2 高频电路基础.doc

第2章 高频电子电路基础 2.1 高频电路中的元器件 2.1.1 高频电路中的无源器件 2.1.2 高频电路中的有源器件 2.2 简单谐振回路 2.2.1 串联谐振回路 2.2.2 并联谐振回路 2.2.3 并联谐振回路的部分接入及接入系数 2.3. 耦合谐振回路 2.4 无源阻抗变换网络 2.3.1 串并联阻抗的等效转换 2.3.2 变压器阻抗变换2.3.3 部分接入阻抗变换 第2章 高频电子电路基础各种无线电设备都是由一些处理高频信号的功能电路，如高频放大器、振荡器、调制器、解调器和混频器构成这些实际电路虽然在工作原理、分析方法等方面各有特点，但电路所使用的有源器件和无源网络却是基本相同的在这些功能电路中，有源器件（包括二极管、晶体管、场效应管等）完成信号放大和非线性变换功能；无源网络（谐振网络、滤波网络等）则完成信号传输、频率选择、阻抗变换等功能有源器件和无源网络是组成各种通信电子电路的基础2.1 高频电路中的元器件2.1.1 高频电路中的无源器件高频电路中的无源器件主要有电阻器、电容器和电感器，它们都属于线性元件。

1） 电阻一个实际的电阻器, 在低频时主要表现为电阻特性, 但在高频使用时必须考虑其电抗特性一般来说一个电阻R的高频等效电路如图2 — 1所示, 其中, CR为分布电容, LR为引线电感, R为电阻由等效电路可知，在高频情况下，电阻器可能呈现出电抗（电感或电容）特性，且频率越高，电抗特性表现的越明显电阻器的电抗特性反映的就是其高频特性，分布电容和引线电感越小，表明电阻的高频特性越好在实际使用中，要尽量减小电阻器高频特性的影响，使之表现为纯电阻图 2 — 1 电阻的高频等效电路电阻器的高频特性与制作电阻的材料、电阻的封装形式和尺寸大小有密切关系通常金属膜电阻比炭膜电阻的高频特性要好；而炭膜电阻比绕线电阻的高频特性要好；表面贴装(SMD)电阻比引线电阻的高频特性要好；一般来说小尺寸电阻比大尺寸电阻的高频特性要好2） 电容两个导体之间填充介质即构成电容电容两端加电压时便有电能储存 一个实际的电容器，除了表现出电容特性之外，两个极板之间的介质会产生介质损耗，该损耗可用与电容相并联的电阻R表示，其值与电容的容量和填充的介质材料有关此外，电流流过电容时，会产生磁场，因而有电感效应，图2 — 2（a）给出电容器的等效电路。

图2 — 2（b）虚线表示理想电容器的阻抗1/(jωC)特性, 实线表示实际电容器的高频特性, 其中, f为工作频率, ω=2πf由图可知，当工作频率很高时，感抗可能超过容抗，此时电容等效为一电感描述电容高频特性的参量为损耗角正切（或品质因数Qc)和自身谐振频率SRF(Self Resonant Frequency)电容的品质因数为图2 — 2 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 根据上述特性，在设计去耦滤波电路时，通常将一个大容量电容和一个小容量电容并联在一起使用，这样可以拓宽滤波电路的频率范围在频率较低时，大容量电容的寄生串联电感的感抗比容抗小得多，总体呈现容抗，而小容量电容的容抗很大，在整个电路中不起作用在频率很高时，大容量电容将等效为一个电感，起不到去耦滤波作用，此时小容量电容的容抗很小，可起到去耦滤波作用电源的型去耦网络)3） 电感理想电感是个储藏磁能的元件实际的电感，除了储藏磁能之外，其导线的电阻要消耗一部分能量，另外，线圈各匝之间存在电容，其高频等效电路如图2 — 3（a）所示在不同的频段，各参数所起作用的相对大小不同在中、短波段，可将实际电感等效为理想(无损耗)电感，和电阻的串联, 如图2 — 3（b）所示。

图2 — 3电感器的高频等效电路当频率进入超短波段之后，必须考虑趋附效应和并联电容效应，频率高到一定程度，电感高频等效电路以容抗特性为主，阻抗随频率变化的规律如图2-4所示 图 2 — 4 高频电感器的阻抗特性由图2-3电感等效电路可看出，存在这样一个频率点，在该频率点线圈电感和分布电容产生并联谐振，高频电感的阻抗幅值达到最大，且为纯电阻，因而相角为零，通常称这个频率的为电感器的自谐振频率SRF(Self Resonant Frequency)当频率超过谐振频率点时，分布电容Cs的影响将成为主要因素在通信技术中，还常用品质因数来描述电感的特性品质因数是电感一周内储能与耗能之比电感的品质因数为： Q值越高，表明电感的储能作用越强，损耗越小通信电路中电感的Q值通常为几十至一二百2.1.2 高频电路中的有源器件在高频电路中，有源器件主要完成信号的放大和非线性变换等功能这些器件的基本工作原理与用于低频电子线路的器件没有什么根本的不同，只是工作频率的升高，对器件的电特性提出了更高的要求。

随着半导体和集成电路技术的高速发展，出现了许多具有非常好的高频特性的器件，能很好的满足高频电路的需要1）二极管二极管在高频电路中主要用于检波、 调制、 解调及混频等非线性变换电路中, 一般工作在低电平常用的二极管有点触式二极管和表面势垒二极管（又称肖特基二极管）两种类型，两者都是利用多数载流子的导电机理，它们的极间电容小，工作频率高常用的点触式二极管（如2AP系列）的工作频率可到一二百兆，而表面势垒二极管的工作频率可高达微波范围利用二极管的电容效应，还可以制成变容二极管变容二极管的主要特点是其结电容随所加的反偏压的改变而变化，变容二极管正常工作时应处于反偏状态，以确保结电容变化范围较大变容二极管多用于构成电调谐器、压控振荡器、混频器和倍频器等电路中2）三极管高频电路中常用的三极管主要有双极型晶体管与场效应管根据其功能，高频晶体管可分为两大类型一类为用于小信号放大的高频小功率管，主要要求是高增益和低噪声目前的双极型小信号放大管工作频率可达几吉赫，噪声系数为几分贝小信号场效应管可工作到更高频段，且噪声更低，如砷化镓（GaAs）场效应管的工作频率可达十几吉赫以上另一类为高频功率放大管，主要用于功率放大电路，除了要求增益外，还要求在高频时有较大的输出功率。

在几百兆以下时，双极型晶体管的输出功率可达十几瓦至上百瓦，而MOSFET型场效应管甚至在几吉赫兹的频率上还能输出几瓦功率高频三极管有多种等效电路和不同的参数，如混合型等效电路、Y参数等效电路、h参数等效电路、S参数等效电路，它们分别在不同的场合下使用，相互之间可以转换在高频电路中常采用双极型晶体管、场效应管构成的各种集成电路（IC），分为通用型IC和专用型IC（ASIC）两类，通用型IC主要有宽带集成放大器和模拟乘法器，ASIC主要有集成锁相环（PLL）、FM信号解调器、单片接收机等，还有一些功率放大模块，使用前要查阅芯片手册，以便正确使用2.2 简单谐振回路各种形式的选频网络在高频电子线路中得到广泛应用，其功能是选出需要的频率分量和滤除不需要的频率分量高频电路中常用的选频网络分为两类第一类是LC谐振回路，又可分为单谐振回路及耦合谐振回路；第二类是各种滤波器，如LC谐振式滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和表面声波滤波器等本章节重点讨论第一类谐振回路谐振回路是高频电路中应用最为广泛的无源网络之一，它是构成高频谐振放大电路、正弦波振荡电路以及各种选频网络电路的基础，LC谐振回路除了作作选频网络，还可用在鉴频器电路中实现频幅和频相转换，还可组成阻抗变换电路用于级间耦合和阻抗匹配，因此，LC谐振回路是高频电路中不可缺少的部分。

简单谐振回路是指只有一个电容和电感组成的谐振回路，又称为单调谐回路对于具有多个电容和电感的电路，若能通过同类电抗的串并联合并，最后简化为一个电容和电感，则该电路也可按照单谐振回路进行分析2.2.1 串联谐振回路在LC谐振回路中，若信号源、电感、电容及负载串接时就组成串联谐振（series resonance ）回路，如图2-5所示图中r是L和C的损耗之和，通常C损耗很小，可以忽略，故实际上就是L的损耗，因此电路中的L和C是理想无损耗的串联谐振必须由电压源激励 图2-5 LC串联谐振回路1串联谐振回路的阻抗特性由图2-5可得电路的等效阻抗为： （2.2.1）当信号源电压的频率使电感的感抗与电容的容抗相等时，回路的阻抗值最小，且为纯电阻，即，此时回路发生串联谐振谐振时，，可得 下面介绍谐振回路的几个重要特性与参数：1）谐振条件及谐振频率当谐振回路的总电抗为0时，称LC谐振回路对外加信号源频率谐振回路的谐振条件： （2.2.2）回路的串联谐振频率： （2.2.3）2）品质因数Q品质因数定义为谐振条件下，回路储存能量与消耗能量之比，即 （2.2.4）为不考虑源阻抗和负载阻抗影响时的空载品质因数。

3）特性阻抗 特性阻抗定义为谐振时容抗或感抗的值，因为谐振时容抗和感抗是相等的，所以有 （2.2.5）4）广义失谐当信号频率偏离谐振频率时，电路的状态称为失谐引入一个反映失谐大小的参数—广义失谐，定义如下： 由式（2.2.6）得回路阻抗的幅频特性 （2.2.7a）回路阻抗的相频特性 （2.2.7b）根据式（2.2.7）可画出串联谐振回路阻抗的幅频特性和相频特性曲线，如图2-6所示图2-6串联谐振回路阻抗的幅频特性与相频特性曲线 如果忽略简单串联谐振回路的损耗电阻，可得到串联谐振回路的电抗频率特性曲线如图2-7所示图2-7 串联谐振回路的电抗频率特性综上分析，可得串联回路谐振时具有以下特点： 1）回路谐振时，回路的感抗与容抗相等，互相抵消，回路阻抗最小，且为纯电阻，电流电压同相位；2）回路失谐时，串联谐振回路阻抗增大，相移增大串联谐振回路阻抗呈感性，电压超前电流；，串联谐振回路阻抗呈容性，电压滞后电流 3）谐振电流当时，回路电流最大，，电流电压同相位4） 谐振电压当时，电感两端的电压 电容两端的电压 可见串联谐振时，电感和电容上的电压是输入源电压的倍，所以串联谐振又称为电压谐振。

2 串联谐振回路的选频特性串联谐振回路的选频特性也可称为串联谐振回路的谐振特性，指的是串联谐振回路电流的幅值与工作频率之间的关系曲线实际中常用的幅频特性曲线都是归一化的，即与谐振时的最大幅值之比的幅频特性曲线串联谐振回路的电流 （2.2.8）式中为谐振时的回路电流串联谐振回路的幅频特性 （2.2.9a）串联谐振回路的相频特性 （2.2.9b）根据式（2.2.9）可得谐振回路的幅频特性和相频特性曲线如图2-8所示图2-8 谐振回路的幅频特性和相频特性曲线3 谐振回路的通频带和矩形系数通频带指3dB带宽，定义为由1下降到（即0.707）时，两边界频率之间的频带宽度通频带表示为 （2.2.10）。