第二章　高频电路基础

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1、高频电路原理与分析 （第五版） 西安电子科技大学出版社,曾兴文 刘乃安 陈健 编 主讲: 李建新 教授,第2章 高频电路基础,各种无线电设备主要是由一些处理高频信号的功能电路组成。每一种功能电路又都是由各种各样的无源元件或有源元件组成，它们是构成高频电路的基础，因此本章介绍高频电路中常用的元件和组件。另外，在高频电子电路中各种噪声干扰是影响高频电路性能的主要因素，了解电子噪声的概念对理解高频电路和系统的性能非常有用。所以，本章还将简单介绍有关噪声的概念和基本特性及计算方法。,主要内容,2.1 高频电路中的元件器件 2.2 高频电路中的组件 2.3 阻抗变换与阻抗匹配 2.4 电子噪声,2 .

2、1 高频电路中的元件器件,2.1.1高频电路中的元件 1 电阻器 高频等效电路, CR和LR越小，高频性能越好。 高频特性与材料、封装形式和尺寸大小有关。 金属膜电阻优于碳膜电阻；碳膜电阻优于线绕电阻；表面贴装（SMD）电阻优于引线电阻；小尺寸电阻优于大尺寸电阻。频率越高，电阻的高频特性越明显。,2 电容器 高频等效电路 阻抗特性,SRF称为自身谐振频率。容性感性,3 电感器 高频等效电路 阻抗特性SRF称为自身谐振频率。感性容性,2.1.2 高频电路中的有源器件 （1）二极管 主要用于检波、调制、解调及混频等非线性电路，工作于低电平状态。常用以下两种二极管，其结电容小，工作频率高 点接触型二

3、极管 100200MHZ（2AP系列） 表面势垒二极管 微波段 变容二极管 变容二极管调频,在振荡回路中，作为电调谐器或自动调谐电路。 用于振荡器中，通过改变电压来改变振荡信号的频率，即压控振荡器。 PNI二极管（隧道二极管），其高频等效电阻受正向直流电流的控制，可作为可调电阻。用于电控开关、限幅器、电调衰减器或电调移相器。,（2）晶体管（BJT）与场效应管(FET) 高频小功率管，主要用于小信号放大，要求高增益和低噪声。 高频功放管，除增益外，还要求在高频时有较大的输出功率。 BJT工作频率可达几千兆赫，噪声系数只有几分贝，而小信号FET在同样的工作频率下，噪声系数更低；在输出功率方面，在几

4、百兆赫以下频率， BJT可达几十瓦至上百瓦，而FET在几千兆赫频率以上还能输出几瓦功率。,（3）集成电路 通用型宽带集成放大器，100200MHZ，增益5060dB。 专用集成电路（ASIC），包括集成锁相环、集成调频信号解调器、单片集成接收机以及电视机中的专用集成电路等。,返回,2.2 高频电路中的组件 2.2.1 高频振荡回路 1. 简单振荡回路 电感与电容组成的串并联电路。 （1）串联谐振回路 阻抗,阻抗特性曲线串联谐振频率,谐振电流任意频率下回路电流与谐振电流之比其中：称为品质因数,因引入广义失谐 则谐振曲线为,令得通频带（2）并联谐振回路,阻抗阻抗特性曲线（见图c）并联谐振频率,其中

5、当谐振电阻 当回路谐振时，阻抗最大且为一纯电阻R0用谐振电阻表示的阻抗,2. 抽头并联振荡回路（部分接入） （1）几种常用的抽头并联振荡回路,（2）接入系数p 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。（3）电阻、电压、电流的部分接入关系（4）采用部分接入后，回路电流IL和IC与I的比值要减小，即,两式相比得即 （5）用元件参数表示的接入系数 电感部分接入 无互感 有互感,电容部分接入（如图29e）3. 耦合振荡回路（双调谐回路） （1）类型 互感耦合回路 电容耦合回路,（2）在高频电路中的作用 进行阻抗变换，实现高频信号的传输 形成比简单振荡回路更好的频率特性 （3）条件

6、两个回路都调谐于信号频率 两个回路都为高Q电路,（4）分析（以互感耦合电路为例） 设互感系数为M，初、次级线圈电感分别为L1、L2。 为了反映两回路的相对耦合程度，引入耦合系数根据电路理论，,引入反映阻抗其中Z2是次级回路的串联阻抗。 当次级回路谐振时，反映阻抗Zf为纯电阻rf，使初级并联谐振电阻下降； 当次级回路失谐时， Zf为随频率变化的感性阻抗（0 ） 或容性阻抗（ 0）；反映阻抗 变化会影响初级并联阻抗Z1和初级的转移阻抗Z21的频率特性发生变化。 设两回路参数完全相同，即,再引入两个参数： 广义失谐耦合因子 初次级串联阻抗可分别表示为耦合阻抗为 由图212（c）等效电路，转移阻抗为,

7、I2由次级感应电动势I1Zm产生，即考虑次级的反映阻抗，则将I2和E1代入转移阻抗并化简得,归一化转移阻抗为经分析得 A1时，Z21有两个极大值，在0处出现凹点 其频率特性曲线为,图 2 13 耦合回路的频率特性,A=1称为临界耦合，耦合系数k0=1/Q称为临界耦合系数； A1或kk0称为过耦合； A1或kk0称为欠耦合； 由图可见 kk0的过耦合状态时，可以得到更大的带宽，但凹陷点的值不能小于0.707，理论分析可以得出最大凹陷点为0.707时的耦合因子及带宽分别为,2. 2. 2 石英晶体谐振器 1. 物理特性 （1）形状：六角锥体、三个对称轴即Z轴（光轴）、X轴（电轴）、 Y轴（机械轴）

8、，可形成多种切片（FT、DT、BT、AT、CT、ET、GT），在晶片两侧制作好金属电极并与底座的插脚相连，最后用金属或玻璃外壳封装，形成石英晶体谐振器。,（2） 特性： 压电效应 当晶体受外力作用而形变（如伸缩、切变、扭曲等）时，就在它对应的表面上产生正、负电荷，呈现出电压。 反压电效应 当在晶体两端面加电压时，晶体又会产生机械形变。若电压为交变电压，则晶体就会发生周期性的振动（且具有一固有谐振频率），同时会有电流流过晶体。 机械共振与电谐振 当外加电信号频率在晶体固有谐振频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现为电谐振。晶片的谐振频率与晶片的材料、几何形状、尺寸

9、及振动方式（取决于切片方式）有关，而且十分稳定；其温度系数（温度变化1时所引起的固有谐振频率相对变化量）均在106以上数量级，温度系数只与振动方式有关。,GT和AT型切片，其温度系数在很宽范围内都趋于零；而其它型切片只在某一特定温度附近小范围内才趋于零，通常将这个特定的温度称为拐点温度。 高频晶体切片，其谐振时的电波长0与晶片厚度成正比，谐振频率与厚度成反比。 对于一定形状和尺寸的某一晶体，它既可在某一特定基频上谐振，也可在高次谐波（谐频或泛音）上谐振。通常把利用晶片基频（音）共振的谐振器称为基频（音）谐振器，单位为kHZ（最高25MHZ）；把利用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器，单位为MH

10、Z(最高250MHZ)，通常能利用的是3、5、7之类的奇次泛音。,2. 等效电路及阻抗特性C0称为晶体的静态电容（几几十PF）；Lq、Cq、rq 是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数，其中rq 是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。,由等效电路得石英晶体的阻抗表达式为分别令分子和分母为零得串联谐振频率和并联谐振频率(忽略rq),由于C0Cq，f0与fq相差很小，根据数学公式将其展开得由此可求得相对频率间隔为因Cq/C0=0.0020.003，故相对频率间隔仅有千分之一、二左右。 晶体振荡器与一般振荡回路比较所具有的特点： （1）晶体的谐振频率fq 与f0非常稳定。因Lq、Cq 、C0仅由晶体尺寸

11、决定。,（2）晶体振荡器有非常高的品质因数，如国产B45型1MHZ石英晶体，其品质因数为125000250000；而普通振动回路Q值只能做到一二百。 （3）晶体振荡器的接入系数p=Cq/（C0+Cq） Cq/C0 非常小(0.0020.003)，故晶体振荡器与外电路的耦合必然很弱，即外电路（或负载）对晶体振荡器影响很小。当晶体接有负载电容CL时，接入系数p=Cq/（C0+ CL）将更小，f0将减小。CL越大， f0越接近fq。 （4）晶体在工作频率附近，其阻抗变化率很大。 在阻抗表达式中忽略rq后，化简得,图 2 23 晶体谐振器的电抗曲线,由图可知，当 0时，晶体谐振器呈容性；当 q 1，此

12、法失效。,对抽头并联振荡回路：,对耦合振荡回路（双调谐回路）：,调节M，可改变耦合阻抗和耦合系数，因此调节互感系数就可实现阻抗变换。,2.3.2 LC网络的阻抗变换,图 3 27几种常见的LC匹配 (a) L型; (b) T型; (c) 型,常用的输出匹配网络主要有LC匹配网络和耦合网络。,1. 串并联阻抗变换公式,（1）L型匹配网络按负载电阻与网络电抗的连接关系，可分为L型（负载电阻与网络电抗并联）和L型（负载电阻与网络电抗串联）,图 3 28 L型匹配网络(a) L-I型网络; (b) L-型网络,2. L型网络阻抗变换,对L型：,结论：,在负载电阻Rp大于高频功放要求的最佳负载阻抗RLc

13、r时，采用L型网络，通过调整Q值，可以将大的Rp变为小的Rs以获得阻抗匹配（ Rs RLcr ）。谐振时，应有Xs+ Xs=0。所以， L型匹配网络又称为高阻变低阻网络。,对L型：,对L型：,结论：在负载电阻Rp小于高频功放要求的最佳负载阻抗RLcr时，采用L型网络，通过调整Q值，可以将小的Rs变为大的Rp以获得阻抗匹配（ Rp RLcr ）。谐振时，应有Xp+ Xp=0。所以， L型匹配网络又称为低阻变高阻网络。,对L型：,（2）T型网络或型网络,阻抗变换作用为,关于T型网络或型网络的阻抗变换关系的详细推导可参考高频电子线路阳昌汉、杨翠娥编P60-61,电子电路与系统高频电路谢沅清编P83,2.3.3 变压器阻抗变换,2.3.4 电阻网络阻抗变换,电阻网络阻抗变换器是一种有损耗的宽带阻抗变换器。称为高频电阻匹配器（T型电阻衰减网络）。,匹配器的最小衰减量：,匹配器的电阻值：,返回,2 . 4 电子噪声,2.4.1 概述在电子测量系统中，放大电路对微弱信号的放大要受到内部噪声的限制。由于放大电路具有内部噪声，当外来信号通过放大电路放大输出的同时，也有内部噪声输出。若外来信号小到一定值时，放大器输出信号和噪声大小相差不多，以致在放大器的输出端难以分辨。,