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1、2.2.3 石英晶体谐振器 2.2.4 集中滤波器 2.2.5 高频衰减器与匹配器作业：2.7 2.10,第二章 高频电路基础,2.2.3 石英晶体谐振器（石英振子）,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。图(a)表示自然结晶体，图(b)表示晶体的横截面。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，在图(b)中沿对角线的三条XX轴，称为电轴，与电轴相垂直的三条YY轴，称为机械轴。,石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，
2、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。且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。,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。,沿着不同的轴切下，有不同的切型，X切型、Y切型、AT切型、BT、CT等等。,2. 等效电路、符号及阻抗特性,石英片相当一个串联谐振电路，可用集中参数Lq、Cq、rq来模拟，Lq为晶体的质量（惯性），Cq 为等效弹性模数，rg 为机械振动中的摩擦损耗。,右图表示石英谐振器的基频等效电路。电容C0称为石英谐振器的静电容。其容量主要决定于石英片尺寸和电
3、极面积。一般C0在几PF 几十PF。式中 石英介电常数，s 极板面积，d 石英片厚度.接入系数为,C,0,r,q,C,q,L,q,J,T,b,a,r,q,L,q,C,q,C,o,a,b,石英晶体的特点是：等效电感Lq特别大、等效电容Cq特别小，因此，石英晶体的Q值 很大，一般为几万到几百万。这是普通LC电路无法比拟的。 由于 ，这意味着等效电路中的接入系数很小,因此外电路对它影响很小。 晶体的内部参数受外界因素（温度、振动）的影响很小，谐振频率很稳定。,石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的串联谐振角频率q，即石英片本身的自然角频率。另一个为石英谐振器的并联谐振角频率0。串联谐振频率并联谐
4、振频率,显然,接入系数p很小，一般为10-3数量级，所以0与q很接近。,阻抗特性（石英谐振器的等效电抗）,上式忽略 rq 后可简化为（1）当 = q时z0 = 0 Lq、Cq串谐谐振，当 = p，z0 = 回路并谐谐振。（2）当 为容性。 （3）当 时,z0 = jx0 为感性。其电抗曲线如上图所示。,石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个谐振频率之间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度。,必须指出，在q与p的角频率之间，谐振器所呈现的等效电感 （数值非常大），并不等于石英晶体片本身的等效电感Lq。,等效电感为,为了展宽通带宽度，通常的办法是用电感与石英谐振器相串联或并联。,把滤波器做成一个整体器件
5、，构成集中滤波器 1.陶瓷滤波器利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，称为陶瓷滤波器。它常用锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3压电陶瓷材料（简称PZT）制成。,这种陶瓷片的两面用银作为电极，经过直流高压极化之后具有和石英晶体相类似的压电效应。优点：容易焙烧，可制成各种形状；适于小型化；且耐热耐湿性好。它的等效品质因数QL为几百，比石英晶体低但比LC滤波器高.,2.2.4 集中滤波器(LC式、晶体、陶瓷、声表滤波器),符号及等效电路,图中C0 等效为压电陶瓷谐振子的固定电容；Lq 为机械振动的等效质量；Cq 为机械振动的等效弹性模数；Rq为机械振动的等效阻尼；其等效电路与晶体相同。,并联谐振频率 式
6、中，C 为C0和C8串联后的电容。,其串联谐振频率,陶瓷滤波器电路四端网络陶瓷滤波器（由双电极或三电极陶瓷滤波器构成）：如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式，即为四端（二端口网络）陶瓷滤波器。图(a)为由二个谐振子组成的滤波器，图(b)为由五个谐振子组成四端滤波器。谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好。图（C）为四端陶瓷滤波器（三电极陶瓷滤波器）,图（a）选中心频率为串臂的串联谐振和并臂的并联谐振频率，串臂的并联谐振和并臂的串联谐振分别为上下截止频率.,声表面波滤波器SAWF（Surface Acoustic Wave Filter）是一种以铌酸锂、石英或锆钛酸铅等压电材料为衬底（基体）的一种电声换能
7、元件。结构与原理：声表面波滤器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会产生交变电场。,2.声表面波滤波器（SAWF）,声表面波滤器的滤波特性，如中心频率、频带宽度、频响特性等一般由叉指换能器的几何形状和尺寸决定。这些几何尺寸包括叉指对数、指条宽度a、指条间隔b、指条有效长度B和周期长度M等。上图是声表面波滤波器的基本结构图。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是声面波。在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信
8、号。,换能器的指宽a，指与指之间间距b决定声波波长.相邻两极的电场相位差为180，当不同极指相邻指极的间距为声波长的一半时，声波经传输延时的相位差刚好是180度，便形成同向叠加。偏离此波长的其他频率，便会相互抵消，因此可以实现滤波作用。,声表面波滤波器的符号如图(a)所示，图(b)为它的等效电路.其左边为发送换能器，is和Gs表示信号源。G中消耗的功率相当于转换为声能的功率。右边为接收换能器，GL为负载电导，GL中消耗的功率相当于再转换为电能的功率。,声表面滤波器的符号与等效电路,符号及等效电路, 工作频率高，中心频率在10MHz1GHz之间，且频带宽，相对带宽为0.5%25%。 尺寸小，重量
9、轻。动态范围大，可达100dB。 由于利用晶体表面的弹性波传送，不涉及电子的迁移过程所以抗辐射能力强。 温度稳定性好。 选择性好，矩形系数可达1.2。在电视机的中频通道电路中作为中频通道滤波器使用，实现集中滤波功能，免调试。,声表滤波器的主要特点：,3. 薄膜体声（FBAR薄膜体声波谐振器）滤波器,这是一种体积更小、损耗更低、Q值更高、使用频率更高（高达20G） 新型滤波器。且结构与半导体技术工艺兼容，便于射频集成电路（RFIC） 的集成。在3G技术广泛应用。,利用高频衰减器可以调整信号传输通道上的信号电平。高频衰减器分为固定衰减器和高频可变(调)衰减器两种。除了微波衰减器可以用其他形式构成外
10、，高频衰减器通常 都用电阻网络、开关电路或PIN二极管实现 。,分固定衰减器和可变衰减器。器件的终端阻抗和线路的匹 配阻抗通常是50欧和75欧。,类似于滤波电路，固定衰减器有L型、T型和型。,表2-1 列出了50和75两种。,2.2.5 高频衰减器,将固定电阻换成可变电阻或 开关电路或使用PIN二极管，就构成可变（或电调）衰减器。,2.3 阻抗变换和阻抗匹配 如果相连接的两部分高频电路阻抗匹配，则可以直接相连。 但如果阻抗不匹配，就需要用高频匹配器或阻抗变换器来连接。,在高频电子线路中，经常要在信号源与电路、输出与负载、级间进行阻抗变换和阻抗匹配。其目的是使负载得到最大功率，滤波器得到最佳性能
11、，接收机的灵敏度得到改善，发射机的效率得到提高。,有LC网络阻抗变换、带抽头的并联谐振电路阻抗变换、变 压器阻抗变换、电阻网络阻抗变换。,2.3.1 振荡回路的阻抗变换利用带抽头的并联振荡回路，实现阻抗变换。另外，耦合 振荡回路中改变互感M，改变其反映阻抗。,2.3.2 LC网络阻抗变换,以串-并联阻抗变换为基础，有L型、型、T型和型阻 抗匹配网络。,下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数Q值很低(通常Q10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用T型或型网络作匹配之用。,2. L型网络阻抗变换,下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型
12、网络)。图中RL代表终端(负载)电阻，RP代表由RL折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。,形网络,下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络)。图中R2代表终端(负载)电阻，R1代表由R2折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。,T型网络,2.4 电子噪声,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，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。 噪声和干扰是两个不同的术语，但没有本质的区别。习惯上，将外部的称为干扰，内部的称为噪声。干扰与噪声的分类如下： （1）干扰一般指外部干扰，可分为自然的和人为的干扰。 自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。 人为干扰主要有工业干
13、扰和无线电器的干扰。 （2）噪声一般指内部噪声，也可以分为自然的和人为的噪声。 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。抑制干扰的措施是消除、切断和躲避干扰。,理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但是因为通常电子噪声的强度很弱，因此它的影响主要出现在有用信号比较弱的场合，在电子线路中，噪声来源主要有两方面： 电阻热噪声和半导体管噪声，两者有许多相同的特性。,1. 电阻的热噪声,电阻由导体等材料组成，导体内的自由电子在一定的温度下总是处于“无规则”的热运动状态，这种热运动的方向和速度都是随机的。 自由电子的热骚动在导体内形成非常弱的电流。,2.4.2 噪声的来源和特点,电阻热噪
14、声作为一种起伏噪声，具有极宽的频谱，从零频一直延伸到101213Hz以上的频率，而且它的各个频率分量的强度是相等的。 这种频谱与白色光的光谱类似，因此将具有均匀连续的噪声叫做白噪声，电阻的热噪声就是一种白噪声。,(1)热噪声电压和功率谱密度 当电阻的温度为T(K)时，电阻 两端噪声电压的均方值为（奈 奎斯特公式）,为了方便计算，引入噪声电压谱密度和噪声电流谱密度， 分别定义为：单位频带内的噪声 电压和噪声电流均方值。,（2）线性电路中的热噪声,多个电阻的热噪声,热噪声通过线性网络,对于并联谐振电路，电路的传输函数为,并联谐振回路的阻抗为：,阻抗的实部为：,因此，可得到噪声功率密度为：,重要结论
15、：对于线性二端网络， 其噪声电压或电流谱密度SU（或 SI）可用等效电阻Re(或Ge)表示。,输出端的噪声电压均方值为,噪声带宽假设有一等效噪声带宽B0对应最大传输H0,此时的输出噪 声电压均方值为,对于并联谐振回路，等效噪声带宽为,3.2.2 二极管的噪声,晶体二极管工作状态可分为正偏和反偏两种。正偏使用时，主要是直流通过pn结时产生散粒噪声。 反偏使用时，因反向饱和电流很小，故其产生的散粒噪声也小，如果达到反向击穿（如稳压管），又分两种情况： 齐纳击穿二极管主要是散粒噪声，个别的有1/f噪声(闪烁噪声)。 雪崩击穿二极管的噪声较大，除有散粒噪声，还有多态噪声，即其噪声电压在两个或两个以上不
16、同电平上进行随机转换，不同电平可能相差若干个毫伏。 这种多电平工作是由于结片内杂质缺陷和结宽的变化所引起。 硅二极管工作电压在4V以下是齐纳二极管，7V以上的是雪崩二极管，4V7V之间两种二极管都有。 为了低噪声使用，最好选用低压齐纳二极管。,3.2.3 晶体三极管的噪声,晶体三极管的噪声是设备内部固有噪声的另一个重要来源。 一般说来，在一个放大电路中，晶体三极管的噪声往往比电阻热噪声强得多，在晶体三极管中，除了其中某些分布，如基极电阻rbb会产生热噪声外，还有以下几种噪声来源。,1.散弹（粒）噪声在晶体管的pn结中（包括二极管的pn结），每个载流子都是随机地通过pn结的（包括随机注入、随机复合）。 大量载流子流过结时的平均值（单位时间内平均）决定了它的直流电流I0，因此真实的结电流是围绕I0起伏的。 这种由于载流子随机起伏流动产生的噪声称为散弹噪声，或散粒噪声。,
