高频电子线路第四章(new)

1、高频与射频线路高频与射频线路第四章第四章 非线性、时变参量电路非线性、时变参量电路 和变频器和变频器学习内容学习内容掌握非线性电路的主要特点与分析方法；掌握非线性电路的主要特点与分析方法；掌握线性时变参量电路的分析方法；掌握线性时变参量电路的分析方法；掌握混频器的工作原理；掌握混频器的工作原理；混频器的干扰类型。混频器的干扰类型。 4.1 4.1 概述概述常用常用的无线电的无线电元件分类：元件分类： 线性元件线性元件：元件：元件参数与通过元件的电流或参数与通过元件的电流或施于施于其上的电压无关其上的电压无关。如，电阻。如，电阻、电容和、电容和空心电感等；空心电感等； 非线性元件非线性元件：元件

2、参数：元件参数与通过它的电流或施于与通过它的电流或施于其上的电压有关其上的电压有关。如，二极管、晶体管、带。如，二极管、晶体管、带磁芯磁芯的电感的电感线圈等；线圈等； 时变参量元件时变参量元件：参数元件按照：参数元件按照某一方式随时间某一方式随时间变化的线性元件变化的线性元件。如。如，混频时，可以把晶体管看，混频时，可以把晶体管看成一个变跨导的线性参变元件成一个变跨导的线性参变元件。 在一定在一定条件条件下，若下，若元件元件非线性特性小非线性特性小到可以到可以忽略忽略时时，则可看成线性元件。但是当条件变化以至非线则可看成线性元件。但是当条件变化以至非线性性特性特性占据占据主导地位时主导地位时，

3、就，就应视为应视为非线性元件。非线性元件。串联电路串联电路线性电路线性电路时：时：时变线性电感电路时变线性电感电路时：时：非线性电感电路非线性电感电路时：时： 描述描述线性电路、时变参量电路和非线性电路的方程线性电路、时变参量电路和非线性电路的方程式分别是常系数线性微分方程、变系数线性微分方程式分别是常系数线性微分方程、变系数线性微分方程和非线性微分方程。和非线性微分方程。数学形式数学形式 常用常用电路是若干无源元件或电路是若干无源元件或( (和和) )有源元件的有序有源元件的有序联结体。它可以分为线性与非线性两大类联结体。它可以分为线性与非线性两大类。 线性电路线性电路是由线性元件构成的电路

4、。它的输出是由线性元件构成的电路。它的输出输入关系用线性代数方程或线性微分方程表示。输入关系用线性代数方程或线性微分方程表示。线性电路的主要特征是具有线性电路的主要特征是具有叠加性叠加性和和均匀性均匀性。若：若：满足：满足：叠加性叠加性满足：满足：均匀均匀性性满足：满足：线线性性 非线性电路非线性电路中至少包含一个非线性元件，它的中至少包含一个非线性元件，它的输出输入关系用非线性函数方程或非线性微分输出输入关系用非线性函数方程或非线性微分方程方程表示。非线性电路不具有叠加性与均匀性。表示。非线性电路不具有叠加性与均匀性。这是它与线性电路的重要区别。由于非线性电这是它与线性电路的重要区别。由于非

5、线性电路的输出输入关系是非线性函数关系，当信号路的输出输入关系是非线性函数关系，当信号通过非线性电路后，在输出信号中将会产生输通过非线性电路后，在输出信号中将会产生输入信号所没有的频率成分，也可能不再出现输入信号所没有的频率成分，也可能不再出现输入信号中的某些频率成分入信号中的某些频率成分（频谱搬移）（频谱搬移）。这是。这是非线性电路的重要特性。非线性电路的重要特性。 iv0V0+iDZLv二极管电路及其伏安特性二极管电路及其伏安特性非线性工程上适用的近似电路非线性工程上适用的近似电路分析分析方法：方法： 图解法：根据非线性元件的特性曲线和输入图解法：根据非线性元件的特性曲线和输入信号波形，通

6、过作图直接求出电路中的电流信号波形，通过作图直接求出电路中的电流和电压波形。和电压波形。 解析解析法（如幂级数分析法（如幂级数分析法，折线分析法，折线分析法）：法）：借助非线性元件的特性曲线的数学表达式列借助非线性元件的特性曲线的数学表达式列出电路方程从而解得电路中电压和电压。如，出电路方程从而解得电路中电压和电压。如，二极管的伏安特性的分析。二极管的伏安特性的分析。4.2 4.2 非线性元件的特性非线性元件的特性非线性元件的三个主要非线性元件的三个主要特征：特征： 输出量输出量与与输入量输入量非非线性关系线性关系：这这将将导致导致( (直流直流) )电电阻与动态阻与动态( (交流交流) )电

7、阻的不电阻的不一致；一致； 具有具有频率变换频率变换作用：混频器作用：混频器正是利用了非线性元正是利用了非线性元件的这个件的这个特性；特性； 不不满足叠加原理满足叠加原理。4.2.1 4.2.1 输出输出与输入量的非线性关系与输入量的非线性关系 纯电阻元件属于线性元件，满足欧姆定律，即：纯电阻元件属于线性元件，满足欧姆定律，即：R纯电阻vivi（4.2.14.2.1） 该直线的斜率的倒数就等于电阻值该直线的斜率的倒数就等于电阻值R R，即：，即：（4.2.24.2.2）线性电阻伏安特性曲线线性电阻伏安特性曲线vi0V0I可见线性元件的静态电阻与动态电阻是一样的可见线性元件的静态电阻与动态电阻是

8、一样的ivvivi 以半导体二极管是一个非线性电阻元件为例：以半导体二极管是一个非线性电阻元件为例：半导体二极管伏安特性曲线半导体二极管伏安特性曲线0V0I静态静态电阻与动态电阻与动态电阻大小都与所选的工作点有关电阻大小都与所选的工作点有关vi0V0I可见非线性元件的静态电阻与动态电阻是不一样的可见非线性元件的静态电阻与动态电阻是不一样的4.2.2 4.2.2 频率变换作用频率变换作用直流分量直流分量2倍频分量倍频分量设非线性电阻的伏安特性曲线为设非线性电阻的伏安特性曲线为抛物线形状：抛物线形状：（CMOSCMOS器件的特性）器件的特性）当输入信号为当输入信号为余弦余弦波波，即：即：则有输出信

9、号：则有输出信号：输入信号频谱输入信号频谱)(iFS)(SV输出信号频谱输出信号频谱)(OFS2)21(2SkV可见信号经过非线性电路后频率发生了变换可见信号经过非线性电路后频率发生了变换0 00 04.2.3 4.2.3 不满足叠加原理不满足叠加原理设非线性电阻的伏安特性曲线为设非线性电阻的伏安特性曲线为抛物线形状：抛物线形状：输出为：输出为：4.34.3非线性电路分析法非线性电路分析法 根据根据具体电路的不同，分析方法是多种多样的，具体电路的不同，分析方法是多种多样的，最常见也最实用的方法有最常见也最实用的方法有2 2种种： 幂级数幂级数法法 用用泰勒级数将曲线在某泰勒级数将曲线在某一点（

10、静态工作点）展一点（静态工作点）展开开成级数成级数形式，取其中若干项近似。形式，取其中若干项近似。 折线折线法法 将将曲线近似看成若干首尾相接的线段连接而成曲线近似看成若干首尾相接的线段连接而成的的折线。折线。4.3.1 4.3.1 幂级数分析法幂级数分析法 非线性非线性器件的伏安特性器件的伏安特性, ,可用非线性可用非线性函数来表示：函数来表示：其中：其中：（4.3.14.3.1）是静态工作点电流是静态工作点电流是静态工作点处电导，即是静态工作点处电导，即动态电阻的倒数动态电阻的倒数vi非线性非线性伏安特性曲线伏安特性曲线工程计算应用：工程计算应用：常常只取常常只取若干若干项，精度项，精度就

11、足够了。就足够了。 一次多项式（线性近似）一次多项式（线性近似）情况：情况：（4.3.44.3.4）混频器变跨导分析混频器变跨导分析法基础法基础vi非线性非线性伏安特性曲线伏安特性曲线 二次二次多项式多项式（抛物线近似（抛物线近似）情况：情况：（4.3.54.3.5）幂级数分析非线性电路的频率变换幂级数分析非线性电路的频率变换设设1 1：非线性电路伏安特性幂级数表示为：非线性电路伏安特性幂级数表示为设设2 2：输入信号为两个正弦波：输入信号为两个正弦波信号信号叠加叠加 混频器混频器工作工作原理原理则输出则输出为：为：3 3倍频倍频2 2阶产物阶产物（4.3.114.3.11）直流直流2 2倍频

12、倍频基波基波3 3阶产物阶产物 典型例题：典型例题：已知一非线性器件的伏安特性为：已知一非线性器件的伏安特性为：解解：带入上式产生的频率分量：直流分量、：带入上式产生的频率分量：直流分量、0.5kHz 0.5kHz 1kHz1kHz、1.5kHz1.5kHz、2kHz2kHz、2.5kHz2.5kHz、3kHz3kHz、3.5kHz3.5kHz、4kHz4kHz。非线性电路非线性电路输出频谱输出频谱高频信号高频信号非线性网络非线性网络放大放大变频变频线性网络线性网络选频选频滤波滤波有用信号有用信号系统系统4.3.2 4.3.2 折线分析法折线分析法 幂级数幂级数法适用于中等大小的法适用于中等大

13、小的信号。当信号。当信号振幅信号振幅更大时，幂级数取的项数必须增多，分析难度加更大时，幂级数取的项数必须增多，分析难度加大，所以不再适用，此时应采用折线分析法大，所以不再适用，此时应采用折线分析法vBBZViC近似为近似为vBBZViC晶体管的转移特性曲线用折线近似晶体管的转移特性曲线用折线近似此折线可以表示此折线可以表示为为: :（4.3.134.3.13）折线近似折线近似vBBZViC 折线折线法只适用大信号情况，如功率放大器和法只适用大信号情况，如功率放大器和检波器检波器分析。详细讨论见高频功率放大器章节。分析。详细讨论见高频功率放大器章节。4.5 4.5 变频器变频器的工作原理的工作原

14、理 变频或混频变频或混频即对信号进行频率变换，将其即对信号进行频率变换，将其载频载频( (常常称为射频称为射频) )变换变换到某一固定的频率上到某一固定的频率上( (常称为常称为中中频，常见为射频和本振频率的和差频频，常见为射频和本振频率的和差频) )，而保持原，而保持原信号的特征信号的特征( (如调幅规律如调幅规律) )不变。不变。调幅波变频波形图调幅波变频波形图射射频载波频率频载波频率 1.71.76MHz6MHz 本振频率本振频率2.1652.1656.4656.465MHzMHz中频载波频率中频载波频率 465kHz 465kHz1 1、定义、定义2 2、为什么、为什么要要变频或混频？

15、变频或混频？变频变频的优点的优点： 减少设备体积和成本，便于信号的接收和发射；减少设备体积和成本，便于信号的接收和发射； 增加信道数，提高信息容量；增加信道数，提高信息容量； 错开使用频段，避免同频段其他信号干扰。错开使用频段，避免同频段其他信号干扰。变频变频的缺点：的缺点： 容易容易产生镜像干扰、中频干扰等产生镜像干扰、中频干扰等干扰。干扰。3 3、变频器变频器的分类的分类按器件分按器件分： 晶体管混频器：具有一定晶体管混频器：具有一定的混频的混频增益；增益； 二二极极管管混频器混频器：具有：具有动态范围动态范围大，噪声小；大，噪声小； 场效应管混频器：交调、互调干扰场效应管混频器：交调、互

16、调干扰少。少。按按结构结构分分：单管混频、：单管混频、平衡式混频、平衡式混频、环型环型混频混频按按中频中频分：上变频器（和频）、下变频器（差频）分：上变频器（和频）、下变频器（差频）从两个输入信号在时域上的处理从两个输入信号在时域上的处理过程分：过程分：叠加型混频器、叠加型混频器、 乘积型混频乘积型混频器器4 4、主要性能指标、主要性能指标（4.5.24.5.2）或或（4.5.34.5.3） 噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值比的比值。 选择性：抑制中频信号以外的干扰的能力选择性：抑制中频信号以外的干扰的能力。 非线性非线性干扰：抑制组

17、合频率干扰、交调、互调干干扰：抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。扰等干扰的能力。相互关联，综合考虑，合理选管相互关联，综合考虑，合理选管5 5、频谱搬移的实现、频谱搬移的实现 两两个个以上不同频率的余弦波叠加后输入到非线性以上不同频率的余弦波叠加后输入到非线性变频电路中，会产生和差频等系列新频率成分。变频电路中，会产生和差频等系列新频率成分。语音输入信号频谱语音输入信号频谱)(SFS)(SV载波输入信号频谱载波输入信号频谱)(0F0)(0V输出输出信号信号频谱频谱S2)(outF020S0S0设计一个设计一个选频网络选频网络S2S20从低频搬移到了高频从低频搬移到了高频4.6 4.

18、6 晶体晶体( (三极三极) )管混频器管混频器1 1、晶体管混频器的电路组态、晶体管混频器的电路组态 对对振荡电压来说是振荡电压来说是共射电共射电路路，输出阻抗，输出阻抗较大（较大（对谐对谐振回路影响小振回路影响小）；）； 信号输入电路与振荡电路相互影响较大信号输入电路与振荡电路相互影响较大( (直接耦直接耦合合) )，可能产生频率牵引现象。，可能产生频率牵引现象。 混频时所需本地振荡注混频时所需本地振荡注入功率较小（这主要是入功率较小（这主要是因为共发电路功率放大因为共发电路功率放大性能较高）；性能较高）； 输入信号与本振电压分输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极别从基极输入和发射极注

19、入，产生注入，产生牵引现象的牵引现象的可能性可能性小；小； 对于本振电压来说是共对于本振电压来说是共基电路，其输入阻抗较基电路，其输入阻抗较小，不易过激励，因此小，不易过激励，因此振荡波形好，失真振荡波形好，失真小；小； 需要较大的本振注入需要较大的本振注入功率。功率。 但但这一点不难这一点不难实现，通常所需功率也只有几十实现，通常所需功率也只有几十毫瓦，因此毫瓦，因此这种方式的混频器在实际中应用最多。这种方式的混频器在实际中应用最多。2 2、晶体管混频原理：变跨导分析、晶体管混频原理：变跨导分析法法晶体管混频器基本电路晶体管混频器基本电路加电压后的晶体管转移特性曲线加电压后的晶体管转移特性曲

20、线（4.6.14.6.1）（4.6.1a4.6.1a）则混频后输出的中频电流为则混频后输出的中频电流为: :其振幅为其振幅为: :（4.6.24.6.2）（4.6.34.6.3）（4.6.44.6.4）（4.6.64.6.6）式中式中: :（4.6.54.6.5）（4.6.84.6.8）某某调幅通信机混频器电路调幅通信机混频器电路实际实际电路电路举例：举例： 调谐于调谐于i调谐于调谐于s自自激式变频器电路激式变频器电路 调谐于调谐于i调谐于调谐于s调谐于调谐于0 晶体管（三极管）混频器的缺陷：晶体管（三极管）混频器的缺陷： 当当输入信号振幅比较大时，三极管混频器转移函数输入信号振幅比较大时，三

21、极管混频器转移函数用泰勒级数展开后，必须取很多项，导致混频后输出用泰勒级数展开后，必须取很多项，导致混频后输出信号的频率成分太多，干扰严重。信号的频率成分太多，干扰严重。4.7 4.7 二极管混频器二极管混频器4.7.1 4.7.1 二极管平衡混频器二极管平衡混频器原理性电路原理性电路1D1L2D2L 0v1D1L2D2L 0v2Sv2Sv设输入互感线圈的电压感应系数为设输入互感线圈的电压感应系数为1 11D2D 0v2Sv2Svi1i2等效电路等效电路（4.7.24.7.2）（4.7.34.7.3）tt0cost)(tS（4.7.14.7.1）1D1L2D2L 0v2Sv2Svi1i2设设输

22、输出出互感互感线圈的电压感应系数为线圈的电压感应系数为1 1比比晶体（晶体（三极三极）管混频器产生的频率成分少的很）管混频器产生的频率成分少的很多多 无直无直流流分量分量4.7.2 4.7.2 二极管环形混频器（双平衡混频器）二极管环形混频器（双平衡混频器）为了进一步为了进一步抑制非线性抑制非线性产物，采用环形产物，采用环形混频器：混频器：环形混频器电路环形混频器电路在在本振电压正半周的环形混频器本振电压正半周的环形混频器（4.7.54.7.5）在在本振电压负半周的环形混频器本振电压负半周的环形混频器（4.7.64.7.6）（4.7.84.7.8）故有：故有：（4.7.94.7.9）又：又：（

23、4.7.104.7.10）展开展开：（4.7.114.7.11）晶体（三极）管混频器：（有源混频器）晶体（三极）管混频器：（有源混频器）优点优点：有变频增益：有变频增益缺点：缺点： 1、动态范围较小、动态范围较小 2、组合频率干扰严重、组合频率干扰严重 3、噪声较大、噪声较大 4、存在本地辐射、存在本地辐射二极管二极管混频器：（无源混频器）混频器：（无源混频器）优点：优点：1、动态范围、动态范围较大较大 2、组合、组合频率干扰少频率干扰少 3、噪声较小、噪声较小 4、不存在本地辐射、不存在本地辐射缺点缺点：无变频增益：无变频增益 目前，许多从短波到微波波段的整体封装二极管环目前，许多从短波到微

24、波波段的整体封装二极管环形混频器已作为系列产品，一个形混频器已作为系列产品，一个用于用于0.5500MHz0.5500MHz的的典典型环形混频器的外形及电路示于下图。型环形混频器的外形及电路示于下图。 使用时，使用时，8 8、9 9端外接信号端外接信号电压电压，3 3、4 4端相连，端相连，5 5、6 6端相连，然后在端相连，然后在3 3，5 5端间加本振端间加本振电压，电压，中频信号由中频信号由1 1，2 2端输出。此电路除用作混频器外，还可以用作相位检端输出。此电路除用作混频器外，还可以用作相位检波器、调制器等。波器、调制器等。(a)89123456(b)4.9 4.9 混频器中的干扰混频

25、器中的干扰干扰的主要种类干扰的主要种类 组合频率干扰和副波道组合频率干扰和副波道干扰；干扰； 交叉调制交叉调制干扰（交调）；干扰（交调）； 互相调制互相调制干扰（互调）；干扰（互调）； 阻塞现象和相互阻塞现象和相互混频。混频。v0(f 0)v中频中频(f i)非线性元件非线性元件中频滤波器中频滤波器4.9.1 4.9.1 组合组合频率干扰和副波道干扰频率干扰和副波道干扰情况情况1、有用信号和本振产生的组合频率有用信号和本振产生的组合频率干扰干扰干扰哨声干扰哨声即当：即当：（4.9.34.9.3）产生产生干扰哨叫。干扰哨叫。例子：例子：情况情况2、外来干扰信号和本振产生的干扰、外来干扰信号和本振

26、产生的干扰（1） 组合副波道干扰组合副波道干扰 如果混频器之前的输入回路和高频放大器的选择如果混频器之前的输入回路和高频放大器的选择性不够好性不够好，干扰信号，干扰信号也会进入混频器。也会进入混频器。v0(f 0)v中频中频(f i)非线性元件非线性元件中频滤波器中频滤波器即当：即当：（4.9.54.9.5）或者或者：（4.9.64.9.6）产生组合副波道干扰。产生组合副波道干扰。例子：例子：（2） 副波道干扰副波道干扰（是组合副波道干扰的特例）（是组合副波道干扰的特例） 在组合副波道干扰中，某些特定频率形成的干扰在组合副波道干扰中，某些特定频率形成的干扰称为副波道称为副波道干扰干扰，主要主要

27、有中频干扰和镜像干扰。有中频干扰和镜像干扰。 中频中频干扰干扰 镜像镜像频率干扰频率干扰f S f 0 f nf if i1000kHz1000kHz 1465kHz1465kHz465kHz465kHz1930kHz1930kHz4.9.2 4.9.2 交叉调制（交调）交叉调制（交调）Cross-modulationCross-modulationl 表现表现现象现象： 当当所接收电台的信号和干扰电台同时进入接收机所接收电台的信号和干扰电台同时进入接收机输入端时，如果接收机调谐于信号频率，可以清楚输入端时，如果接收机调谐于信号频率，可以清楚地收到干扰信号电台的声音，若接收机对接收信号地收到干

28、扰信号电台的声音，若接收机对接收信号频率失谐，干扰台的声音也消失频率失谐，干扰台的声音也消失。l 产生的原因产生的原因： 由混频器的由混频器的3次或更高非线性项产生。若有用信号次或更高非线性项产生。若有用信号和干扰信号均为调幅波，混频器的非线性会使有用信和干扰信号均为调幅波，混频器的非线性会使有用信号的各频率分量的幅度受干扰信号的幅度影响，其包号的各频率分量的幅度受干扰信号的幅度影响，其包络发生变化。与干扰信号的频率无关，只要干扰信号络发生变化。与干扰信号的频率无关，只要干扰信号足够强并进入接收机前端，就可能发生交调。足够强并进入接收机前端，就可能发生交调。4.9.3 4.9.3 互相互相调制（互调）调制（互调）InterIntermodulationmodulationl 表现表现现象现象： 接收机接收机调谐于信号频率，调谐于信号频率，可以清楚地收到干扰信号电可以清楚地收到干扰信号电台的声音，若接收机对接收台的声音，若接收机对接收信号频率失谐，干扰台的声信号频率失谐，干扰台的声音