高频-第2章高频电路基础3滤波器与阻抗变换

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 。n 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，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。 n 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。n 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C0 rq Cq Lq JT b a rqLqCqCoab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 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。 n 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，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 )l 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 式中， C 为 C0和 C8串联后的电容。其串联谐振频率CoRqCqLq2Ll 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）2L 2 2L 1 (a) (b) 2L 2 2L 1 (a) 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）的一种电声换能元件。u 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u 符号及等效电路入 出 (a) G C Gs Is GL G C (b) 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。u 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，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，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 Q 10)， 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。u 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。u T型网络2.4 电子噪声l 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。 l 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。l 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。l 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 ：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