高频电路基础

高频电路基础第一节

高频电路中的元器件一、高频电路中的元件

高频元件包括：电阻，电容，电感。

注意：高频元件在使用时要注意他们的高频特性及各自的等效电路。电阻:有引线电感和分布电容，且频率越高，L和C越大。电容:有极间绝缘电阻、分布电感和极间电感。电感：有分布电容和交、直流电阻。第2页,共77页，2024年2月25日，星期天第一节

高频电路中的元器件自身谐振频率SRF（SelfResonantFrequency），高频电容等效电路中是串联谐振。SRF=

f<SRF时，电容器呈正常的电容特性。（f升-z降）f>SRF时，电容器等效为一个电感。（f升-z升）

与电容器类似，高频电感器也具有自身谐振频率SRF。是并联谐振。SRF=

理想电容器的阻抗特性高频电感器也具有自身谐振频第3页,共77页，2024年2月25日，星期天第一节

高频电路中的元器件品质因数Q

品质因数Q定义为高频电感的感抗与其串联损耗电阻之比。（或电容的容抗与其并联损耗电阻之比。）Q值越高，表明该电感（电容）的储能作用越强，损耗越小。

Q值的计算：第4页,共77页，2024年2月25日，星期天第一节

高频电路中的元器件二、高频电路中的器件

高频电路中的器件主要是二极管、晶体管和集成电路（IC），完成信号的放大、非线性变换等功能。1)二极管a)非线性变换二极管主要用于调制、检波、解调及混频，工作于低电平，极间电容小、工作频率高。用点接触型锗材料管多（2AP），表面势垒式（肖特基）、快速（f高）b)变容二极管应用：调谐、振荡、混频、倍频等要用到控频的地方。P11第5页,共77页，2024年2月25日，星期天C)PIN二极管PN结中间增加了一层本征（I）（纯净）半导体，具有较强的正向电荷储存能力。主要特性是高频等效电阻受正向直流的控制，是一电可调电阻，用于开关、限幅、电调衰减和移相电路中。2）晶体管与场效应管（FET）高频小功率管----小信号放大高频大功率管----功率放大频率高达几十千兆，功率高达十几瓦至上百瓦3）集成电路通用型：宽带集成放大，100~200MHz，达６０dＢ以上；高频模拟乘法器专用型：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。第6页,共77页，2024年2月25日，星期天第二节

高频电路中的组件无源组件：高频振荡回路、变压器、谐振器与滤波等，完成信号的传输、频率选择和阻抗变换等功能。其它组件：平衡调制器、正交调制器、移相器、匹配器、衰减器、分配器与合路器、定向耦合器、隔离器、双工器等。1、高频振荡回路

高频振荡回路包括并联谐振回路和串联谐振回路。

振荡回路的谐振特性：简单振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最大或最小值的特性称为谐振特性，这个特定频率称为谐振频率。

第7页,共77页，2024年2月25日，星期天第二节

高频电路中的组件（1）并联谐振回路（P16）

简单并联谐振回路电路所示，L为电感线圈，r是其损耗电阻，通常很小，可以忽略，C为电容。

并联谐振回路电感、电容所组成的电路中，电抗为0时，电路达到谐振。第8页,共77页，2024年2月25日，星期天第二节

高频电路中的组件并联谐振回路的计算

并联谐振频率

：令

的虚部为零，求解可得：回路在谐振时的阻抗

最大，为：并联阻抗

：当信号角频率为ω时谐振时，感抗等于容抗，回路为纯电阻，ZP为纯电阻，分母和分子中的虚数部分必相抵消，则可推知。第9页,共77页，2024年2月25日，星期天第二节

高频电路中的组件由于有

得到：

时

，图2-4（a）的并联谐振回路可用图2-4（b）所示的等效电路来表示。

图2-4（b）并联谐振回路等效电路

图2-4（a）并联谐振回路

第10页,共77页，2024年2月25日，星期天

在高Q条件下，有：

并联回路通常用于窄带系统，此时

与

相差不大，因此，

可进

一步简化为：

并联谐振回路

第11页,共77页，2024年2月25日，星期天根据

可画出归一化的并联谐振阻抗特性和辐角特性（P17）容性感性图2-4（c）阻抗特性

图2-4（d）辐角特性

Q1>Q2Q1Q2Q1Q2Q1>Q2ωω或B10.707ω3.14/2Zp/Roφz第12页,共77页，2024年2月25日，星期天回路带宽

3dB通频带（半功率点通频带）定义为阻抗幅频特性下降为谐振值（中心频率

处）的

时对应的频率范围，也称回路带宽，通常用

或

来表示。

回路带宽的计算——令

等于

，则可推得=1，从而可得3dB带宽为

：

定义矩形系数：

越接近于1，则越接近于矩形，越好第13页,共77页，2024年2月25日，星期天（2）串联谐振回路(p13)

串联谐振回路是与并联谐振回路对偶的电路，其电路组成、电抗特性、幅频特性和辐角特性（相频特性）如图所示。

串联谐振角频率为:电抗特性幅频特性辐角特性（相频特性）电路组成第14页,共77页，2024年2月25日，星期天串并联谐振总结：1、串联谐振阻抗最小，回路电流最大，可在回路的电容或电感元件上取得比输入电压大得多的电压，串联谐振又叫电压谐振。2、并联谐振阻抗最大，回路端电压最大，可在回路的电容或电感元件上取得比输入电流大得多的电流，并联谐振又叫电流谐振。3、谐振曲线类似，通频带公式一样。但曲线纵坐标不一样。4、高频电路实用中更多使用并联谐振回路来选频。第15页,共77页，2024年2月25日，星期天串联谐振:并联谐振:比较电流、电压、阻抗关系、相量图、通频带、Q等。P17例2-1有载品质因素QL比Q0小。要QL减少尽量少，串联的RL尽量小，并联的RL尽量大，QL比Q0小较少。第16页,共77页，2024年2月25日，星期天2.抽头并联振荡回路

激励源或负载与回路电感或电容部分联接的并联振荡回路，称为抽头联振荡回路。

抽头回路的作用：(1)通过改变抽头位置或电容分压比来实现回路与信号源的阻抗匹配，或者进行阻抗变换。(2)减小负载或信号源对谐振回路的影响。抽头系数（接入系数）P定义：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。用电压比来表示：第17页,共77页，2024年2月25日，星期天阻抗变换和信号源变换(P19图2-9a)

对于信号源部分接入：由功率相等：整体R0到部分RP的求法:1)不考虑L1、L2之间互感M（空心、松耦合线圈）第18页,共77页，2024年2月25日，星期天第19页,共77页，2024年2月25日，星期天2)考虑L1、L2之间互感MR=P2R0公式推广至阻抗Z=P2Z0（Z部分，Z0整体）

图2-9bcde各图的P公式P19图2-93)考虑L1、L2之间互感M（铁芯、紧耦合线圈）P20例2第20页,共77页，2024年2月25日，星期天信号源折合：P18图2-10电压源：U(部分)=pUT(前面已知)电流源：IS’(整体)=pIsRs，=(1/p2)Rs第21页,共77页，2024年2月25日，星期天3）耦合振荡回路（双调谐回路）（P21）双调谐回路放大器具有较好的选择性、较宽的通频带，并能较好地解决增益与通频带之间的矛盾，因而它被广泛地用于高增益、宽频带、选择性要求高的场合。但双调谐回路放大器的调整较为困难。初级回路、次级回路；互感耦合电路、电容耦合电路作用：阻抗转换、更好的谐振特性（谐振曲线更理想）第22页,共77页，2024年2月25日，星期天a等效为cb等效为d第23页,共77页，2024年2月25日，星期天耦合系数：反射阻抗：耦合因子：A=η=KQ=ωM/r=Kωl/r转移阻抗：第24页,共77页，2024年2月25日，星期天耦合回路的频率特性方程式临界耦合：A=1曲线单峰欠耦合：A<1曲线单峰过耦合:A>1曲线双峰P23图2-13耦合回路的频率特性第25页,共77页，2024年2月25日，星期天矩形系数：k0.1=B0.1/B0.7K0.01=B0.01/B0.7临界耦合时，即A=1时双调谐回路：K0.1=3.15(比较：单调谐回路K0.1=10）通频带：临界耦合时，即A=1时过耦合：η>1若曲线中间下凹点大于等于0.707，A=η=2.41时，B0.7=3.1f0/Q(最大带宽）第26页,共77页，2024年2月25日，星期天耦合电路例图第27页,共77页，2024年2月25日，星期天2、高频变压器和传输线变压器1）高频变压器及其特点（1）为了减少损耗，高频变压器常用导磁率高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。例：铁氧体材料。（2）高频变压器一般用于小信号场合，尺寸小，线圈的匝数较小。Ls、Cs影响高频响应。比较好的方法是：采用高导磁率的高频磁芯，Ls、Cs小，L大。P24中心抽头变压器：实现多个输入信号的相加或相减，在某些端口间有隔离，另一些端口间有最大的功率传输。第28页,共77页，2024年2月25日，星期天第29页,共77页，2024年2月25日，星期天2）传输线变压器利用绕制在磁环上的传输线(指用来传输高频信号的双导线、同轴线）而构成的高频变压器。第30页,共77页，2024年2月25日，星期天传输线的主要参数是波速、波长及特性阻抗。传输线特性阻抗Zc：取决于传输线的横向尺寸（导线粗细、导线间距离、介质常数）Zc=RL时，传输线上传输行波，此时有最大的传输带宽。两种工作方式：变压器工作方式：N1：N2=1：1（P26页图2-18）传输线工作方式：

RL=Zc时，传输线频带很宽。入口处：第31页,共77页，2024年2月25日，星期天第32页,共77页，2024年2月25日，星期天传输线变压器的用法（P27页图2-19）a)高频反相器U1=U2UL=U2且RL的接地端在上，UL上输出电压与输入电压U1数值相等，方向相反。b）不平衡至平衡转换1、3不平衡点，2、4平衡点c）1：4阻抗变换器d）3分贝耦合器(2UI平均无耗分给两个负载RL，每个出UI，每个负载RL功率比总入功率少3分贝）还有：4：1阻抗变换器、平衡至不平衡转换电路等第33页,共77页，2024年2月25日，星期天c）1：4阻抗变换器b）不平衡至平衡转换1、3不平衡点，2、4平衡点a)高频反相器3分贝耦合器第34页,共77页，2024年2月25日，星期天第二节

高频电路中的组件3、石英晶体谐振器（P28）

晶体谐振器与一般振荡回路比较，有几个明显的特点:

（1）晶体的谐振频率非常稳定。（2）有非常高的品质因数。（3）接入系数非常小。（4）晶体在工作频率附近阻抗变化率大，有很高的并联谐振阻抗。

第35页,共77页，2024年2月25日，星期天1）石英晶体的结构和特性结构：

石英晶体俗称水晶，是一种化学成分为SiO2两端呈角锥的六棱柱结晶体。按一定的方位角将晶体切成薄片称石英晶片（正方形、长方形、圆形），不同方位的切片有不同程度的频率特性，即石英晶片尺寸、厚度决定频率。第36页,共77页，2024年2月25日，星期天特性：压电特性反压电特性正是因为压电特性和反压电特性，石英晶片可以做成谐振器。2）石英谐振器的等效电路与电抗特性曲线等效电路与符号：实际等效应用等效符号(二端元件)第37页,共77页，2024年2月25日，星期天其中：C0—金属板及支架构成的电容，约1~10pF大Cq—压电谐振等效电容，约10-4~10-1pF小Lq—压电谐振等效电感，约10-3~102H很大rq—摩擦损耗电阻，约几十~几百欧姆小C∑=C0

Cq/（C0+Cq）≈Cq

可达几万到几百万第38页,共77页，2024年2月25日，星期天电抗曲线（取rq=0）第39页,共77页，2024年2月25日，星期天串联谐振频率并联谐振频率

故只在fs~fp很窄的范围内，石英谐振器等效一特殊电感，其余频率均等效于电容。另外，石英晶振产品还有一个标称频率fN。fN的值位于fs与fp之间，这是指石英晶振两端并接一规定负载电容CL时石英晶振的谐振频率。3）晶体谐振器的应用

A）晶振（频率稳定）串联型：工作频率=串联谐振频率，阻抗最小并联型：并联谐振频率>工作频率>串联谐振频率，回路呈感性，且具有高Q段。第40页,共77页，2024年2月25日，星期天B）高频窄带滤波P32页图2-24，石英晶体应用于感性区，即并联谐振频率>工作频率>串联谐振频率，滤波器处于通带，因串联谐振频率只略小于并联谐振频率，叫窄带滤波。其它情况，电路处于阻带。第41页,共77页，2024年2月25日，星期天符号：二端陶瓷滤波器四端陶瓷滤波器4、集中滤波器P32LC集中参数滤波器：由多节调谐回路构成LC滤波器。1）陶瓷滤波器（二端或四端元件）锆钛酸铅Pb((ZrTi)O3)经直流高压电场极化后，可得压电效应，称压电陶瓷材料。Q值较石英晶体的Q值小，带宽比石英晶振大，价格便宜。第42页,共77页，2024年2月25日，星期天2）声表面波滤波器P33它是沿表面传播机械振动波的弹性固体器件。所谓SAW（声表波）是在压电固体材料表面产生并传播弹性波，其振幅随深入固体材料的深度而迅速减小。与沿固体介质内部传播的体声波（BAW）比较，SAW有两个显著特点：1、能量密度高，其中约90%的能量集中于厚度等于一个波长的表面薄层中；2、传播速度慢，3000~5000m/s。作用：通过机电耦合，制成电的滤波器、延迟线、信号处理器等。结构：具压电效应材料的基片上，制成一些对（叉）指形电极作换能器，称叉指换能器（IDT）。第43页,共77页，2024年2月25日，星期天第44页,共77页，2024年2月25日，星期天原理：对指形两端加高频信号（电），通过压电效应，基片表面激起同频率的声表面波（机械波），沿轴线方向传播，在另一端的换能器声表面波转换成电。fs=f固有时，输出幅度才最大，呈现出它的选频、滤波作用。换能器叉指的个数N+1越大，频带就越窄，现实中N+1不可能太大。因而滤波器的带宽不能做得很窄。为选频特性更好，采用指长、宽度或者间隔变化的非均匀换能器。特性曲线更接近矩形。SAW器件有如下主要特性：P35页（1）工作频率范围宽，几MHz~几kMHz，频率由指条宽度决定，指条越窄，频率则愈高。利用越精细的加工技术（0.18µm级的半导体工艺），可制作的越高（3GHz)的SAW器件。第45页,共77页，2024年2月25日，星期天第46页,共77页，2024年2月25日，星期天（2）相对带宽比较宽几%~几十%（45%）（3）便于器件微型化和片式化IDT电极条宽度按SAW波长的1/4来设计，v=4000m/s.1GHz以下，λ=4µm即1/4λ=1µm。0.4mm的距离中能容纳100条1µm宽的电极。（4）带内扦入衰减较大（缺点），大于等于15dB。（现可实现到4dB以下。）（5）矩形系数可做到1.1~2比较：单调谐振矩形系数：10双调谐振矩形系数：3.15声表面波滤波器符号：第47页,共77页，2024年2月25日，星期天5、高频衰减器高频固定衰减器，高频可调衰减器，T型、Π型、O型、L型、U型、桥T型电调衰减器：用外部电信号来控制衰减大小的可衰减器。应用：功率控制、自动电平控制（ALC）或AGC。由T型和Π型网络(图2-28)实现固定衰减器的衰减量与固定电阻值见37页表2-1,50Ω和75Ω两种线路情况。V、W电阻值。图2-28T型和Π型网络第48页,共77页，2024年2月25日，星期天阻抗变换的目的：是实现阻抗匹配,阻抗匹配时负载可以得到最大传输功率,滤波器达到最佳性能,接收机的灵敏度得以改善,发射机的效率得以提高.阻抗变换的方法：在信号源或单元电路的输出与负载之间、相级联的两个组件或单元电路之间插入阻抗变换电路。阻抗匹配实际上是复阻抗匹配（共轭匹配），包括电阻匹配和电抗匹配。对阻抗变换网络的要求：主要是阻抗变换，同时希望无损耗或者损耗尽可能低，因此阻抗变换网络一般采用电抗元件实现。2.3阻抗变换与阻抗匹配第49页,共77页，2024年2月25日，星期天为减小信号源及负载对谐振回路的影响，除了增大Rs外，还可采用阻抗变换电路，常用的阻抗变换电路有变压器、电感和电容分压电路等。阻抗变换和信号源变换(P19图2-9a)，已有介绍耦合振荡回路阻抗变换已有介绍2.3.1振荡回路的阻抗变换第50页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.2LC网络阻抗变换LC网络常见形式：L（Γ）型、T型和Π型。用LC网络实现阻抗变换的共同基础是串-并联阻抗变换公式。串-并联阻抗变换公式图2-29串-并联阻抗变换第51页,共77页，2024年2月25日，星期天

串、并联阻抗变换

第52页,共77页，2024年2月25日，星期天串、并联阻抗变换

回路品质因数

：Qe=Xs/Rs=Rp/Xp

阻抗变换公式：Rp=（1+Qe

2）Rs

Xp=[1+（1/Qe

2）]Xs

当Qe

》1时上式简化为：Rp≈Qe

2Rs

Xp≈Xs

注意阻抗变换后电抗元件的性质不变。第53页,共77页，2024年2月25日，星期天1）LC匹配网络

LC元件消耗功率很小，可以高效地传输功率。同时，由于它们对频率的选择作用，决定了这种电路的窄带性质。

图3-27几种常见的LC匹配(a)L型；(b)T型；(c)π型常用的输出线路主要有两种类型：LC匹配网络和耦合回路。2.L型网络阻抗变换第54页,共77页，2024年2月25日，星期天L型网络阻抗变换P40第55页,共77页，2024年2月25日，星期天Xs+Xs’=0第56页,共77页，2024年2月25日，星期天Xp+X’p=0第57页,共77页，2024年2月25日，星期天2006-12-21

<<高频>>信息工程系例：滤波器（倒L型网络）

第58页,共77页，2024年2月25日，星期天

图中R2为负载电阻，R1为二端网络在工

作频率处的等效输入电阻。图（c）中，在X1与Xp并联谐振时，有：X1+Xp=0，R1=Rp

R1=（1+Qe

2）R2＞R2

图（a）

——电阻变大电路图（d）中，在Xp与X串联谐振时，有：X1+Xs=0，R1=Rs

R1=R2/（1+Qe

2）＜R2

图（b）——电阻变小电路第59页,共77页，2024年2月25日，星期天3.T型和Π型网络阻抗变换第60页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.3变压器阻抗变换在变压器紧耦合时，负载电阻RL与等效负载R’L的关系为

R’L＝（N1/N2）2RLP=N2/N1R’

L=（1/P）2RL（1）变压器的耦合联接第61页,共77页，2024年2月25日，星期天（2）自耦变压器的耦合联接N1是总线圈数，N2是自耦变压器的抽头部分线圈数。负载电阻RL折合到谐振回路后的等效电阻R’L为:

R’L＝（N13/N23）2RL＝RL/p2

式中p＝N23/N13为接入系数

第62页,共77页，2024年2月25日，星期天（3）变压器自耦变压器的耦合联接

p

1＝N12/N13

，p2＝N45/N13RS和RL折合到谐振回路后的等效电阻R’S和R’L

R’S＝RS/p12

，R’L＝RL/p22第63页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.4电阻网络阻抗变换电阻网络阻抗变换是一种有损耗的宽带阻抗变换器,称为高频电阻匹配器.例:50Ω/75Ω通常有电阻衰减型和变压器变换型两种方式.图2-32T型电阻衰减网络Z1、Z2分别为两端的匹配阻抗。匹配器的最小衰减量为图2-32T型电阻网络匹配器第64页,共77页，2024年2月25日，星期天根据两端的匹配阻抗和匹配器的最小衰减量,可用下面公式分别计算匹配器中的电阻值.第65页,共77页，2024年2月25日，星期天2、4

电子噪声（自学）P421．电阻热噪声

电阻两端噪声电压的均方值为电阻热噪声等效电路定义均方电压谱密度和均方电流谱密度分别对应于单位频带内的噪声电压均方值与噪声电流均方值：定义：噪声就是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁扰动的总称。

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。第66页,共77页，2024年2月25日，星期天（2）线性电路中的热噪声

①多个电阻的热噪声。以两个电阻串联为例：两个电阻串联的噪声分析模型第67页,共77页，2024年2月25日，星期天②热噪声通过线性网络。

为电路的传输函数，如果传输函数表示电压之比则有：热噪声通过线路电路的模型

可以求出输出端的均方噪声电压为定义等效噪声带宽可以得到：等效噪声带宽第68页,共77页，2024年2月25日，星期天2．晶体三极管的噪声

•分布电阻产生热噪声