第1章 高频电子线路-选频电路与滤波器.ppt

1 第1章选频电路与滤波器 2 本章基本要求 掌握LC谐振回路及滤波器的基本原理及分析方法熟悉其他滤波器的特点及其应用 3 在无线通信过程中 通信信道数多 所占频段范围较宽 工作频率也较高 从几百kHz到几百MHz 如卫星通信系统中 工作频率可达数GHz 同一通信频段内 存在着许多被传送的无线电信号及噪声 而接收机则只选择出所需要的信号进行放大 因此 接收机中的放大器除了要有足够的增益外 还应具有选择不同频率的信号的能力 于是便产生了各种各样的选频放大器 但无论是哪一种类型的电路 它们主要由两部分组成 一部分是其核心器件 放大器件 另一部分是用作选择信号的线性选频网络 1 1选频网络 4 1 1 1LC串联谐振回路 L和C分别为回路电感和回路电容 电阻r是它们的损耗 实际上由于电容器的损耗比电感线圈的损耗小得多 因而r近似等于线圈的损耗电阻 5 1 1 1 1串联谐振回路的特征 LC谐振回路实际上是LC组成的线性选频网络 LC谐振回路在高频电路中起着重要的作用 图1 1 1a所示是LC串联谐振回路 L和C分别为回路电感和回路电容 电阻r是它们的损耗 实际上由于电容器的损耗比电感线圈的损耗小得多 因而r近似等于线圈的损耗电阻 6 1 1 1 1 回路阻抗与谐振频率 1 1 2 7 1 1 4 串联谐振回路的阻抗具有如下特性 8 LC串联回路阻抗特性 9 串联谐振 对应的谐振角频率用符号为 或 10 11 2 回路的品质因数 品质因数是谐振回路的一个重要性能指标 它的物理意义是回路的储能与耗能之比 也可表示为回路特征阻抗与回路固有损耗之比 1 1 6 r越大回路损耗的功率越多 回路的品质因数就越小 反之 r越小则Q值就越大 12 1 1 1 2串联回路的选频特性 为广义失谐 1 1 7 13 回路电流的幅模和幅角分别为 其中 14 于是有 1 1 11 15 1 1 12 1 1 13 可见 谐振时电感线圈和电容器两端的电压比信号源电压大几十到几百倍 于是称串联谐振为电压谐振 16 1 1 1 3串联谐振的通频带与选择性 2 1 14 由式 1 1 11 令 0 707可得 2 1 15 17 1 1 16 1 1 17 18 1 1 1 4信号源内阻和负载电阻对回路的影响 称为有载 值 称为空载 值 19 1 1 2LC并联谐振回路 电感L 电容C和激励源相并联的电路称为并联谐振回路 如图1 1 6所示 20 1 1 2 1并联谐振回路的特征 1 回路阻抗与谐振频率 由图1 1 6 a 所示并联谐振回路得到回路的总阻抗为 1 1 18 由图1 1 6 a 也可以得到 21 并联回路阻抗相角 1 1 21 谐振频率为 22 并联回路的谐振特性 23 2 并联谐振回路的品质因数 谐振电阻 1 1 24 或 1 1 25 称为图1 1 6b所示并联谐振回路的 等效 谐振电阻 称为并联谐振回路的谐振电导 24 1 1 26 可见并联谐振回路谐振时 流过并联回路各支路的电流 等于信号源电流的 倍 所以并联谐振又称为电流谐振 25 1 1 2 2选频特性与通频带 为分析方便 假定激励信号为恒流源是余弦 或正弦 信号 且初相位为零 1 1 27 26 1 1 27 式 1 1 27 是复数 可以分别写为 1 1 28 1 1 29 令 1 1 30 27 1 1 2 3激励源内阻及负载对回路的影响 28 例1 1 1 1 1 2 29 1 1 3阻抗变换与接入系数 为了解决上述问题 可以用 阻抗变换 的方法 将信号源的等效阻抗及负载阻抗经过简单的阻抗变换电路 得到适当的调整或控制 30 31 根据等效变换的条件在变换有 也就是 1 1 35 32 由式 1 1 35 可得 例1 1 3 1 1 4 33 1 1 4耦合电路 在实际电路中 为了进一步改善回路的选频特性和阻抗变换性能 广泛采用两个或两个以上的单调谐回路 通过各种耦合方式传输信号 如电感耦合 互感耦合 电容耦合 及混合耦合等方式 通常称它们为耦合回路 最常用的是互感耦合和电容耦合 电路中接有信号源的回路称为一次回路 接入负载的回路称为二次回路 它们一般都是谐振回路 所以 通称为双调谐回路 34 1 1 4 1耦合系数 以图1 1 13 a 为例进行分析 耦合系数通常用来表示两个回路的耦合程度 定义为 1 1 38 假定一次 二次回路的参数相同 35 1 1 4 2互感耦合双回路谐振曲线 由图1 1 13a列出回路方程如下 1 1 39 1 1 40 假定一次 二次回路的参数相同 将上式中r L C在谐振点附近 用回路的广义失谐来表示 回路的阻抗为 36 上式表明了二次回路输出电流幅度随信号源频率和耦合度变化的规律 37 利用数学求极值的方法 求得互感耦合双回路规一化谐振特性为 1 1 41 称为回路耦合因数 k表示回路的耦合程度 38 1 1 4 3通频带与选择性 根据式 1 1 41 绘出二次回路的谐振特性曲线 39 再令 0 1 则由式 1 1 41 可求得 1 1 43 40 强耦合 41 两峰点之间的宽度为 1 1 44 1 1 45 1 1 46 42 对图1 1 13c所示电容耦合回路 其耦合系数为 若一次 二次回路参数相同则 可列出图1 1 13c中 1 2 两个节点的电流方程 1 1 49 43 1 2常用滤波器 随着通信技术的飞速发展 不但要求放大电路高增益 宽频带 而且对收 发信机放大电路的选择性也有更高的要求 因此 在集成式选频放大器中多采用宽带集成放大器与集总参数滤波器相组合的方式 其中选频任务由集总参数滤波器来完成 如 LC集总参数滤波器 陶瓷滤波器 晶体滤波器及声表面滤波器等 44 1 2 1石英晶体滤波器 1 石英晶体的结构 2 石英晶体的切割 45 常用的单片滤波器是晶体滤波器和陶瓷滤波器 3 石英晶体的电特性 46 1 2 4 1 2 5 47 48 1 2 2陶瓷滤波器 陶瓷滤波器按幅频特性分为带阻滤波器 又称陷波器 带通滤波器 又称滤波器 两类 按照外型结构 陶瓷滤波器分为二端 三端和四端3大类 陶瓷滤波器具有高Q值 幅频 相频特性好 体积小 信噪比高等特点 49 1 2 2陶瓷滤波器 单片陶瓷滤波器在通信电路中也经常使用 谐振频率分别为 50 51 52 1 2 3声表面波滤波器 SAWF 声表面波是一种利用弹性固体表面或界面传播的弹性波动 它有三个重要特点 第一 声表面波的传播速度比电磁波的传播速度小10万倍 因而声表面波的器件可以做成超小型器件 第二 声表面波是在固体表面约一个波长的厚度内传播 在其传播途径上可以方便地进行信号的存取 放大和分流 因而 可制成多功能器件 第三 表面声波的传播速度与频率无关 因而滤波器的幅频特性和相频特性可以分别设计 这样 除易于满足通信系统中的选频特性外 还易于满足系统对群延时的要求 53 声表面波滤波器 SAWF 的结构 1 2 3 1压电基片压电基片是SAWF的衬底材料 基片材料对滤波器的物理性能影响较大 目前 SAW器件中应用最多的是LiNbO3 LiTaO3和压电石英 在制作SAW滤波器时 要求压电基片表面保证较好的光洁度 以减小传输损耗 而基片背面又必须粗糙 这样有利于抑制干扰 1 2 3 2叉指换能器在基片光洁的表面 蒸上一层铝或金 然后利用光刻腐蚀 制得所需的几何形状的电极 称为叉指换能器 54 1 2 3 3SAWF的特性 55 56 1 2 3 3SAWF的特性 当叉指宽度为a 间隙为b 相邻叉指重叠长度为W的 均匀 叉指换能器时 其幅频特性可表示为 1 2 8 57 58 SAWF的实际电路 59 1 2 4薄膜体声 FBAR 滤波器 薄膜体声 FBAR 滤波器是继声表面波 SAW 滤波器之后 又一种利用声波传播和共振特性实现滤波功能的电子器件 薄膜体声滤波器是使用薄膜半导体工艺 建立空气中的金属 氮化铝 AIN 金属夹层 从而形成FBAR谐振腔 当交流电压作用于金属夹层上时 使整个氮化铝层膨胀 收缩 产生机械波和声波振动 这种振动发生在氮化铝 金属夹层腔内 而不像声表面波那样发生在材料的表面 60 FBAR谐振器的等效电路图如图1 2 17所示 当交流电压加载到氮化铝层上时 氮化铝层膨胀 收缩有一个固有的振动频率 如果外加交流电压信号的频率等于 FBAR谐振腔就会产生共振 61 1 3射频电路中的集成电感 射频电路中 电感线圈是选频滤波网络