高频基础知识课件.ppt

绪论n通信系统的分类、组成及各部分的功能n重点：通信系统的组成（5大组成）n通信系统分类：有线通信和无线通信n通信系统的组成：信号源、发射机、传输媒介、接收机、终端设备五部分组成n超外差接收机高频复习无线电信号与系统特性的测试n掌握常用周期信号的数学表达式及其三要素（周期、振幅、相位）n掌握信号频谱的概念（P13）、周期信号（非正弦）频谱的特点 (P29)n关于系统的频域特性---重点：低通滤波器（电压传输函数、幅频特性曲线、作用）（P41）正弦信号的时域特性n正弦信号时域波形如 图1.2所示 该信号的数学表达式：nUm 振幅，振幅， 单位单位: V（伏特）；（伏特）；n  =2 f 角频率单位角频率单位: rad/s（弧度（弧度/秒）；秒）；nf=1/T 频率，频率， 单位单位: Hz（赫兹）；（赫兹）；nT=t1 t0 周期，周期， 单位单位: s（秒）；（秒）；n  0=  t0 初相位，初相位， 单位单位: rad（弧度）n掌握常用周期信号的数学表达式及其三要素 （周期、振幅、相位）v频谱:　是指信号所包含的频率成分及其幅度大小的分布。

即幅度等某些特征量随频率变化的关系v频谱图:　是频谱的图形表示 振幅频谱图　　　 相位频谱图v周期信号的频谱:　是指周期信号中各次谐波的幅值、相位随频率的变化关系　　　信号频谱的概念n掌握信号频谱的概念（P13）、周期信号（非正弦） 频谱的特点 (P29)周期信号的频谱特点 ①离散性——频谱是离散的而不是连续的，频谱是离散的而不是连续的， 每根谱线代表一个谐波分量每根谱线代表一个谐波分量 这种频谱称为离散频谱；这种频谱称为离散频谱；②谐波性——谱线只能出现在基波角频率谱线只能出现在基波角频率 1的整数倍上；的整数倍上；③收敛性——幅度谱的谱线幅度随着谐波次数增高而逐幅度谱的谱线幅度随着谐波次数增高而逐vcvc 渐衰减小到零渐衰减小到零n上述三个特点，分别称为周期信号的上述三个特点，分别称为周期信号的离散性、谐波性离散性、谐波性 和和收敛性收敛性RC一阶低通网络n关于系统的频域特性---重点：低通滤波器（电压传输函数、幅频特性曲线、作用）（P41）截止频率n用来说明电路频率特性指标的特殊频率。

当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率关于高频放大器n低噪声调谐放大器、串、并联谐振回路的相关知识：n低噪声调谐放大器电路结构，谐振回路的品质因数、谐振频率 ( P67 )n尤其是并联谐振回路作为高频放大电路的负载时的作用；回路的品质因数、中心频率、3dB带宽以及三者之间的关系 ( P72 )n谐振回路的选择性：Q值、矩形系数等相关概念 ( P63 )n放大电路噪声系数的概念 ( P63 ) n关于高频谐振功率放大器n甲、乙、丙类功放（概念、静态工作点、导通角、效率等的比较）( P79起)n丙类功放的电路结构、各级电流电压波形 ( P81 )n关于丙类功率放大器的相关计算（集电极电源提供的直流功率PD、谐振功放输出交流功率PO、集电极效率、谐振电阻、输出电压振幅Vcm、基波电流最大值（振幅值）Ic1m等）( P63 )在电路某一指定点处的信号功率Ps与噪声功率Pn之比，称为信号噪声比，简称信噪比（signal-noise ratio），以Ps/Pn（或S/N）表示放大器噪声系数（noise figure）Fn是指放大器输入端信噪比Psi/Pni与输出端信噪比Pso/Pno的比值，即 用分贝数表示：放大电路噪声系数的概念 ( P63 )谐振回路谐振回路谐振回路谐振回路n在含有电感和电容的交流电路中，电路两端的电压和输入电流一般是不同相的；n当调节电路的参数或信号的频率为某一数值时，电压和电流同相，这种状态称为谐振谐振；n谐振回路是最常用的选频网络选频网络；n它由电感和电容组成；n单谐振回路有串联谐振回路和并联谐振回路。

串联谐振回路和并联谐振回路一一一一. .串联谐振回路串联谐振回路串联谐振回路串联谐振回路n由电感L和电容C以及角频率为ω的正弦信号源串联组成的电路，称为串联谐振电路；nr为L和C的总损耗电阻；n但由于电容的损耗很小，因此r可看成是电感线圈的损耗电阻；i串联谐振产生的条件n回路总阻抗为：§当回路的感抗和容抗相等时，回路的总阻抗最小，且为纯电阻，此时回路电流回路电流最大，即：Io=Us/r§同时，电压和电流同相，回路发生串联谐振；§由此可知，串联谐振的条件为：i则串联谐振频率为：则串联谐振频率为：串联谐振条件n可见，ωo仅由L和C决定，与r无关，它反映了电路的一种固有性质，所以又称为固有频率固有频率；n谐振时，回路的感抗和容抗相等，称为特性阻抗特性阻抗，用表示，即:§定义：品质因素品质因素Q Q为特性阻抗与回路电阻之比，即： 谐振特性n当ω＝ωo回路产生谐振时，电抗X=0，阻抗阻抗Z=rZ=r为最小且呈纯阻性为最小且呈纯阻性；n当ω<ωo时，容抗大于感抗，回路呈容性；n当ω>ωo时，感抗大于容抗，回路呈感性；n因此，可画出阻抗频率特性曲线，如下：谐振特性n谐振时回路电流最大谐振时回路电流最大，且电流与外加电压同相；n谐振时回路中电感和电容两端电压为：§用向量表示见左图；§电感和电容两端电压大小相等，方向相反，且为信号源电压的Q倍；§电感电压超前电流90度；§电容电压滞后电流90度.低噪声调谐放大器、串、并联谐振回路的相关知识：n(1)并联谐振回路 n1）电路结构 n并联谐振回路的并联阻抗为： n谐振频率：定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率ω0。

n回路的品质因数 n谐振电阻：回路在谐振时的阻抗最大, 为一纯电阻R0： n若电感的耗损电阻越小，回路的Q值越高，其谐振电阻R0 越大 n通频带 n回路的品质因素Q越高，谐振曲线越尖锐，回路的通频带越狭窄， 关于高频谐振功率放大器n甲、乙、丙类功放（概念、静态工作点、导通角、效率等的比较）( P79起)n丙类功放的电路结构、各级电流电压波形 ( P81 )n关于丙类功率放大器的相关计算（集电极电源提供的直流功率PD、谐振功放输出交流功率PO、集电极效率、谐振电阻、输出电压振幅Vcm、基波电流最大值（振幅值）Ic1m等）( P63 )甲、乙、丙类功放（概念、静态工作点、导通角、效率等的比较）( P79起)关于高频谐振功率放大器※分为甲、乙、丙三类工作状态甲类放大器电流的流通角为360，适用于小信号低功率放大；乙类放大器电流的流通角约等于180；丙类放大器电流的流通角则小于180按放大器可以按照电流通角（放大器在一个正弦周期内导按放大器可以按照电流通角（放大器在一个正弦周期内导通的角度）的不同划分：通的角度）的不同划分：1、谐振功率放大器的电路组成与工作原理电路中VBB为放大器提供一反向偏置电压VBB，从而使放大器静态时为截止状态L1与C1、L2与C3均调谐在fi= fc=30MHz，起滤波和谐振负载作用。

设输入电压ub=Ubmcosct，则BJT发射结上电压uBE =VBB + ub = VBB + Ubmcosct对于如图2.24所示电路的NPN型管来说，只有在激励信号uBE为正值的一段时间（+ 至 ）内才有集电极电流产生，如图2.29所示由图可知，2 是在一周期内的集电极电流流通角，因此， 可称为半流通角或截止角为方便起见，以后将简称为通角由图2.29可以看出丙类放大器的通角则小于90iB为一周期性余弦电流脉冲uBE =VBB + ub = VBB + Ubmcosct图2.30 谐振功率放大器的电压和电流波形 2、谐振功率放大器的功率关系输出功率直流电源提供功率直流输入功率PV与回路交流功率Po之差就是晶体管的集电极耗散功率，即 Pc =PV－Po放大器的集电极效率为PV = IC0 VCC 称为集电极电压利用系数； 越大（即Ucm越大）， 越小，则效率c 越高 称为波形系数它是通角 的函数； 越小，则越大， 等与 的关系见图2.31图2.31 余弦脉冲的分解系数※ =120°时      最大  ，输出功率最大,              但        较小，所以效率较低※ 最佳通角=70°可以兼顾功率和效率的矛盾※  =60°和=40° 时       、      分别最大，可以设计   丙类倍频器  动态线与动态线与波形波形：：这样，就得到了图2.36（a）的、Ic1m随RP而变化的曲线。

再由Ucm = RPIc1m的关系式看出，在欠压区由于Ic1m变化很小，因此Ucm随RP的增加而直线上升进入过压区后，由于Ic1m随RP的增加而显著下降，因此Ucm随RP的增加而很缓慢地上升近似地说，欠压时Ic1m几乎不变，过压时Ucm几乎不变把欠压状态的放大器当作一个理想电流源；把欠压状态的放大器当作一个理想电流源；把过压状态的放大器当作一个理想电压源把过压状态的放大器当作一个理想电压源※直流输入功率PV = IC0 VCC由于VCC不变，因此PV曲线与IC0曲线的形状相同※交流输出功率P0 = ½ I c1m Ucm，因此Po曲线可以从Ucm与Ic1m两条曲线相乘求出来在临界状态，Po达到最大※集电极耗散功率Pc =PV－Po，故Pc曲线可由PV与Po曲线相减而得在欠压区内，当减小时，Pc上升很快当时，Pc达到最大值，可能使晶体管烧坏必须避免发生这种情况功率与效率曲线在欠压时，PV变化很小，所以随Po的增加而增加；到达临界状态后，开始时因为Po的下降没有PV下降快，因而继续增加，但增加很缓慢随着RP的继续增加，Po因Ic1m的急速下降而下降，因而略有减小由此可知，在靠近临界的弱过压状态出现的最大值。

效率欠压、过压、临界三种工作状态的特点：欠压、过压、临界三种工作状态的特点：结论：结论：欠压：恒流，欠压：恒流，Vcm变化，变化，Po较小，较小，ηc低，低，Pc较大；较大；过压：恒压，过压：恒压，Icm1变化，变化，Po较小，较小，ηc可达最高；可达最高；临界：临界：Po最大，最大，ηc较高；较高；最佳工作状态最佳工作状态发射机末级发射机末级中间放大级中间放大级图6.3.7  负载特性曲线欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp三种工作状态的优缺点综合如下：①临界状态的优点是输出功率最大，也较高，可以说是最佳工作状态这种工作状态主要用于发射机末级②过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳；在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降它常用于需要维持输出电压比较平稳的场合，例如发射机的中间放大级③欠压状态的输出功率与效率都比较低，而且集电极耗散功率大，输出电压又不够稳定，因此一般较少采用但在某些场合，例如基极调幅，就是利用改变使电路工作于欠压状态，这将在下面讨论例例2.12.1 有一个用硅NPN外延平面型高频功率管：3DAl做成的谐振功率放大器，设已知Vcc=24V，P0=2W，工作频率=1 MHz。

试求它的能量关系由晶体管手册已知其有关参数为fT≥70 MHz，Ap（功率增益）≥13dB，ICmax750 mA，UCE（sat） （集电极饱和压降）≥1.5 V，PCM=1 W谐振功率放大器的计算（估算）举例解 ①由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压uCEmin =UCE（sat） =1.5 V于是Ucm=VCC  uCEmin =24 1.5V=22.5V②由式（2.3）得③选取 =70，则由图2.31（或附录F）可知④则未超过电流安全工作范围⑤⑥ PV = IC0 VCC=24×103×103W=2.47 W⑦   Pc =PV－Po=2.472=0.47（W）＜PCM⑧⑨由功率增益的定义在本例中求得所需的基极激励功率为n振荡器的概念、电路结构组成及各部分的作用( P114 )n振荡器的起振条件、平衡条件与稳定条件，振荡器的性能指标( P116 )nLC三点式振荡器的分类、性能比较：电感三点式（哈特莱电路）与电容三点式（基本型：考毕兹电路， 串联改进型：克拉泼电路， 并联改进型：西勒电路） 它们优缺点比较( P121 )nLC三点式振荡器的组成原则（相位平衡条件），反馈系数( P119 )n相关分析计算：等效电路、振荡频率、反馈系数等( P119 )n关于晶体振荡器：性能（与LC振荡器相比较：频率稳定度高）、对其等效电路及其串并联谐振频率的理解，对其应用电路：要求掌握并联型与串联型的电路结构以及晶体的等效作用等( P131 )关于振荡器与频率合成器n由于振荡器的信号一般指电压信号，故振荡条件也可表示如下： AuFu=1       Uf=Uin按照选频网络的不同，反馈式正弦波振荡器可分为LC正弦波振荡器（其放大器和LC选频网络可组成谐振放大器）、RC正弦波振荡器和石英晶体振荡器等。

反馈型振荡器是由反馈型振荡器是由放大放大器器和和反馈网络反馈网络组成的一个组成的一个闭合环路闭合环路, , 放大器通常是放大器通常是以某种选频网络以某种选频网络( (如振荡回如振荡回路路) )作负载作负载, , 是一调谐放大是一调谐放大器器, , 反馈网络一般是由无反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络源器件组成的线性网络 反馈振荡器的组成反馈振荡器的组成UO1、反馈式正弦波振荡器的振荡条件1） 振荡器的起振条件与平衡条件或正反馈放大器产生振荡的条件是 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件 A•F=1  　　　　　                               （3－5）φA+φF=2nπ(n=0，1，2，3，…)  　（3－6）  振幅平衡条件振幅平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件振荡器的起振条件 起振过程：开始增幅振荡       非线性    稳幅振荡为便于起振，必须给为便于起振，必须给晶体管加较大的正向晶体管加较大的正向偏置，使放大器偏置，使放大器开始开始时工作在甲类工作状时工作在甲类工作状态态，，随着振幅的增大随着振幅的增大，，放大器由放大区进入放大器由放大区进入饱和区或截止区饱和区或截止区，，工工作于非线性的丙类状作于非线性的丙类状态态，，Q起振起振平衡平衡稳定稳定3、电容三点式振荡器的基本特性按照反馈耦合网络的不同，按照反馈耦合网络的不同，LCLC振荡器可分为振荡器可分为变压器反馈式振荡器变压器反馈式振荡器和和三点式振荡器三点式振荡器, ,三点式振荡器有三点式振荡器有电感三点式电感三点式和和电容三点式电容三点式两种。

两种基本电路就是通常所说的三点式(又称三端式)的振荡器, 即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路, cebL1L2ceb射同它异射同它异※L和C1，C2组成振荡回路，※反馈电压取自电容C2两端，※Cb与Cc均对高频旁路；※Rb1与Rb2为三极管基极提供合适的偏置；※Rc为集电极偏置电阻，有时可用高频扼流圈Lc代替　　　　　　 电容三点式振荡器又称考毕兹（Colpitts）振荡器　　　　　                         电容三点式振荡器的振荡频率式中，C＝C1C2/( C1+C2)为回路的总电容，考虑到rbe和rce的影响，实际振荡频率稍高于经验证明，C1/C2取1/2～1/8较为适宜(3-12)电容三端振荡器的优点是:输出波形较好这种电路的缺点是：调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变，从而导致振荡器工作状态的变化，因此这个电路只适于作固频振荡器例3.1 振荡器电路如图3.15所示，图中C1=100 pF，C2=0.0132F，L1=100 H，L2=300 H 1)试画出交流等效电路； 2)求振荡频率； 3)用矢量图判断是否满足相位平衡条件； 4)求电压反馈系数F。

　　　　　　　　图3.15图3.16解：1)交流等效电路如图3.16所示2)振荡角频率为　C1L1支路的谐振角频率为 由于ω1>ω0，因此L1C1在ω0时呈电容性，可用一等效电容C′1表示图3.16所示电路即成为电容三点式振荡器4)电压反馈系数为所以 串联改进型电容三点式振荡器         图3.21 克拉泼振荡器(a)电路(b)交流通路克拉泼（Clapp）串联改进型电容三点式振荡器　　　　　　　　　　 串联改进型电容三点式振荡器克拉泼振荡器的反馈系数为调节C3改变振荡频率时，不影响反馈系数；而调节C1或C2改变反馈系数时，对振荡频率也无影响换言之，克拉泼振荡器的振荡频率与反馈系数可分别独立调节，这就消除电容三点式振荡器的另一缺点3－16） （频率稳定度高） 4.振荡频率上升，起振条件不易满足而停振 clapp振荡电路的缺点：1.在波段内输出幅度不均匀,输出电压振幅与f3成反比2.波段覆盖系数小3.不易起振:对管子的β提出很高的要求，它f3与成正比并联改进型电容三点式振荡器         西勒振荡器seiler       图3.24 西勒振荡器(a)电路(b)交流通路西勒电路是在clapp电路的基础上发展起来的，只要在clapp电路上做两点改动即可：其一， 改变成固定的小电容其二，L上并联可变电容 振荡频率 并联改进型电容三点式振荡器从频率稳定的角度看， 愈小愈好， 的选择原则就是保证起振条件的情况下，尽可能减小 的值。

seiler电路改变振荡频率时， 是固定值seiler电路在频率高端更易起振不能选得太小否则起振条件难满足（频率稳定度高）n晶体振荡器的电路形式主要分为两类：晶体振荡器的电路形式主要分为两类：•石英晶体在电路中作为等效石英晶体在电路中作为等效电感元件电感元件使用使用——并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器；；n将晶体作为一个将晶体作为一个短路元件短路元件串接在正反馈支串接在正反馈支路中，工作在晶体的串联谐振频率上，称路中，工作在晶体的串联谐振频率上，称为为串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器1）并联型晶体振荡器          (a)c-b型电路                     （b）b-e型电路图3.28 并联谐振型晶体振荡器的两种基本形式 (a)相当于电容三点式(皮尔斯电路);(b)相当于电感三点式(密勒电路);石英晶体当做电感使用，与LC反馈振荡器并无差别 皮尔斯电路（类似考比兹）n与电容三点式类似，反馈信号通过晶体与电容三点式类似，反馈信号通过晶体接到发射极；接到发射极；n由由L LC C、、C C1 1、、C C2 2和和C C3 3组成的谐振回路调谐组成的谐振回路调谐在晶体的串联谐振频率在晶体的串联谐振频率f fq q上；上；n此时晶体可看成短路，正反馈最强；回此时晶体可看成短路，正反馈最强；回路振荡频率基本上等于路振荡频率基本上等于f fq qn而对于其他频率，晶体呈现很大的阻抗；而对于其他频率，晶体呈现很大的阻抗；n因此电路的振荡频率和频率稳定度都由因此电路的振荡频率和频率稳定度都由晶体决定；晶体决定；n经过经过LCLC回路和晶体的两次选频，输出波回路和晶体的两次选频，输出波形好；形好；2. 串联型晶体振荡器根据控制对象参量的不同，反馈控制电路可分为三类：1)需要比较和调节的参量为电压或电流， 反馈控制电路称为自动增益控制电路（AGC）2)需要比较和调节的参量为频率， 反馈控制电路称为自动频率控制电路（AFC）3)需要比较和调节的参量为相位， 反馈控制电路称为自动相位控制电路（APC）n关于频率合成器n了解频率合成、锁相、压控振荡器、鉴相器、低通滤波器相关概念，应用及其工作原理( P135 )n掌握锁相环路的基本组成框图、各部分的名称、作用( P135 )n会分析计算直接式频率合成电路（固定分频比、可变分频比、输出频率点间隔、输出频率范围）( P154 )关于振荡器与频率合成器相位比较器相位比较器压控振荡器压控振荡器fR (ψR)标准频率标准频率VefV(ψV)输出频率输出频率　　fVAPC控制电路框图自动相位控制电路（自动相位控制电路（APC））如何实现精确的自动频率控制如何实现精确的自动频率控制? ∆ω=d∆θ(t)/dt  ω=dθ(t)/dt ∆θ(t）＝常数）＝常数 ∆ω=００ωＲＲ＝＝ωＶＶ锁相环路（简称PLL）：一种相位负反馈自动控制系统，它是利用输出与输入量之间的相位误差来实现输出频率对输入频率的锁定。

 2、举例说明：（一阶锁相环）                                      未锁定   2、举例说明：（一阶锁相环）                锁定                                   愈小，稳定性愈好由此可见： 锁定过程φe是从0～2π之间变化的，若干周期后使φe减少到趋于小的常数，           则环路被锁定，ωo=ωi锁相环路的基本组成框图如图3.2所示它由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，其中，PD和LF构成反馈控制器，而VCO就是它的控制对象图3. 2  锁相环路的基本组成框图提供标准提供标准频率频率鉴相器鉴相器PD（相位比较器）（相位比较器）：将输入参考信号的相：将输入参考信号的相位和压控振荡器（位和压控振荡器（VCO）的输出信号的相位比较，）的输出信号的相位比较，输出一个与相位差有关的误差电压输出一个与相位差有关的误差电压ud =kd∆ψe环路滤波器环路滤波器LF（低通滤波器）（低通滤波器）：滤去鉴相器输出：滤去鉴相器输出信号中的高频分量，只让直流和低频分量通过，信号中的高频分量，只让直流和低频分量通过，得到一控制电压得到一控制电压uC (t) 压控振荡器压控振荡器VCO（电压（电压—频率转换器）频率转换器）：是振荡瞬：是振荡瞬时角频率时角频率ωo（（t）受控制电压）受控制电压uC（（t）控制的振荡器，）控制的振荡器，使输出频率与输入参考频率相等。

使输出频率与输入参考频率相等图3.66  直接式频率合成器组成框图直接式频率合成器的结构较简单，输出频率较低时常用CD4046来实现1、锁相环频率合成器的组成与工作原理1、锁相环频率合成器的组成与工作原理n（（1 1）直接式频率合成器）直接式频率合成器n它仅在图它仅在图3.61所示锁相环的反馈支路中插入一个可编程控所示锁相环的反馈支路中插入一个可编程控制的分频器（制的分频器（N）n高稳定度参考振荡信号经高稳定度参考振荡信号经R次分频后，得到频率为次分频后，得到频率为fR的参的参考脉冲信号同时压控振荡器输出经考脉冲信号同时压控振荡器输出经N次分频后得到频率次分频后得到频率为为fN的脉冲信号，它们通过鉴相器进行比相当环路处于的脉冲信号，它们通过鉴相器进行比相当环路处于锁定状态时，锁定状态时，fR = fN = fo /N，，n显然，只要改变分频比显然，只要改变分频比N，即可达到改变输出频率，即可达到改变输出频率fo的目的目的，从而实现了由的，从而实现了由fR合成合成fo的任务在该电路中，的任务在该电路中，n输出频率点间隔输出频率点间隔:  f=fR例1参参   考考分频器分频器可变程序可变程序分频器Ｎ分频器Ｎ参参   考考振荡器振荡器环　路环　路滤波器滤波器压　控压　控振荡器振荡器鉴相器鉴相器固定分固定分频器Ｍ频器Ｍ÷Ａf1frfv87～108MHZFM广播调制器的除法降频解决方案（单环式）求：当A=200，M=10，fr=1MHZ，fv=108MHZ，时的可变分频数N,并化为16进制数NM。