《高频电子线路》-第2章

2.1高频电子线路基础知识2.1.1信号的时间特性和频谱特性高频电子线路处理的对象是电信号，电信号包含很多特性，其中最主要的是时间特性和频谱特性。2.1.2信号的调制与解调无线通信的目的是将原始信号（基带信号）以电磁波的形式通过天线发射到自由空间并传送给远处的接收者。根据电磁波的相关理论和实践证明，只有当天线尺寸和电信号波长相当，或至少为发射信号波长的1/10时，天线的辐射效率才会比较高，电信号才能有效地辐射传输。下一页返回2.1高频电子线路基础知识基带信号的频率一般较低，波长较长。例如，音频信号范围在20Hz～16kHz之间，若取1kHz，相应波长为300km，若直接采用天线发射，天线的尺寸将达到30km，显然无法实现。为了减小天线尺寸，需要把低频基带信号调制到高频振荡波上，利用高频振荡波作为运载工具来携带低频信号，此时的高频振荡波称为高频载波。如一个高频载波的频率为300MHz，其波长为1m，采用10cm的天线即可进行信号发射，天线尺寸较小，容易实现。同时，如果不同发射台都直接发射低频信号，那么不同电台间会产生相互干扰，接收机将无法区分不同电台，而将不同电台调制到不同的高频载波上，接收机就可以通过调谐来接收不同的电台，从而提高发射与接收的效率，避免相互干扰。上一页下一页返回2.1高频电子线路基础知识此外，高频载波的带宽资源丰富，可以传播带宽较宽的信息，也可以将多个信道调制在同一个载波上，实现信道复用。所以，无线通信需要进行调制，调制是用要传送的低频基带信号（调制信号）去控制高频载波的某一参数，使之与调制信号呈线性关系，携带要传送的低频信息，经过调制后的高频载波信号称为已调信号（已调波）。无线通信系统按照需要传递的低频基带信号的不同可以分为模拟通信系统和数字通信系统两类。上一页下一页返回2.1高频电子线路基础知识2.1.3非线性电路的基本概念电子线路中的元件可分为线性元件、非线性元件和时变参数元件3类。如果元件参数按照一定规律随时间变化，这样的元件称为时变参数元件，如热敏电阻等；如果元件参数与外加电压或通过的电流大小无关，是一个常数，这样的元件称为线性元件，如电阻、电容、电感等；如果元件参数与外加电压或通过的电流有关，不是一个常数，这样的元件称为非线性元件，如二极管、三极管、场效应管等。上一页返回2.2高频电子线路中的基本元器件高频电子线路中的电子元器件和低频电子线路中的基本相同，但工作频率相差较大时会表现出不同特性，特别是工作频率较高时，要注意元器件的高频特性。本书中所接触到的电子元器件主要有高频电阻、高频电容、高频电感、高频变压器、传输线变压器、高频二极管、高频三极管、高频场效应管等。1．高频电阻在高频应用时的电阻，除了具有电阻特性外，还具有高频特性。电阻的高频特性主要通过电抗特性体现，在使用时要考虑分布电容和引线电感的影响。低频时电阻的阻抗为R，当频率升高时，分布电容的影响加大，引起电阻的阻抗下降。当频率继续升高到一定程度时，由于引线电感的影响，电阻的阻抗会上升。下一页返回2.2高频电子线路中的基本元器件一般情况下，电阻的尺寸越小，分布电容和引线电感越小，电阻的高频特性越好，同时，工作频率越高，电阻的高频特性越明显，在实际使用中要尽量减小电阻的高频特性。2．高频电容高频电容的容量一般较小，除了具有电容特性外，还具有高频特性，使用时要考虑极间绝缘电阻RC和分布电感LC的影响。RC的影响大小决定了电容损耗大小，通常用品质因数QC来表示，实际电容器的高频等效电路如图2-8(a)所示，其阻抗的频率特性如图2-8(b)所示。上一页下一页返回2.2高频电子线路中的基本元器件电容器在高频应用时具有谐振特性，每个电容器都有一个自身谐振频率SRF，当工作频率小于自身谐振频率时，电容器呈现正常的电容特性。随着工作频率增加，电容器绝缘介质的介电常数会减小，电容量将会减小，损耗将增大。当工作频率大于自身谐振频率时，电容器等效为一个电感，在实际使用中工作频率应小于SRF。3．高频电感在高频应用时的电感，除了具有电感特性外，还具有高频特性，使用时要考虑电感的损耗电阻和分布电容的影响。随着工作频率的增高，电感的损耗会增大，用等效电阻RL表示，也可用品质因数QL来表示，QL越大，损耗越小；分布电容的影响随工作频率的增高而增大，通常用CL来表示分布电容的影响。上一页下一页返回2.2高频电子线路中的基本元器件4．晶体二极管晶体二极管在高频电子线路中的用途非常广泛，其特点是当工作于低电平状态时，利用二极管的非线性特性，可构成检波、调制、解调、混频等电路。当工作频率不同时，二极管结电容的影响不同，特别是工作于高频电子线路中时，二极管的电容效应不能忽略。当频率高到某一程度时，结电容的容抗小到使PN结短路，二极管将失去单向导电性。在高频电子线路中应用较广的二极管还有变容二极管，其工作原理是，当PN结反向偏置时，结电容Cj随外加反向偏置电压的变化而变化。在制作这类PN结时，采用特殊工艺处理，控制掺杂浓度和掺杂分布，可使变容二极管的结电容Cj灵敏地随外加反向偏置电压变化。上一页下一页返回2.2高频电子线路中的基本元器件变容二极管工作于反向工作状态时，基本不消耗能量，噪声小、效率高，可用于要改变电容参数的电路中，构成电调谐器、自动调谐、压控振荡器等电路。变容二极管受外加电压控制的电路如图2-10所示，其中，UQ

为变容二极管的静态偏置电压，它给变容二极管提供反向偏置电压，保证二极管在控制电压uΩ的作用下始终工作于反偏状态，以获得较好的压控电容特性。5．晶体三极管高频晶体管包括双极型晶体管和场效应管，它们在高频电子线路中的用途非常广泛，本节主要以高频双极型晶体管为例来讨论其高频性能。上一页下一页返回2.2高频电子线路中的基本元器件高频晶体管又可分为高频小功率管和高频大功率管两类，对于高频小功率管的要求主要是高增益和低噪声，而对于高频大功率管的要求主要是具有较大的输出功率。在分析高频放大器时，要采用晶体管在高频时的等效模型，即晶体管混合π形等效模型和晶体管Y参数等效模型。6．高频变压器变压器的作用是靠磁通交链或靠互感进行耦合，将电能转化为磁能，然后再将磁能转化为电能，同时利用匝数比的关系实现变压功能。按各自的工作频率要求的不同，可将变压器分为高频变压器和低频变压器。上一页下一页返回2.2高频电子线路中的基本元器件高频变压器的尺寸小、线圈的匝数较少，为了减少损耗，常用磁导率高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。高频变压器通常工作于小信号场合，工作频率在几十千赫兹至几十兆赫兹之间的高频电子线路中，可用于阻隔直流、传输高频信号、实现阻抗变换和高频开关电源等电路中。7．传输线变压器将传输线（扭绞线、平行线、同轴线）绕制在一个高磁导率、低损耗的磁环上就构成了传输线变压器，如图2-17所示。上一页返回2.3高频电子线路中的基本电路2.3.1LC谐振回路LC谐振回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路，它是高频电子线路不可缺少的重要组成部分，是高频电子线路中应用最广的无源网络，是构成各种高频放大器、振荡器及各种滤波器的基础，它还可以组成各种形式的阻抗变换电路和匹配电路，并可直接作为负载使用。利用LC谐振回路的幅频特性和相频特性，不仅可以进行选频，即从输入信号中选择出有用频率分量而抑制掉无用频率分量或噪声，还可以进行信号的幅频转换和相频转换。LC谐振回路分为LC并联谐振回路和串联谐振回路两种结构类型。下一页返回2.3高频电子线路中的基本电路只有一个回路的谐振回路称为简单谐振回路或单谐振回路，其中，并联谐振回路适用于电源内阻为高内阻（如电流源）的情况，而串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如电压源）的情况，并联谐振回路和串联谐振回路具有对偶性。本书主要以并联谐振回路为例来讨论谐振回路的相关特性，串联谐振回路的相关特性可以利用对偶性推出。2.3.2阻抗变换电路1．信号源和负载对并联谐振回路的影响前面分析的简单谐振回路的阻抗在某一特定频率上具有最大值或最小值的特性称为谐振特性，这个特定频率称为谐振频率。简单谐振回路具有谐振特性和频率选择作用，这是它在高频电子线路中得到广泛应用的主用原因。上一页下一页返回2.3高频电子线路中的基本电路但在实际应用中，谐振回路必须与信号源和负载相连接，如图2-24(a)所示，信号源的输出阻抗和负载阻抗都会对谐振回路产生影响，使回路的等效品质因数下降，选择性变差，同时还会使谐振回路的谐振频率发生偏移。为了分析信号源的输出阻抗Rs和负载阻抗RL

对谐振回路产生的影响，对图2-24(a)进行等效变换，变换后的等效电路如图2-24(b)所示。2．常用阻抗变换电路阻抗变换电路是一种将实际阻抗变换为所需阻抗的电路，在高频电子线路中有很多用途，阻抗变换电路的结构示意图如图2-27所示。上一页下一页返回2.3高频电子线路中的基本电路图2-27中，右边端口电阻RL=U2/I2，经过阻抗变换网络变换后，从左边端口看进去的等效电阻为R′L=U2/I2。设阻抗变换网络自身损耗较小，可忽略，则网络的输入功率等于输出功率，因此U1I1=U2I2，可推出R′L=U1/I1=（U1/U2）2⋅RL=n2⋅RL，其中n=U1/U2，称为折算（接入）系数。只需要改变折算系数n的大小，就可以改变等效电阻R′L

的大小，实现阻抗变换。阻抗变换电路应该是无损耗的，不能用电阻构成。常用的阻抗变换电路有变压器阻抗变换电路、电感分压器（或自耦变压器）阻抗变换电路、电容分压器阻抗变换电路等。上一页下一页返回2.3高频电子线路中的基本电路2.3.3滤波匹配网络由于高频电子线路中各功能模块电路、信号源或负载之间一般都与特性阻抗Z0

（50Ω或75Ω）的传输线相连。为了实现最大功率传输，同时降低电路中的噪声，各功能模块电路、信号源或负载与传输线的连接需要进行阻抗匹配，通常将阻抗匹配和选频电路组合在一起，就得到了滤波匹配网络。对滤波匹配网络的要求如下：（1）选频滤波功能，可有效地滤除不需要的谐波成分。（2）阻抗匹配（变换）作用。（3）自身固有损耗小。下一页返回2.3高频电子线路中的基本电路常用的滤波匹配网络有倒L形滤波匹配网络、π形滤波匹配网络和T形滤波匹配网络。1．串、并联电路的阻抗变换由电阻元件和电抗元件组成的串联形式与并联形式可以互相转换，互相转换的等效电路图如图2-32所示。上一页下一页返回2.3高频电子线路中的基本电路上一页下一页返回2.3高频电子线路中的基本电路2．倒L形滤波匹配网络倒L形滤波匹配网络是由两个异性电抗元件接成倒L结构的阻抗变换电路，是最简单的阻抗变换电路。常用的倒L形滤波匹配网络有低阻变高阻和高阻变低阻两种。上一页下一页返回2.3高频电子线路中的基本电路3．π形和T形滤波匹配网络π形和T形滤波匹配网络各由3个电抗元件(其中两个同性质，另一个异性质)组成，它们都可以分别看作是两个倒L形网络的组合，用类似的方法可以推导出其有关公式。π形滤波匹配网络如图2-37(a)所示，它可以分割成两个倒L形网络，其等效电路如图2-37(b)所示，L2

、C2

构成高阻变低阻的倒L形网络，它将实际负载电阻RL

先变换成低阻R′L，L1

、C1

构成低阻变高阻的倒L形网络，再将R′L变换成所需的电阻Re，只要适当选择两个倒L形网络的Qe

值，就可以兼顾到滤波和阻抗匹配的要求。上一页下一页返回2.3高频电子线路中的基本电路2.3.4集中选频滤波由LC谐振回路构成的LC滤波匹配网络的品质因数不高，一般在100～300范围内，通常工作于窄带范围，矩形系数较大，选择性较差，不易小型化。随着科学技术的发展，现在广泛使用的集中选频滤波器具有Q值很高、矩形系数较小、带宽宽等较为理想的滤波特性，但其只适用于工作频率固定的场合。常用的集中选频滤波器有陶瓷滤波器、石英晶体滤波器和声表面波滤波器。上一页返回2.4模拟相乘器电路2.4.1非线性器件的相乘作用非线性器件在高频电子线路中具有非常重要的用途。前面章节曾讨论过非线性器件的基本特点，本节将重点讨论非线性器件的相乘作用和分析方法，其关键是写出逼近真实情况的非线性元件的伏安特性表达式，工程中在满足精度要求的情况下，也可采用近似分析法。1．非线性器件的幂级数分析法在输入信号较小的情况下，非线性元件的伏安特性通常用幂级数表示，下面以二极管为例来讨论非线性器件的相乘作用，其电路图与伏安特性曲线如图2-44所示。下一页返回2.4模拟相乘器电路上一页下一页返回2.4模拟相乘器电路上一页下一页返回2.4模拟相乘器电路上一页下一页返回2.4模拟相乘器电路2．线性时变工作状态在图2-44(a)所示的二级管相乘电路中，为了有效地减小高阶相乘项及其产生的组合频率分量，可以增大u1或u2

的幅度，使其中一个输入信号的振幅远远大于另一个输入信号的振幅，此时非线性器件工作于线性时变工作状态。2.4.2二极管相乘器1．二极管（单）平衡相乘器通过上一节的分析，由单个二极管可构成相乘器，其中开关工作状态的相乘性相对好一些，但仍不够理想，可利用平衡电路来进一步消除无用组合频率分量，提高相乘性，二极管平衡相乘器如图2-49所示。