常用器件的工作原理.docx

常用器件的工作原理本文介绍了定向耦合器（P17）、混频器（P27）、晶体检波器、鉴相器（P21）、锁相环(P21)、YIG调谐器、电桥的工作原理1 定向耦合器的工作原理定义：定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配。结构：定向耦合器由传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器，所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大。工作原理：主线中传输的功率通过多种途径耦合到副线,并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输。矩形波导定向耦合器的三种典型耦合结构。a是相距1/4导波长的双孔耦合;b是间距和长度都等于1/4导波长的双串联分支线耦合；c是在裂缝区域内te和te两种传播模式的连续耦合。以a和b两种结构为例，从端口输入的信号分两路耦合到副线后，朝端口方向因行程相等而同相叠加，有输出；朝方向则行程相差1/2导波长而反相抵消，被隔离而无输出。微带定向耦合器的两种典型的耦合结构。a是间距和长度都等于1/4导波长的双并联的分支线耦合,b是在平行区域内电场和磁场两种结构连续耦合。以b的结构为例,从端口输入的信号由电场耦合在副线的两个端口上产生同相感应电压，磁场耦合则产生反相感应电压。结果在端口处相加而有输出，处则抵消而呈隔离无输出。此外,也可构成其他传输线的定向耦合器。主要性能指标：耦合度、隔离度、定向度、输入驻波比、工作带宽网络特性：定向耦合器可被看作为四端口网络，其特性可用散射矩阵s表示，即 计算公式其中各端口的反射系数sii(i=1、2、3、4)的值很小（理想值为零）,表示各端口的匹配情况；耦合系数s13=s31=s24=s42的值由设计时候的耦合度决定；s14=s41=s23=s32是隔离系数，理想值为零。定向耦合的主要技术指标是耦合度c（分贝）、定向性d（分贝）和工作频带，其中 c=-20lg|s14| (db) d=20lg|s14/s13| (db) 理想定向耦合器的散射矩阵为 计算公式两个输出信号有90的相位差。上述双孔或双分支线耦合的单节定向耦合器工作频带较窄。若采用多孔或多分支线耦合结构的多节定向耦合器（几个单节的级联），可借助综合设计方法展宽工作频带。定向耦合器主要参数有以下几个：1、直通参数：根据散射矩阵可知由s21表征。2、耦合参数：根据散射矩阵可知由s31表征。3、隔离参数：根据散射矩阵可知由s41表征。4、反射参数：根据散射矩阵可知由s11表征。2 混频器的工作原理输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。混频器通常由非线性元件和选频回路构成。混频是指将信号从一个频率变换到另外一个频率的过程 ,其实质是频谱线性搬移的过程 。 在超外差接收机中 ,混频的目的是保证接收机获得较高的灵敏度 ,足够的放大量和适当的通频带 ,同时又能稳定地工作 。混频电路包括三个组成部分 : 本机振荡器 、非线性器件 、带通滤波器变频，是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为变频器（或混频器）。一般用混频器产生中频信号：混频器将天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，coscos=cos(+)+cos(-)/2可以这样理解，为射频信号频率量，为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。混频器原理 当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。从频谱观点看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真地从fc搬移到中频的位置上，因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。从工作性质可分为二类，即加法混频器和减法混频器分别得到和频及差频。从电路元件也可分为三极管混频器和二极管混频器。从电路工作方式可分为有源混频器和无源混频器。混频器和频率混合器是有区别的。后者是把几个频率的信号线性的迭加在一起，不产生新的频率。应用：频率变换、鉴相、可变衰减器、相位调制器、参量混频器、单边带调制器3 晶体检波器的工作原理检波器的作用是从高频调幅波中取出单向包络信号，然后用滤波电路滤除高频载波分量，使低频有用信号纯净，所以检波电路通常包含非线性元器件和滤波器两部分；检波要使用非线性元器件，常用的有二极管和三极管。检波的定义：1）平均值检波：其最大特点是检波器的充放电时间常数相同，特别适用于对连续波的测量。2）峰值检波：（快充慢放）它的充电时间常数很小，即使是很窄的脉冲也能很快充电到稳定值，当中频信号消失后，由于电路的放电时间常数很大，检波的输出电压可在很长一段时间内保持在峰值上。峰值检波的特点首先在军用设备的骚扰发射试验中被优先采用，因为好多军用装备只要单次脉冲的激励就可以造成爆炸或数字设备的误动作，而无需像音响设备那样讲究时间的积累3）准峰值检波：这种检波器的冲放点时间常数介于平均值于峰值之间，在测量周期内的检波器输出既与脉冲幅度有关，又与脉冲重复频率有关，其输出与干扰对听觉造成的效果相一致。解释：将音频信号或视频信号从高频信号(无线电波)中分离出来叫解调，也叫检波。幅度调制的解调简称检波，其作用是从幅度调制波中不失真的检出调制信号来。根据是否需要同步信号，检波可分为同步检波和包络检波4）检波（detection）广义的检波通常称为解调，是调制的逆过程，即从已调波提取调制信号的过程。对调幅波来说是从它的振幅变化提取调制信号的过程；对调频波，是从它的频率变化提取调制信号的过程；对调相波，是从它的相位变化提取调制信号的过程。5）狭义的检波是指从调幅波的包络提取调制信号的过程。有时把这种检波称为包络检波或幅度检波。这种检波的原理：先让调幅波经过检波器（通常是晶体二极管），从而得到依调幅波包络变化的脉动电流，再经过一个低通滤波器滤去高频成分，就得到反映调幅波包络的调制信号。4 鉴相器的工作原理鉴相器，就是指鉴别相位的射频器件，又叫相位比较器，是输入信号、反馈信号之间的相位差与其输出电压有确定关系的电路，鉴相器是锁相环的基本部件之一，也用于调频和调相信号的解调。鉴相器的功能就像一个相位监察机构，发现输入信号和反馈信号的相位差别，然后通过合理的方式表示出这个差别，这个表现形式就是电压。表示相位差和输出电压确定关系的函数称为鉴相特性。鉴相器的功能就像一个相位监察机构，发现输入信号和反馈信号的相位差别，然后通过合理的方式表示出这个差别，这个表现形式就是电压。表示相位差和输出电压确定关系的函数称为鉴相特性。鉴相器是锁相环的基本部件之一。鉴相器特性用 ud（t）=kdfe（t）表示。式中kd为鉴相器的增益系数；e（t）=1（t）2（t），表示两个输入信号之间的相位差。函数f.表示鉴相特性，它反映鉴相器的输出电压 ud（t）与相位差的关系。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。5 锁相环的工作原理基本锁相环是由鉴相器（ phase detector ）、环路滤波器（ loop filter ）和压控振荡器（ voltage control oscillator,VCO ）组成的一种相位负反馈系统，鉴相器的输出信号v D (t) 是输入信号 v i (t) 和振荡器输出信号 v o (t) 的相位差，该误差电压信号通过环路滤波器滤除高频分量和噪声后，输出低频信号 v C (t) 作为CO 的控制信号。在控制电压 v C (t) 作用下， VCO 输出信号 v o (t) 的频率发生变化并反馈到鉴相器。锁相环的工作原理：1.压控振荡器的输出经过采集并分频；2.和基准信号同时输入鉴相器；3.鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压；4.控制VCO，使它的频率改变；5.这样经过一个很短的时间，VCO的输出就会稳定于某一期望值。锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时，uR和uv同时加到鉴相器进行鉴相。如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv=fR，环路锁定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时就称环路已被锁定。6 YIG调谐器的工作原理YIG调谐谐波发生器是用来产生具有等间隔分立频谱的多谐波发生器。由于它产生的各次谐波间的间隔恒等于基波频率,因而它在无线电技术的各个领域中得到了广泛地应用。在频率合成技术中,用晶体振荡器产生高稳定度的信号,放大后激励YIG调谐谐波发生器,产生频率合成器所必需的微波频段的标准频率信号,因而它是频率