第二章高频电路基础

1、高频电子线路高频电子线路 武汉工程大学电气信息学院 2016年9月 主讲：郑宽磊主讲：郑宽磊 电话：电话第二章 高频电路基础 2.1无源器件与模型 2.2有源器件与模型 2.3传输线与微带线 2.4Y参数与S参数 2.5噪声与噪声系数 主要内容主要内容 第二章 高频电路基础 引子 1、高频电路与低频电路中元器件的频率特性是不同的。 在低频呈现的集总器件 在高频时呈现分布参数 2、无线通信电路中，器件的物理结构都尽可能的小， 从而使得器件的有效工作频率随尺寸的减小而升高， 如表面贴器件。 3、高频电路由无源元件和有源器件组成。 有源器件：具有电流控制能力的器件。如电子管

2、、 三极管、场效应管、晶闸管、可控硅等。 无源器件：导线、电阻、电容、电感，以及二极二极 管管等。 第二章 高频电路基础 2.1.1 导线导线 1、导线包括裸铜线、镀银(金)线、漆包线、塑包线、纱包线 等，用于传输信号。 2、趋肤效应 图2-1 趋肤效应示意图 2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础 2.1.1 导线导线 图2-2 趋肤 深度与工作 频率的关系 2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础 2.1.2 电阻器 LR为电阻的引线电感; CR为分布电容 2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础 2.1.3 电容器 2.1无源器件与模型无

3、源器件与模型 第二章 高频电路基础 电容标定：1MHz；rc为损耗电阻；Lc为引线电感 电容的品质因数Qc为 cc QCr 一个周期内电容的储能 一个周期内消耗的能量 式中：为工作频率 C为电容值 rc为电容的总损耗电阻。 2.1.3 电容器 2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础 2.1.4 电感器 为磁芯损耗的等效电阻 为绕组间的分布电容 为电感绕组的交流电阻 Lb r L C La r 2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础 2.1.4 电感器 2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础 2.1.4 电感器 电感的品质因数QL为 L L

4、L Q r 一个周期内电感的储能 一个周期内消耗的能量 采用漆包线绕制 (1840 )Ldl N d 绕制环形线圈 L 100 L N A L 1 000 L N A (铁粉磁芯) (铁氧体磁芯) 2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础 2.1.5 铁氧体磁珠 2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础 2.1.6 高频二极管 应用:检波、调制、解调以及混频等 非线性变换电路中, 工作在低电平。 1高频二极管模型 Rd：二极管耗损电阻 VD：内部PN结电压 ID：直流导通电流 Cd：正向偏置时的扩散电容 Cj：反向偏置时的势垒电容势垒电容： 0 1 r jj D

5、 u CC V 2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础 DD DDT d d dTT dIIQ C VdVV 0 1 r jj D u CC V 反向工作时，结电容以势垒电容Cj为主，其大小 与外加反向电压ur的关系： 正向工作时，结电容以扩散电容为主，其大小 与二极管电流有关： 2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管 第二章 高频电路基础 2高频二极管应用 1)检波二极管检波二极管 检波检波(也称幅度解调幅度解调)二极管是利用二极管单向导电 性将高频或中频无线电信号中的幅度信息(如音频信号) 取出来； 广泛应用于半导体收音机、电视机及通信设备等 小信号电

6、路中，其工作频率较高，但处理信号时无增益。 通常选用锗半导体材料制成的点接触型二极管， 其接触面积小，虽然不能通过大的电流，且结电容小， 但具有工作频率高和反向电流小等特点。 常用的检波二极管有2AP系列、1N34/A、1N60等。 2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管 第二章 高频电路基础 2高频二极管应用 2)2)混频二极管混频二极管 混频混频是将两个不同频率的信号(如接收射频信号和 本地振荡信号)通过非线性处理获得两频率之差的信号 (简称差频)、或两频率之和的信号(简称和频)的过程。 混频二极管是一种肖特基势垒二极管。 与一般二极管相比，混频二极管具有工作频率高、

7、噪声低、反向电流小、结电容小等特点。在大信号工 作时，为开关工作状态，可获得较大的动态范围，广 泛应用于高频与微波电路中。 2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管 第二章 高频电路基础 2高频二极管应用 3)3)晶体二极管晶体二极管 又称为PIN二极管，是由在P型和N型半导体材料之 间掺入一薄层低掺杂的本征半导体层组成，为一种静态 结电容很小、用于高频开关和高频保护的特殊二极管。 当工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存 储效应和本征层中渡越时间效应，该二极管失去整流功 能而变为阻抗器件，并且其阻抗值随偏置电压变化而变。 当直流正向偏置时，本征区的阻抗很小，为导通状

8、 态，作为可变阻抗元件使用； 反向偏置时，本征区为高阻抗状态，呈开路状态。 常用于高频开关、移相、调制、限幅等电路中，作 为开关和衰减器使用。 2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管 第二章 高频电路基础 2高频二极管应用 3)3)晶体二极管晶体二极管 2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管 第二章 高频电路基础 2高频二极管应用 4) 4) 变容二极管变容二极管 0 1 r jj D u CC V 2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管 常用于调谐回路、振荡电路 和锁相环路，实现自动频率控 制、扫描振荡、调频和调谐等， 如电视机高频

9、头的频道转换和 调谐电路 第二章 高频电路基础 2高频二极管应用 5) 隧道二极管 隧道二极管(Tunnel diode)是采用砷化镓(GaAs)和锑化镓(GaSb) 等材料混合、在重掺杂 N型(或 P型)的半导体片上用快速合金工 艺形成高掺杂的PN结而制成的，PN结的耗尽层非常薄，使电子 能够直接从N型层穿透PN结势垒进入P型层，称为隧道结。 隧道二极管的正向电流电压特性具有负阻特性 2.1.6 高频二极管 2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础 1高频三极管 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.1 高频三极管 在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和各种场效应管，

10、 这些管子比用于低频的管子性能更好, 在外形结构方面也有所 不同。 高频晶体管有两大类型: 一类是作小信号放大小信号放大的高频小功率 管, 对它们的主要要求是高增益,和低噪声; 另一类为高频功率高频功率 放大管放大管, 除了增益外, 要求其在高频有较大的输出功率。 晶体管的电流放大系数随工作频率的升高而下降，当下 降为1时，对应的工作频率称为特征频率fT，根据特征频率fT 的不同可以分为： 低频管： fT 3MHz 高频管： fT 30MHz 第二章 高频电路基础 2.高频三极管的主要参数高频三极管的主要参数 包括：电流放大倍数、反向电流参数、频率参数和极限参数。 电流放大倍数： 共发射极电流

11、放大倍数 (或 ) 共基极电流放大倍数 fe h 在高频放电路中，三极管的 值一般选用3080， 其值太小，放大作用差；反之，工作性能不稳定。 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.1 高频三极管 第二章 高频电路基础 2.高频三极管的主要参数高频三极管的主要参数 极间反向电流： 集-基反向饱和电流 穿透电流 集-基反向饱和电流 为发射极开路时，在集电极与基极 之间的反向电压所对应的反向电流，为少子载流子形成的漂 移电流，是三极管工作不稳定的主要因素。 穿透电流 是基极开路，集电极与发射极之间的反向电压 形成的集电极电流，与 一样，易受温度影响。 CBO I CEO I CBO I C

12、BO I CEO I 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.1 高频三极管 包括：电流放大倍数、反向电流参数、频率参数和极限参数。 第二章 高频电路基础 2.高频三极管的主要参数高频三极管的主要参数 包括：电流放大倍数、反向电流参数、频率参数和极限参数。 频 率 参 数 三极管的频率参数反映了三极管的电流放大能力与工 作频率关系的参数，包括共射极截止频率 和特征频率 f T f 当 下降到中频段0.707倍时，所对应的频率称为共射极 截止频率 。 当三极管的 下降到 时所对应的频率，称为特征 频率 。 f 1 T f T T fff ffff ff 与频率 无关，近似常数 随频率 增大

13、而线性下降 没有放大功能，甚至不能振荡 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.1 高频三极管 第二章 高频电路基础 2.高频三极管的主要参数高频三极管的主要参数 包括：电流放大倍数、反向电流参数、频率参数和极限参数。 极限参数： CM P CM I CBO BVCEO BV 最大允许集电极耗散功率 最大允许集电极电流 反向击穿电压 、 0 0.2 CMm PP 选取的原则： 工作电压应小于击穿电压的(1213) 尽量选择反向电流小、结电容小的三极管 电压放大，需要 、 高。 T f 功率放大，需要注意： T f CM P CBO BV CEO BV 2.2 有源器件与模型有源器件与模型

14、 2.2.1 高频三极管 第二章 高频电路基础 3.基区宽度调制效应基区宽度调制效应 又称为厄尔利(Early)效应，在三极管共射放大时，集电 结上的反偏电压变化，集电结的势垒厚度也随着变化，引起 基区宽度发生变化，从而引起三极管输入特性曲线、输出特 性曲线的变化。 图 NPN三极管少数载流子的浓度分布 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.1 高频三极管 第二章 高频电路基础 3.基区宽度调制效应基区宽度调制效应 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.1 高频三极管 对NPN三极管发射结处于正向偏置 高浓度的发射区提供多数载流子(电子) 扩散到基区，其浓 度分布如图中的曲线

15、基区的起始少数载流子(电子)浓度为 0 exp() BE pp T u nn V (0)= 当集电结反向偏置时， C EC E S uV 靠近集电结一侧的基区少数载流子浓度为 0 exp()0 BC pBp T u nn V (W )= 第二章 高频电路基础 3.基区宽度调制效应基区宽度调制效应 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.1 高频三极管 对应的基区少数载流子的浓度分布如曲线，其梯度对应于 集电极电流 C I exp() BE Cs T u I V =I 显然，集电极电流 与集电极电压 无关，到达基区 靠集电结一侧的电子都会进入集电区，形成集电极电流， 其多数载流子的浓度分布

16、如图的曲线。 C I CB U 第二章 高频电路基础 NPN三极管少数载流子的浓度分布 第二章 高频电路基础 3.基区宽度调制效应基区宽度调制效应 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.1 高频三极管 CE u0 BC u 在饱和工作式，当 减小时，由于 ，集电极正向 偏置，集电结变窄，基区变宽，从发射区扩散到基区的载流 子(电子)由于集电结正向偏置而积聚在基区，基区靠近集电 结的基区少数载流子浓度也不再为零，且有所提高，浓度分 布如图2-13的曲线， C 0 exp() B pp T u nn V = 因此，集电区的多数载流子的浓度分布如图2-13的曲线所 示，基区少数载流子的密度梯

17、度下降，所对应于集电极电流 也有所减小，为 C I exp-1)exp-1) SBCBE CS TRT Iuu I VV =I（ B I 第二章 高频电路基础 3.基区宽度调制效应基区宽度调制效应 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.1 高频三极管 式中，第一项为发射结正向偏置的结果，第二项为集电结 正向偏置的结果。 当 后，第二项的作用明显，而导致集电极电流 减小 -0.4V BC u C I 当 时，基极电流的主要成分仍是基区复合电流， CEces uV 当 增大时， 增大，基区宽带 变窄，复合电流 减小，对应基极电流 下降； 当 减小时，基区变宽，复合电流增大，对应基极电流 也

18、增大。 CE u CE u CB u B W B I B I 第二章 高频电路基础 4. 密勒效应密勒效应 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.1 高频三极管 在三极管组成的反相反相放大电路中，若在输入与 输出之间跨接电容，或之间存在分布电容或寄生电 容C，由于放大器的放大作用，可将其等效到输入 端和输出端，对应的输入端电容为(1+ ) MV CA C 输出端电容为 (1+) M V C C A 由于放大器的输出一般为低阻抗，输出电容的 影响可以忽略，但输入阻抗由于电容的密勒效应而 减小，甚至可能变为负阻抗引起放大器自激。 第二章 高频电路基础 特点：特点：场效应管为电压电压控制电流

19、型器件，具有高输入 阻抗、低功耗的优点。按结构分为MOS和JFET两类， 其中MOS管又分为CMOS和DMOS。 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.2 高频场效应管 基本MOS 管的模型 1、MOS管的模型 第二章 高频电路基础 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.2 高频场效应管 简化的MOSFET模型 o S S S issgsgd ssgdds rssgd CCCD CCCG CCG 、 短接 、 短接 、 短接 第二章 高频电路基础 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.2 高频场效应管 2. DMOS管技术管技术 与CMOS器件结构类似，具有源、漏、栅等

20、电极，但其漏端 击穿电压高 分为：垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管VDMOSFET 横向双扩散金属氧化物半导体场效应管LDMOSFET 主要技术指标有：导通电阻、阈值电压、击穿电压等。 优点：高电流驱动能力、低导通电阻（Rds）和高击穿 电压 应用：大电流控制或功率放大 第二章 高频电路基础 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.2 高频场效应管 VDMOS管技术管技术 优点：兼有双极晶体 管和普通MOS器件的优 点，开关速度快、损耗 小，输入阻抗高、驱动 功率小，频率特性好， 跨导高度线性，安全工 作区大。 应用：应用：电机调速、逆 变器、不间断电源、开 关电源、电子开关、高 保真

21、音响、LED照明汽 车电器和电子镇流器等 低频功率控制场合。 第二章 高频电路基础 2.2 有源器件与模型有源器件与模型 2.2.2 高频场效应管 LDMOS管技术管技术 LDMOS是一种双扩散结构的功率器件，与CMOS工艺兼容， 能够承受更高的电压。 LDMOS管具有较好的负温度系数特性，互调电平低、近似 常数，在小信号放大时近似线性，几乎没有交调失真。 与双极型晶体管相比，LDMOS管具有更高的增益，可达 14dB以上。 采用LDMOS管的功率放大器的增益可达60dB，LDMOS具 有极高的瞬时峰值功率，可承受住高驻波比的过激励信号。 因此，LDMOS具有较高的热稳定性和频率稳定性、更高的

22、 增益和更低的噪音，更好的IMD性能和更佳的AGC能力。 LDMOS器件特别适用于CDMA、W-CDMA等宽频率范围射 频功率电路。 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 电磁波既可以通过自由空间传播，又可以通过导 线传播，传播速度为光速，无线电波频率越高，波长 越短。在低频工作时，实际电路的外形尺寸与无线电 波的波长相比，满足 ，可以忽略电磁波沿线 传播所需的时间，即不计滞后效应，可以按集总参数 的电路描述。 l 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 但在有线通信有线通信或电力传输电力传输中，传输线的长度与 信号波长相当或大于波长，电磁波的滞后效应

23、不可 忽略，沿线传播的电磁波不仅是时间时间的函数，还是 空间空间坐标坐标的函数，必须采用分布参数电路描述，如 同轴电缆、电力传输线； 在高频工作时，由于波长短，甚至小于元件尺寸， 此时也不能采用集总电路分析。通常，当电缆或电 线的长度大于波长的1/7时，就作为传输线传输线处理；传 输线主要结构有平行双导线平行双导线、平行多导线平行多导线、同轴线同轴线、 带状线带状线，以及工作于准TEM模(即横电磁波，在传播 方向上没有电场和磁场分量)的微带线微带线等，它们都可 借助简单的双导线模型进行电路分析。 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.1 2.3.1 传输线模型传输

24、线模型 1 1传输线基本组成与模型传输线基本组成与模型 传输线作为二端口元件，其端口输入电流与输出电流相等。 传输线与参考平面间由于电场的建立，在传输线上产生电流I， 如果输出电压为U，则电磁波传输过程中，传输线等效为一个 电阻U/I，称为传输线的特性阻抗ZC。 下以均匀传输线均匀传输线(传输线上每一点的输入阻抗相等)为例，推 导一节模型的特性阻抗ZC 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.1 2.3.1 传输线模型传输线模型 2 2特性阻抗特性阻抗 00 00 00 (j) j (j) c c c Z GC ZRL ZGC 对应有 2000000 00 0000

25、 jjj1 (j)4 22jj c RLRLRL ZRL GCGC 当工作频率大于100kHz 时，可忽略R0和G0，特性 阻抗为 0 0 c L Z C 当工作频率小于1kHz时， 可忽略L0和C0，特性阻抗为 0 0 c R Z G R0两根导线每单位长度的电阻。 L0两根导线每单位长度的电感。 C0每单位长度导线之间的分布电容。 G0每单位长度导线之间的电导。 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.1 2.3.1 传输线模型传输线模型 3 3行波与驻波行波与驻波 行波：电磁波在传输线上向前传输。 反射波：传输线上的特性阻抗发生变化时,沿传输线反向传输。 驻波

26、：在传输线上同时存在行波和反射波，若两列波的频率、 幅度相等，相位相反，则两列波迭加后的波形并不向前推进， 故称驻波，各处的振幅稳定不变。 波节：驻波中振幅为零的地方 波腹：驻波中振幅最大的地方 行驻波：若两列波的频率相等，相位相反，但幅度不等，则两 列波迭加后，形成行驻波（两个方向） 反射系数:行驻波的振幅的大小与反射波的强度有关，常用反 射系数和驻波比表示。 驻波系数：波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 设两列相干波，分别沿x 轴正、反两个 方向传播： 1 2 2 cos() 2 cos() yAtx yAtx 其合成波称为驻

27、波，表达 式为（不具有传播的特征） 22 cos()cos() 2 2 coscos y AtxAtx Axt （简谐振动，但幅度与位置有关） 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.1 2.3.1 传输线模型传输线模型 3 3行波与驻波行波与驻波 当传输线终端接入负载时，若负载ZL不等于特性阻抗时， 电磁波就将在终端产生不同程度的反射，则反射系数为 jLC LC ZZ e ZZ 当特性阻抗ZC与负载阻抗ZL相等时，0 入射波全部被负载吸收而无反射，称为匹配负载匹配负载 当终端短路，即ZL=0时， =1，入射波被负载全部反射。 驻波比为驻波电场最大值和电场最小值之比

28、，常用于 描述传输线阻抗匹配的情况，驻波比与反射系数之间 的关系应为 1 1 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 3 3行波与驻波行波与驻波 = 01 = 1 0 1 1 在负载匹配情况下有： 传输线上传输的是“行波”； 传输线上传输的是“纯驻波”； 传输线上传播的是“行驻波”。 而在负载短路情况下有： 在其它任意负载下， 2.3.1 2.3.1 传输线模型传输线模型 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.1 2.3.1 传输线模型传输线模型 4 4传输线的终端特性传输线的终端特性 对于一段传输线而言，每一点的输入阻抗不等，既与特性 阻抗有

29、关，又与位置有关，也就是跟传输线的长度有关。下面 考察三种特殊情形下传输线的输入阻抗。 c Z cin ZZ )coth( lZZ cin )tanh( lZZ cin 00 Z Y 1终端接 时，则沿传输线任何一点向终点看去的输 入阻抗为： 2终端开路时， 3终端短路时， 式中， 为传播常数，l为传输线长度。 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.1 2.3.1 传输线模型传输线模型 4 4传输线的终端特性传输线的终端特性 终端开路、终端短路传输线的特性 终端开路ZL终端短路ZL0 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.2 2.3.

30、2 高频变压器高频变压器 变压器分类：高频变压器 中频变压器 低频变压器 脉冲变压器 收音机的磁性天线耦合提取电 磁波感应信号，为高频变压器 收音机的中频放大级使用中频变 压器进行信号滤波与传递，俗称 “中周” 电源变压器等实现电压转换 电视机的行输出变压器，也称“高 压包”，为脉冲变压器，输出非正 弦波形。 高频变压器的工作频率在几十MHz以下，具有电压变换、电 流变换、传递功率、阻抗匹配、阻抗变换等功能。与低频变压 器相比，高频变压器在磁性材料、变压器结构等方面有所不同。 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.2 2.3.2 高频变压器高频变压器 1高频导磁材

31、料高频导磁材料 铁氧体磁性材料按其晶体结构可分为尖晶石型(MFe2O4)、 石榴石型(R3Fe5O12)、磁铅石型(MFe12O19)和钙钛矿型(MFeO3)， 按铁氧体的用途不同，又可分为软磁、硬磁、旋磁、 矩磁和压磁等几类，可用于制造能量转换、传输和信息存 储的各种功能器件。 以锰锌软磁铁氧体MnZnFe2O4和镍锌软磁铁氧体Ni ZnFeO4为代表的软磁铁氧体，矫顽力小，易磁化，在高频 条件下具有高磁导率、高电阻率和低损耗的特点，其温度 特性、频率特性稳定，是高频大功率器件的首选材料。 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.2 2.3.2 高频变压器高频变压

32、器 1高频导磁材料高频导磁材料 锰锌铁氧体(MX系列)的初始导磁率i约为40010 000， 工作频率从几千至500 kHz，镍锌铁氧体(NX系列)的初始 导磁率i约10至1 500，工作频率约从500kHz至几百MHz。 如工作在1.6MHz以下的中波段收音机，其接收天线所 采用的磁棒一般选用初始导磁率为400的MX型锰锌铁氧体 磁芯，短波段收音机的接收天线所采用的磁棒一般选用初 始导磁率为60或40的NX型镍锌铁氧体磁芯，其初始导磁 率较小，在高频工作下损耗也很小，能在频率较高的短波 工作。 因此，软磁铁氧体广泛应用于短波、超短波短波、超短波无线通信 系统中，如功率分配、功率合成、阻抗变换

33、、功率输出以功率分配、功率合成、阻抗变换、功率输出以 及接收天线及接收天线等。 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.2 2.3.2 高频变压器高频变压器 2高频变压器的磁芯结构高频变压器的磁芯结构 常见的几种磁芯 第二章 高频电路基础 E形磁芯的截面均为方形(或圆形)，常用于低频的 普通变压器，如电源变压器。罐形磁芯空间利用率高， 屏蔽性能好，漏磁和分布电容小，且电感易调节，适 合高频变压器和电感元件等。 U形磁芯的截面积一致，可作输出扼流圈、输入 滤波器、开关电源变压器及高频镇流器等。 环形磁芯可适用于不同频段，磁导率规格广，可 用于宽频变压器宽频变压器和传输

34、线变压器传输线变压器，如电源滤波器、共 模抑制滤波器和中继器等。 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.2 2.3.2 高频变压器高频变压器 2高频变压器的磁芯结构高频变压器的磁芯结构 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.2 2.3.2 高频变压器高频变压器 3高频变压器的等效电路高频变压器的等效电路 R1、R2为初、次级绕组的电阻，C1、 C2为初、次级绕组的分布电容，L1、 L2代表初、次级的漏电感，Tr为没有 分布参数的理想变压器。 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.3 2.3.3 传输线变压器传输线变压器 1传输

35、线变压器的结构及其工作模式传输线变压器的结构及其工作模式 传输线变压器就是利用绕制在磁环上的传输线而构成的 高频变压器。传输线变压器可以看作双线并绕的1:1变压器， 也可看做绕在磁环上的传输线。所以它有变压器变压器方式和传输传输 线线两种工作方式，取决于激励形式。 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.3 2.3.3 传输线变压器传输线变压器 2阻抗转换阻抗转换 首先，考虑传输线模式， 传输线1-2和3-4上的电流大 小相等，方向相反，其大小 为I，如图示，负载RL上的 电流为2I、电压为U24。 其次，考虑变压器模式， 有U12=U34 由于2端与3端短接，则

36、U1=U12+U34=2U34=2U24 该电路的输入阻抗为 12424 24 4 2 inL UUU ZR III 即为4:1的传输线变压器 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.3 2.3.3 传输线变压器传输线变压器 2阻抗转换阻抗转换 9:1传输线变压器 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.3 2.3.3 传输线变压器传输线变压器 3平衡结构转换平衡结构转换 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.4 2.3.4 微带传输线原理 微带传输线分为带状线和微带线两种结构，均用于印刷电 路板(PCB)设

37、计。 1. 微带线微带线 主要参数：特性阻抗、衰减 常数、延迟时间、单位长度 的电感与电容等 特性阻抗特性阻抗 875.98h ln 0.81.41 c r Z w t （ ） 传输延迟传输延迟 PD 1.017 0.4570.67(ns/ft) r t 微带线是一根带状导线，通过电介质 与地平面隔离,可有效传输高频信号， 同时还可以与电感、电容等构成一个 匹配网络，是一种平面传输线 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.4 2.3.4 微带传输线原理 2. 带状线带状线 主要参数：特性阻抗、衰减 常数、延迟时间、单位长度 的电感与电容等。 特性阻抗特性阻抗 带状

38、线是处于两层导电平面之 间的电介质中间的铜带线 604h ln 0.67 (0.8) c r Z wt （ ） 第二章 高频电路基础 2.3 传输线与微带线传输线与微带线 2.3.4 2.3.4 微带传输线原理 微带传输线在PCB板中的应用 第二章 高频电路基础 第二章 高频电路基础 2.4 Y参数与参数与S参数参数 晶体管在高频线性运用时常采用两种等效电路进行分析晶体管在高频线性运用时常采用两种等效电路进行分析, 一是一是混合混合型等效电路型等效电路, 一是一是参数等效电路参数等效电路。 2.4.1 晶体管混合混合型型等效电路 前者是从模拟晶体管的前者是从模拟晶体管的物理机构物理机构出发出发

39、, 用集中参数元件、用集中参数元件、L、 和受控源来表示管内的复杂关系。优点是各元件参数物理意和受控源来表示管内的复杂关系。优点是各元件参数物理意 义明确义明确, 在较宽的频带内元件值基本上与频率无关。缺点是随在较宽的频带内元件值基本上与频率无关。缺点是随 器件不同而有不少差别器件不同而有不少差别, 分析和测量不方便。因而混合分析和测量不方便。因而混合型等效型等效 电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。 e b r ce rbc ree Cbe Cbc rbb rbe c rcc b gm vbe 第二章 高频电路基础 2.4 Y参数与参数与S参数参数 2

40、.4.1 晶体管混合混合型型等效电路 (1)基极体电阻 ：5100。rbb 较小时，三极管可获得高增 益和低噪声特性。 bb r (2)发射结发射结电阻电阻rbe：5002000，rbe= T e E V r I (3)发射结电容 ：100500 b e C pF (4)集电结电阻集电结电阻 ：25M(可忽略可忽略) b c r (5)集电结电容 ：0.55 pF，为内部反馈元件，严重 影响放大器的性能指标。 b c C (6)受控电流源gmVbe：表征晶体管的放大作用， e 1 m b e g rr (7)集集射极电阻射极电阻rce：10100k(可忽略可忽略) (8)集集射极电容射极电容C

41、ce：210pF(可忽略可忽略) 第二章 高频电路基础 2.4.1 晶体管混合混合型型等效电路 2.4 Y参数与参数与S参数参数 b rbb gmVbe b gbc Cbc Cbe c e 混合混合 等效电路的简化：等效电路的简化： rbc与Cbc引起的容抗相比rbc可视为 开路。 rbe与Cbe引起的容抗相比，rbe可以 忽略（视为开路） rce与回路负载比较，可视为开路。 第二章 高频电路基础 参数法则是从参数法则是从测量和使用测量和使用的角度出发的角度出发, 把晶体管作为一把晶体管作为一 个有源线性双口网络个有源线性双口网络, 用一组网络参数构成其等效电路。优点用一组网络参数构成其等效电

42、路。优点 是导出的表达式具有普遍意义是导出的表达式具有普遍意义, 分析和测量方便。分析和测量方便。 缺点是网缺点是网 络参数与频率有关。由于高频小信号谐振放大器络参数与频率有关。由于高频小信号谐振放大器相对频带较相对频带较 窄窄, 一般仅需考虑一般仅需考虑谐振频率附近谐振频率附近的特性的特性, 因而采用这种分析方因而采用这种分析方 法较合适。法较合适。 2.4 Y参数与参数与S参数参数 2.4.2 晶体管Y参数参数等效电路 第二章 高频电路基础 bieb erec e cfeb eo ec e IYVYV IYVYV & & 式中， ce b ie 0 be |V I Y V & & & 称为

43、共射电路输出短路时的输入导纳； be c oe 0 ce |V I Y V & & & 称为共射电路输入短路时的输出导纳； ce c fe 0 b e |V I Y V & & & 称为共射电路输出短路时的正向传输导纳； be b re 0 ce |V I Y V & & & 称为共射电路输入短路时的反向传输导纳。 2.4.2 晶体管Y参数参数等效电路 2.4 Y参数与参数与S参数参数 第二章 高频电路基础 0 ce b ie U be I Y U & & & ieie jCg 0 be c oe U ce I Y U & & & oeoe jCg yieyoe yreuce yfeube C

44、ie gie goe Coe 2.4 Y参数与参数与S参数参数 Y Y参数和参数和混合混合 参数的关系参数的关系 第二章 高频电路基础 2.4 Y参数与参数与S参数参数 Y Y参数参数和和混合混合 参数参数的关系的关系 0 0 0 0 1 1 1 1 ce be fe ce re be bbe ieieie U bebe bb cbe bbm oebcoeoe U cebe bb j cm fefe U bebe bb j bbc rere U cebe bb Ij C Ygj C Uj Cr Ij C r g Yj Cgj C Uj Cr Ig YYe Uj Cr Ij C YYe Uj C

45、r & & & & & & & & & & & & 输入导纳 输出导纳 转移导纳 转移导纳 可以看出，这四个参数都是复数。 fem Yg reb c jYC oeceb c jYgC iebeb eb c jYg( CC) )( 1 cbeb bb CC r )(2 cbeb m T CC g ff 第二章 高频电路基础 特别说明： (1) Y参数不仅与晶体管的静态工作点有关，而且与工作频率 有关，不过当放大器工作在窄带时，Y参数变化不大，可近似 看作常数； (2) 以后如无特别说明，高频小信号放大器均工作在窄带， 晶体管一律用Y参数等效。 显然, 在高频工作时由于晶体管结电容不可忽略, 参数

46、是一 个复数。晶体管参数中输入导纳和输出导纳通常可写成用电电 导和电容导和电容表示的直角坐标直角坐标形式, 而正向传输导纳和反向传输导 纳通常可写成极坐标极坐标形式 Y Y参数参数和和混合混合 参数参数的关系的关系 2.4 Y参数与参数与S参数参数 第二章 高频电路基础 第二章 高频电路基础 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 1. S参数定义参数定义 S参数主要用于高频小信号线性电路中 2.4 Y参数与参数与S参数参数 第二章 高频电路基础 1. S参数定义参数定义 2 2 1 1 1 110 1 2 210 1 2 220 2 1 120 2 1 1 1 1 1 i i i i r

47、u i r u i r u i r u i u S u u S u u S u u S u 端口 返回的信号幅度 端口 输入的信号幅度 端口2正向传输的信号幅度 端口 输入的信号幅度 端口2返回的信号幅度 端口2输入的信号幅度 端口 返回的信号幅度 端口 输入的信号幅度 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 第二章 高频电路基础 1. S参数定义参数定义 1 1 S 为端口1的反射系数()，通常被称为回波损耗(RL) S22为端口2的反射系数 S12为端口2到端口1的反向增益 S21为端口1到端口2的正向增益，也称为插入损耗。 对于互易网络，有：S12=S

48、21； 对于对称网络，有：S11=S22； 对于无耗网络，有：(S11)2+(S12)2=1 。 如果以端口1作为信号的输入端口，端口2作为信号的输出端口， 则回波损耗S11越小越好，通常要求小于0.1；而插入损耗S21表征 传输的效率，其值越大越好，理想值是1。 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 第二章 高频电路基础 2. S参数参数测量测量 正向S参数测试设置 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 第二章 高频电路基础 2. S参数参数测量测量 根据正向测试图，可以获得正向S参数 11 21 B BA A C

49、CA A V S V V S V 将图中的信号源与负载交换位置，其他电路不变，可以获 得三极管的反向S参数 22 12 C CD D B BD D V S V V S V 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 第二章 高频电路基础 3S参数与其他双端口参数的关系参数与其他双端口参数的关系 双端口参数有Z、Y、H参数等，与S参数的关系分别为 1 1 1 ( )( ) ( )( ) ( )( ) C C CC ZZSEES YYESES SYEYYEY 2.4 Y参数与参数与S参数参数 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 第二章 高频电路基础 2.4 Y

50、参数与参数与S参数参数 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 4Smith图图 Smith图用于工程设计，可直接获得相关参数，如Z-smith 图、Y-smith图和S-Smith图等。 以传输线与负载情况为例，特性阻抗 ，负载为50 C Z L Z 则反射系数为 0 0000 0 L jL ri L ZZ je ZZ 第二章 高频电路基础 4Smith图图 例：(a) ZL=0，终端短路， (b)ZL=，终端开路， (c) ZL=50，终端匹配， (d) ) ZL=(16.67-j16.67) (e) ) ZL=(50+j50)， 0 =-1 0 =1 0 =0 0=0.54 221 o

51、 0=0.83 34 o 复 平面极坐标如图 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 第二章 高频电路基础 4Smith图图(反射系数的smith图) 考虑传输线长为d，其反射系数(d)为 2 2 0 ( ) L jd j ri deej 其输入阻抗Zin为 1() 1() inC d Z d （ d） =Z 归一化输入阻抗zin为 ( )1 1 inri in Cri Z dj zrjx Zj 2.4 Y参数与参数与S参数参数 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 第二章 高频电路基础 222 222 1 (-)() 11 11 (-1)()( ) r

52、i ri r rr xx 坐标 与 的映射关系为两个圆。（ r,x） (,) ri 圆 在横轴上，圆 对应一段弧。(, 0) 1 r r 1 (1,) x 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 4Smith图图(反射系数的smith图) 第二章 高频电路基础 4Smith图图(反射系数的smith图) 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 第二章 高频电路基础 4Smith图图(反射系数的smith图) 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 例，某负载 接入传输线，特征阻抗 ， 工

53、作在2GHz频率上，若传输线长2cm，相速为光速的一半。试用 反射系数的概念分析输入阻抗。 解 利用反射系数分析阻抗，通常采用六步法计算，也可采用 Smith图解法，为了比较两种计算方法，现将他们的计算过程列 入表所示，作图的步骤如图所示。 =30+j60 L Z（ ）50 C Z 方法1：公式计算法 1）负载反射系数： 0= 0.20.6 LC LC ZZ j ZZ 第二章 高频电路基础 4Smith图图(反射系数的smith图) 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 2）传输线相移 2 2191.99 0.5 o d 3）输入端反射系数 2 2 0 0

54、.320.55 jd ri ejj 4）输入阻抗 0 1 =Z14.726.7 1 in Zrjxj （ ） 第二章 高频电路基础 4Smith图图(反射系数的smith图) 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 方法2：Smith圆图分析法 1）归一化负载阻抗 0.61.2 L L C Z zj Z 2）在Smith圆图上，找r=0.6的圆和x=1.2的弧，其交点为 L z 3）连接圆和 ，得到 L z 0 4）传输线相移 2 2191.99 0.5 o d 5）以 为半径画圆， 顺时针移动相位 ，得到 ，对 应的 L z 0 0.30.53 in zj

55、 6）去归一化，得到输入阻抗1526.5 in Zj 第二章 高频电路基础 4Smith图图(反射系数的smith图) 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 Smith圆图输入电阻的计算 第二章 高频电路基础 5三极管三极管S参数参数 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 NPN NXP BFG- 425W宽带晶体管的 典型S参数 第二章 高频电路基础 频率 (GHz) 模值角度模值角度模值角度模值角度 0.0400.950-1.9273.575177.7290.00383.5370.996-1.116 0.1000.

56、954-5.3093.518175.2470.00787.0570.996-3.082 0.2000.951-10.5173.504170.4410.01482.3410.991-6.343 0.3000.947-15.8913.496166.5340.02078.6810.988-9.405 0.4000.941-20.9873.493161.2210.02775.1090.982-12.576 0.5000.935-26.2973.476156.5310.03371.2540.974-15.593 0.6000.928-31.5083.433151.9540.04067.6360.965-

57、18.605 0.7000.919-36.6693.384147.5150.04663.8750.954-21.674 0.8000.910-41.8713.350143.1520.05160.3570.943-24.600 0.9000.898-46.9483.317138.8010.05756.9290.930-27.559 1.0000.886-52.1613.272134.3090.06253.4880.916-30.396 1.1000.874-57.1813.223130.1140.06750.1810.903-33.098 1.2000.861-62.2183.171125.83

58、70.07146.9550.888-35.859 1.3000.849-67.1543.119121.7860.07543.7910.873-38.531 1.4000.835-72.1573.072117.6820.07940.6310.857-41.151 5三极管三极管S参数参数 2.4.4 S参数与三极管的Smith图 2.4 Y参数与参数与S参数参数 11 S 21 S 12 S 22 S 2 ,1 cec VV ImA偏置条件 第二章 高频电路基础 第二章 高频电路基础 2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 1、噪声是对电子系统造成影响的干扰信号总称。 2、有确定来源、有规律的无用

59、信号称为干扰干扰，如 50 Hz的电源干扰、工业干扰、天电干扰等； 3、而电子线路中内部某些元器件产生的随机起伏 的电信号称为噪声噪声，如电阻热噪声、天线热噪声、 有源半导体器件的噪声等。 4、由于噪声具有随机性，因此噪声的分析通常采 用统计分析方法统计分析方法，如均值、均方值、频谱与功率谱 来表征。 5、主要讨论电阻热噪声和半导体噪声模型，以及 噪声的表示方法。 第二章 高频电路基础 2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 2.5.1 电阻热噪声电阻热噪声 噪声内因：电阻中的带电粒子在导体内作无规则的运动，从而 导致发生电子碰撞，产生持续时间极短的脉冲电流，该电流的 方向是随机的。因此，在一段

60、时间内，电阻内部的电流均值为 零，但瞬时电流在平均值上下变动，称为起伏电流。起伏电流 在电阻两端产生噪声电压。 噪声功率谱密度为 ( )4 n SfkTR 白噪声白噪声：起伏噪声在很宽的频带内具有均匀的功率谱密度。 在有限带宽 内，噪声电压均方值为 n f 2 4 nn vkTR f 噪声功率也可采用电流均方值表示 2 4 nn k T if R 第二章 高频电路基础 电阻噪声等效电路 *纯电抗元件没有损耗电阻，不产生噪声。 *电阻产生的噪声功率谱仅与温度、电阻值有关，与外部的 电压、电流无关。 2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础 理想理想电抗元件是不会产生噪声的电抗元