有效值,起伏噪声电压的均方根值,起伏噪声电压的均方值,表示起伏噪声的强度。,(2.2-3),(2.2-4),此式说明了噪声的功率。,平均功率,（2.2 5）,（2.2 6）,（2.2 7）,（2.28）,起伏噪声的功率谱,S(f),f,0,表示 在1电阻上于时间 区间（0T）内的全部噪声能量,图 电阻热噪声等效电路,2） 电阻的热噪声,（2.2 10）,（2.2 9）,（2.2 11）,（2.2 12）,（2.2 13）,噪声电压的有效值,方均电压谱密度,方均电流谱密度,3) 线性电路中的热噪声,（2.2 15）,（2.2 16）,结论：只要噪声源是相互独立，则总噪声服从均方叠加原则。 即只要求出串联电阻值，就可求得总的噪声均方值。,多个电阻的热噪声,设：R1、R2串联，计算总的电阻热噪声与每个电阻热噪声关系,热噪声通过线路电路的模型,4）热噪声通过线性网络,传递函数,