高频-第2章 高频电路基础 (1)高频电路中元器件及组件.ppt

第二章 高频电路基础,2.1,高频电路中的元器件,2.2,高频电路中的组件,作业：,2-1,、,2-3,1.1,无线通信系统概述,1.1.1,无线通信系统的组成,发送设备主要由基带信号处理、调制器、频带信号处理、功率放大器组成发送设备的任务（功能）：调制、放大与滤波接收设备主要由射频选择放大、解调、基带信号处理、功率放大器组成接收设备的任务（功能）：解调、放大与滤波输入换能器,输出换能器,接收设备的结构,接收设备的总体结构：超外差式有一次变频、二次变频等结构形式镜频抑制接收机结构,零中频式接收机结构,镜频抑制接收机原理,零中频接收机结构,优点,:1.,无镜频干扰；,2.,射频处理模块少；,3.,不需中频滤波器,缺点：,1.,本振泄漏,(,经射频通道、天线泄漏,),；,2.,低噪声放大器偶次谐波失真干扰；,3.,直流偏差（泄漏的本振经天线接收在与本振混频为零中频,的直流信号，远大于信号）（用交流耦合或谐波混频消除）；,4.,低频闪烁噪声（场效应管较严重，频率越低越大）干扰1.1.2,无线通信系统的类型,按系统中关键部分的不同特性分类,：,按工作频段分：中波、短波、超短波、微波和卫星等通信系统。

按通信方式分,：（全）双工、半双工和单工方式按调制方式分：调幅、调频、调相和混合调制按传送的消息的类型分：模拟和数字通信还有其它分类,：,移动和固定,专用和公用、军用和民用,频分多址和时分多址、码分多址、空分多址,陆地、空中、海上、航天,1.2,信号、频谱与调制,高频电路中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,主要有时间特性、频率特性、频谱特性、调制特性和传播特性时间特性：各种信号波形，电参量随时间而变化频谱特性：频谱图，或谐波分析信号包含各种不同频率正弦信号的幅度大小频率特性：任何信号都具有一定的频率或波长，也都具有一定的频率范围（带宽）调制特性：信号要远距离传输都必需经过调制，特别是无线传输传播特性：无线通信的传播媒质主要是自由空间不同的频率，有不同的传播方式1.,时间特性,无线电信号（电流或电压）的幅度随时间的变化,关系表现为,周期性,或,非周期性,，连续变化或不连,续变化，等等2.,频谱特性,非单一频率的信号（非正弦信号，如脉冲信,号），都包含不同的频率分量，有特定的频谱结构表现为连续或不连续特点占据一定的宽度如：,语音的频谱宽度约为,1006000Hz,，图像的,频谱宽度约为,06MHz,。

3.,频率特性,任何信号都具有一定的频率或波长在自由空间，频率和,波长有如下关系：,(,力学公式,),应当指出，不同频段的信,号具有不同的分析与实现方,法，对于米波（超短波或甚高频）以上信号，通常用,集总,（中）参数,的方法来分析与实现；对于米波一下的信号一般,用,分布参数,的方法来分析与实现4.,传播特性,依据无线电信号 的频段或波长，其传播方式、传,播距离及传播特点有所不同电波传播方式：直射（视距）、绕射（地波）、,散射（空间波）、折射（不同介质）、反射（天波）广播发射方式：地波、天波、空间波中、低频（中、长波）,-,地波方式绕射传播波长越长，吸收损耗越少短波波段,-,天波方式沿电离层反射传播频率,越高电离层吸收越少，但越容易穿透电离层超短波以上（甚高频,VHF,）,-,空间波方式直射传播5.,调制特性,调制特性在无线电 通信中的作用是至关重要的无线电辐射,是通过天线向外辐射，天线的尺寸与波,长相适应，信号通过调制到很高的频率上，通过较,小的天线有效的辐射到空间，形成电磁波辐射调制的另一个作用是，实现,信道的复用,，提高信,道的利用率数字调制还能实现,抗干扰、纠错和保密,功能调制分为模拟和数字调制。

调制分为正弦调制和脉冲调制（载波为正弦或脉,冲信号）,信号如何调制？,调制方式,：调幅、调频和调相1,）调幅 高频载波信号的幅度受调制信号控制，随调制,信号的变化而变化分为,AM,、,DSB,、,SSB,、,VSB,调幅制2,）调频 高频载波信号的频率受调制信号控制，随调制,信号的变化而变化3,）调相 高频载波信号的相位受调制信号控制，随调制,信号的变化而变化2.,调制方法,：,（,1,）调幅 频谱线性搬移（相乘器）,（,2,）调相 频谱非线性搬移（谐振回路、移相网络等）,（,3,）调频 频谱非线性搬移（直接与间接调频）,直接调频：调制信号直接控制振荡器间接调频：先将调制信号积分后再进行直接调相第二章,高频电路基础,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）和电,感（器）,它们都属于无源的线性元件高频电路中完成信 号的放大，非线性变换等功能的有源器件主要是二极管，晶体管和集成电路2.1,高频电路中的元器件,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,C,R,为分布电容，,L,R,为引线电感，,R,为电阻电阻的高频等效电路,C,R,R,L,R,电阻,r,随频率增高而增加,，这主要是,趋肤效应,的影响,.,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低频等效电路,r,L,3.,电容器的高频特征,一个实际的电容器除表现电容特性外，也具有,损耗电阻,和,分布电感,与电感线圈相比,，电容的损耗常常忽略不计,电容器的等效电路也有两种形式，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,I,2,L,，,而线圈的损耗功率，即电阻,r,的消耗功率为,I,2,r,，所以电感的品质因数为,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,左右品质因数,表示线圈的损耗性能定义：,无功功率,与,有功功率之比,:,电感与电阻串联形式的线圈等效电路转换为电感与电阻的并联形式。

电感线圈串、并联等效电路,根据等效电路的原理，在左图中,1-2,两端的导纳应等于右图中,1-2,两端的导纳，即,r,L,1,2,R,L,P,1,2,由上式，并用式,(1.1.2),就可以得到,(1.1.4),由上述结果表明，,一个高,Q,电感线圈，,其等效电路可以表示为串联形式,也可以表示为并联式行在两种形式中，电感值近似不变，,串联电阻与并联电阻的乘积等于感抗的平方,即：,当,Q,1,时，则,串联与并联转换（电感）,r,L,1,2,R,L,P,1,2,转换,由式,(1.1.4),看出，,r,越小,R,就越大，即损耗小，反之，则损耗大一般地，,r,为几欧的量级，变换成,R,则为几十到几百千欧Q,也可以用并联形式的参数表示,由式,(1.1.4),有,上式代入,(1.1.2),得,-,用并联形式表示,（,-,用串联形式表示）,表示同一个电感的损耗电感的损耗,为了说明电容器损耗的大小，引入,电容器的品质因数,Q,，用串联形式表示为：,-,串联形式表示,-,并联形式表示,电容器损耗电阻的大小主要由介质材料决定Q,值可达,几千,到,几万,的数量级，因此，,电容器的损耗常常忽略不计用并联形式表示为：,电容的损耗,同理，可以推导出上图串、并联电路的变换式,:,当,Q,1,时，它们近似式为,串联电阻和并联电阻的乘积等于容抗的平方。

即,r,C,C,p,R,串联与并联转换（电容）,2.1.2,高频电路中的有源器件,从原理上看，用于高频电路的各种有源器件，与用于低频或其他电子线路的器件没有根本不同只是由于工作在高频范围，对器件的某些性能要求更高随着半导体和集成电路技术的高速发展，能满足高频应用要求的器件越来越多，也出现了一些专门用途的高频半导体器件1.,二极管,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,因此主要用,点接触式二极管,和,表面势垒二极管,(,又称,肖特基二极管,),两者都利用多数载流子导电机理，它们的极间电容小，工作频率高变容二极管,(,利用,PN,结的电容效应,),的记忆电容,C,j,（反偏势垒电容）与外加反偏电压,U,之间呈非线性关系变容二极管在工作时处于反偏截止状态，基本上不消耗能量，噪声小，功率高将它用于,振荡回路,中，可以做成电调谐器（如电视机的电调高频头），也可以构成,自动调谐电路,等；,变容管若用于,振荡器,中，可以通过改变电压来改变振荡信号的频率这种振荡器称为,压控振荡器,(VCO),，,压控振荡器是锁相环路的一个重要部件；,微波变容管（微波二极管），用作非线性电容变频、混频；,还有一种是,PIN,二极管,，由,P,型、,I,型和,N,型三种半导体构成，由,正向直流电流控制的可调电阻,，做成,电可控开关,、,限幅器,、,电衰减器,或,电调移相器,。

2.,晶体管与场效应管,在高频中应用的晶体管仍然是,双极晶体管,和,多种场效应管,，这些管子比用于低频的管子性能更好，在外形结构方面也有所不同高频晶体管有,两大类型,：一类是做小信号放大的,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,，除了增益外，要求其在高频有较大的输出功率3.,集成电路,用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多,主要分为,通用型,和,专用型,两种通用型 宽带集成放大器,，工作频率可达一、二百兆赫兹，增益可达五、六十分贝，甚至更高用于高频的晶体管模拟乘法器，工作频率也可达一百兆赫兹以上专用型 集成锁相环、集成调制解调器、单片接收机及家电专用电路等2.2.1,高频谐振回路,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：,1.,串联谐振回路,2.,并联谐振回路,3.,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.,在调制、变频、解调充当选频网络,1.,串联谐振回路,下图是最简单的串联回路。

图中,r,是电感线圈,L,中的电阻，,r,通常很小，可以忽略，,C,为电容振荡回路的谐振特性可以从它们的阻抗频率特性看出来当信号角频率为,时，其,串联阻抗,为：,(2-1),r,L,C,串联阻抗,回路阻抗的模,|Z,s,|,和幅角,随,f,变化的曲线分别如下图所示,r,|Z,s,|,0,串联谐振特性曲线,幅角特性曲线,（,2-1,）,O,/2,0,-/2,当,r,；,当,0,时，回路呈感性，,|Z,s,|r,；,当,0,时，感抗与容抗相等，,|Z,s,|,最小，并为纯电阻,r,，,我们称此时发生了,串联谐振,，且串联谐振角频率,0,为,:,(2-2),X,O,0,容性,感性,电抗特性曲线,若在串联振荡回路两端加一,恒压,信号,U,，,则发生串联谐振时因,阻抗最小,，流过电路的,电流最大,，称为,谐振电流,，其值为,在任意频率下的回路电流,I,与谐振电流之比（,归一化,）为：,(2-4),串联谐振回路电流,(2-3),归一化电流的模为,其中,(2-6),0,(2-5),Q,被称为回路。