《高频电子技术复习》PPT课件.ppt

0.1.6高频电子在无线通信的优势,发射功率大：频率越高，在振荡功率不变的情况下，发射功率越高。 覆盖范围远：低频电磁波因波长太长和发射功率低的关系，不可能远距离传输。 频率资源广：3MHz+3GHz都是高频的频率范围，理论频率资源无限！ 微型化、集成化：天线长度=波长/4，因此越高频率的收发系统可以做得越小，甚至可在集成在单芯片中。,0.1.7高频的定义,狭义的“高频”是指3MHz30MHz的短波频段。 广义的“高频”是指射频，其频率范围非常宽，理论上可到3MHz+Hz的无穷范围，但以目前的科技水平，频率最高只用到3GHz。,0.1.8无线电波的传播特性,无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等，由无线电信号的频率决定。 直射电视、调频广播，移动通信，中继与卫星等；超短波 绕射波长长，地面吸收少，绕射能力强；广播、通信；中长波；条件：物体 折射和反射（天波）借助60600km的电离层；广播、通信；短波；条件：物体 散射传播借助1012km的对流层；分米、厘米波；条件：阻挡物体多，体积小于波长。,0.2.1无线电调幅发射系统,主振级,缓冲级,倍频器,高频 放大器,调制器,功率 放大器,低频 放大器,信号源（话筒）,语音,末级功放,变频器,0.3.1无线电超外差式接收系统,高频 放大器,混频器,本地 振荡器,中频 放大器,检波器,低频 放大器,接收端 （喇叭）,输入级,1.1.2高频小信号放大器的主要参数,. |AU| AUO,. |AU|(fn) 0.1AUO,f0 BW0.7 BW0.1,f,fn,谐振增益：放大器在谐振点处的电压增益AUO（或功率增益），其值可用分贝（dB）表示。它表示放大器对有用信号的放大性能。 通频带：当前放大器增益比谐振时的增益减少3dB时（即AU下降到 ），所对应的频率范围（BW0.7）。为了不失真地放大高频信号，该频率范围应包括所有有用信号的频谱宽度。 选择性：放大器从含有不同频率的信号中，选出有用信号，排除干扰信号的能力用S表示，S越小选择性越好。,高频小信号放大器的典型幅频曲线,1.1.3矩形系数,通频带与选择性是互相制约的，通频带越宽，对特定频率的选择性就越差。 在图中虚曲线所示的幅频特性曲线的通频带比实曲线所示通频带要宽，此时的选择性S比较大，选择性较差。 为使放大器的通频带与幅频特性同时达到理想的要求，应尽量使放大器的幅频特性曲线接近理想矩形，如实曲线。 为此要引用“矩形系数 K ”这一参数，它定义为放大器的电压增益下降到谐振增益的0.1或0.01时的通频带BW0.1与放大器通频带BW0.7之比。,. |AU| AUO,f0 BW0.7 BW0.1,f,fn,矩形系数越接近1，放大器在满足通频带的性况下选择性越好。,高频小信号放大器的典型幅频曲线,1.2谐振回路,谐振回路也称振荡回路，是最常用的选频网络，它由电感线圈和电容组成。 简单的谐振回路分为3大类： 1、串联谐振回路 2、并联谐振回路 3、耦合谐振回路,r,L,C,g,+ -,+ -,c,İ,İg,+ -,RP,L,C,g,+ -,C1,C2,L1,L2,R1,R2,İ1,İ2,串联谐振回路,并联谐振回路,耦合谐振回路,1.2.3串、并联谐振回路特性比较,串联谐振回路适用于信号源与负载串联连接，使信源有效传递给负载。 并联谐振回路适用于信号源与负载并联连接，使负载上的电压振幅增大。,1.4.2多级单调谐放大器1,多级单调谐放大器就是把多个单调谐放大器首尾相接，每个单调谐放大器作为一个放大级，信号经过各个放大级逐级放大的电路。,V1,GND,单调谐放大器 第一级,V2,GND,单调谐放大器 第二级,V3,GND,单调谐放大器 第三级,V4,GND,单调谐放大器 第四级,V5,GND,单调谐放大器 第五级,V6,GND,多级单调谐放大器 之 五级单调谐放大器,1.4.2多级单调谐放大器6,由矩形系数的公式可知，矩形系数的值只与级数n有关，若同结构参数的多级单调谐放大器若固定了级数n，那么它的矩形系数是恒定的。,矩形系数与级数的关系,注意问题： 只有1级时，认为是单调谐放大器，矩形系数是10。 随着级数增加，矩形系数变化越来越慢，太多级数已不能达到很好的效果，一般在实际应用到4、5级就可以了。 无限级时的矩形系数为2.56，相对10有较大改善。,2.1.2 高频功率放大器的分类,与低频功放类似，高频功放的工作装他也取决于其偏置情况、输入信号和电平高低。根据晶体管集电极电流在输入信号周期内的导通时间，高频功放可分为A类、B类、C类、D类、AB类和E类等： A类功率放大器：在输入信号的整个周期内集电极有电流流通。 B类功率放大器：只在输入信号的半个周期内集电极有电流流通。 C类功率放大器：在小于输入信号的半个周期内集电极有电流流通。 A类、B类（推挽电路形式）功率放大器的输出信号没有非线性失真，因此它们是线性功率放大器。 B类（单管形式）、C类、D类、E类等高频功率放大器的输出信号在波形上有非线性失真，应再接入LC谐振回路以组成谐振功率放大器，它们称为非线性功率放大器。,2.3.1 非线性电路的特性1,线性元件： 定义：元件参数与两端电压或电流无关。 实用： 电阻、 电容、 空心电感。 线性电路： 定义：由线性元件和工作在线性状态的非线性元件组成的电路。 实用： 串联谐振回路、 并联谐振回路、 高频小信号放大器、 A类线性功率放大器、 B类推挽功率放大器。,2.3.1 非线性电路的特性2,非线性元件： 定义：元件的参数与通过它的电流或电压有关。 实用： 磁芯电感、 二极管、 三极管。 非线性电路： 定义：含1个或多个非线性元件，且所有元件工作在非线性状态的电路。 实用： 功率放大电路（B类单管、C、D、E）、 振荡电路（无中生有，晶振）、 波形和频率变换电路（分频器、倍频器）。,2.4 谐振功率放大器的直流馈电电路和匹配电路,实际的谐振功率放大器应包括匹配电路和直流馈电电路，有了它们才能使谐振功率放大器的传输效率更高及达到一个合适的工作电压等。 什么是馈电电路？ 供给电能，向另一个电路供电的电路。 这里是给晶体管输入信号偏置的电路。 什么是匹配电路？ 负载阻抗与电源内阻抗或与传输线波阻抗之间的特定配合关系。 这里是通过设置匹配网络来使负载的阻抗提升或降低至特定值。,3.1.2 振荡器的主要技术指标1,振荡器满足的4个指标： 幅度准确指标：生成的信号必须满足一定准确的幅度以便下级电路使用，不应存在无法达到目标的信号幅度。 频率准确指标：生成信号的频率必须能达到某一指定的准确频率，不应存在无法起振的高频率。 幅度稳定指标：信号每个周期的幅度值应保持一个精确的稳定状态，不应有细微的抖动。 频率稳定指标：信号应保持在一个精确的频率值，不应有细微的频率变化，频率稳定指标是比较重要的指标。,3.1.3 导致振荡频率不稳定的因素,温度变化的影响： 环境温度和设备自身的发热的变化将影响回路元件的几何尺寸（热胀冷缩），进而改变电容介电常数、电感量数值、电阻值。 电源电压变化的影响： 当电源电压变化时，必定引起有源器件参数和振荡器工作状态变化，严重引起不稳定增加、不起振、振幅太小等问题。 负载阻抗变化的影响： 负载阻抗变化时，电路将变得不匹配，降低了品质因数，频率也将改变。 其他外界因素的影响： 空气湿度、气压等变化将改变电容器的介电常数。外部磁场感应将改变电感量变化。机械真逗将对整个电路产生几何形变。,3.3.2 三点式振荡器1,三点式振荡器结构 三点式振荡器是另一种广泛应用的LC振荡器，基本结构如图所示： 除了晶体管作为有源器件外，它由X1，X2，X3三个电抗元件组成，这些元件组成的回路与晶体管的三个电极相连接，故称为三点式振荡器，可以看出X1、X2、X3构成了并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络。,三点式振荡器基本结构,3.3.2 三点式振荡器2,三点式振荡器工作原理 三点式振荡器的电路应满足平衡条件，即电路构成正反馈。 因此必须要求X1、X2为性质相同的电抗元件。 而且振荡回路应近似有谐振状态，于是有： 因此，X3为X1、X2性质相反的电抗元件。,3.3.2 三点式振荡器4,电容三点式振荡器： 电容三点式振荡器又称毕兹振荡器，原理如图所示：,3.3.2 三点式振荡器8,电感三点式振荡器： 电感三点式振荡器又称哈达莱振荡器，原理如图所示：,3.3.2 三点式振荡器12,克拉泼电路（电容三点式改进型1）： 由于电容三点式电路比电感三点式电路性能更好，但为了改进电容三点式电路的稳定度，现对其进行改进，改进后成为克拉泼电路。 相当于在电感上串联了1个电容。,3.3.2 三点式振荡器14,西勒电路（电容三点式改进型2）： 针对克拉泼电路改变C3同时改变环路增益的缺点，西勒电路对其作出改善：,3.3.2 三点式振荡器17,三点式振荡器小结： 电容三点式振荡器： 优点：因为反馈电压取自C2，高次谐波分量小，输出接近于正弦波。 缺点：反馈系数与电容有关，改变电容来改变谐振频率将影响起振。 电感三点式振荡器： 优点：便于调节电容来改变谐振频率而不影响起振。 缺点：反馈系数与电感有关，高次谐波分量大，输出波形差。 电容、电感三点式振荡器： 共同缺点：振荡频率易受影响，频率稳定度不高（10-3数量级）。,3.3.2 三点式振荡器18,克拉泼三点式振荡器： 优点：减少了电容对频率稳定度的影响，频率覆盖系数1.2-1.3。 缺点：电路搭建完成后不可通过改变C3来再改次变振荡频率。 西勒三点式振荡器： 优点：克服了克拉泼电路无法改变振荡频率将改变起振能力的缺点。也提高了频率覆盖系数到1.6-1.8。 所有三点式振荡器： 以上所有5种三点式振荡器均采用LC元件作为选频网络。由于LC元件的标准性较差，因此回路的品质因数Q较差，一般不超过300，有负载的话更低。所以这种电路的频率稳定度不高，在10-3到10-5之间。如果需要更高稳定的振荡器，应采用晶体振荡器。,3.4.2 石英晶体振荡器,石英晶体在振荡电路中应用方式的不同分为两大类： 串联晶体振荡器：石英晶片以低阻抗接入振荡电路。 并联晶体振荡器：晶片工作在在fP和fs之间，以感抗性质与其他电抗元件组成振荡电路。,并联晶体振荡器,串联晶体振荡器,4.3.1 二极管调幅电路,二极管平衡调幅器 电子管平衡调幅器是一种低电平调幅电路。 它采用了2个2极管VD1、VD2和具有中心抽头的变压器Tr1、Tr2构成了平衡电路： 其中Tr2的输出接入一个中心频率为fc的带通滤波器，滤除无用波段。载波为uc，加在Tr1、Tr2的抽头上（中心点）。,二极管平衡调幅器,二极管平衡调幅器 等效电路,4.3.1 二极管调幅电路,二极管环形调幅 电子管平衡调幅器仍无法完全滤除无用的频率分量，那么，在基本平衡调幅器的基础上增加2个二极管，并使4个二极管组成一个环路。 在载波uC的正半周，VD1、VD2导通，VD3、VD4截止。 在载波uC的负半周，VD3、VD4导通，VD1、VD2截止。,环形调幅器,4.3.2 集成模拟乘法器调幅电路,模拟乘法器是一种完成两个模拟信号电压相乘功能的电路或器件，它不仅应用于模拟运算电路，而且在模拟信号处理方面也有广泛的应用。 它可以完成调幅、混频、倍频及各种解调功能。,模拟乘法器符号,4.3.3 高电平调幅电路,高电平调幅电路在已经提高了功率的调制信号源的基础上产生普通调幅波。这种调制通常在丙类谐振功率放大器中进行，它可以直接产生满足发射功率要求的已调波。 根据调制信号所加在三极管电极的不同，可分为：基极调幅、集电极调幅、发射极调幅等。,5.2.1 二极管混频器,二极管平衡混频器 如图所示的二极管平衡混频器等效电路。 在实际上，输入端有LC回路并调谐在高频已调信号fS上，输出端也有LC回路并调谐在中频f1上。 本电路要求上下电路完全对称（特别是二极管），二极管可以工作在小信号开关工作状态，也可以工作在大信号开关工作状态。 下面只讨论大信号开关状态。,二极管平衡混频器,5.2.1 二极管混频器,二极管环形混频器 二极管环形混频器增益和抑制干扰的能力都比平衡混频器优越，在相同的条件下，输出电流将比平衡大一倍，这与环形调制的结果一致的。,正半周混频器,负半周混频器,环形混频器,5.2.2 晶体三极管混频器,双极型晶体三极管混频器 有4种晶体三极管混频器基本电路形式，其中2种采用pnp型晶体管。2种采用npn型晶体管。a、b电路适用于广播电视接收等应用，c、d适用于对工作频率要求较高的调频收音机。,三极管混频器a,三极管混频器b,NPN,NPN,5.2.2 晶体三极管混频器,虽然输入与本振电压是正弦波形，但由于三极管转移特性的非线性，变频跨导g（t）随时间变化，输出已不再是正弦波形（非线性失真和n次谐波），其变化周期仍与本振电压相同。 跨导：就是一个电路单元的输出电流与该单元的输入电压的比值。,三极管混频器c,三极管混频器d,PNP,PNP,5.2.3 模拟乘法器混频电路,两个信号相乘可以得到它们的和、差分量。因此两信号相乘实现混频是最直观的方法。用模拟乘法器和中频带通滤波器可构成乘积型混频器。 在乘法器两个输入端分别输入高频已调信号uS和本振uL，那么乘法器输出将是（uL+uS）和（uL-uS）的组合。将这个