高頻電路

高頻電路中的無(wú)源組件或無(wú)源網(wǎng)絡(luò)主要有高頻振蕩(諧振)回路、高頻變壓器、諧振器與濾波器等，它們完成信號(hào)的傳輸、頻率選擇及阻抗變換等功能。

高頻振蕩回路是高頻電路中應(yīng)用最廣的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，也是構(gòu)成高頻放大器、振蕩器以及各種濾波器的主要部件，在電路中完成阻抗變換、信號(hào)選擇等任務(wù)，并可直接作為負(fù)載使用。

振蕩回路是由電感和電容組成。只有一個(gè)回路的振蕩回路稱(chēng)為簡(jiǎn)單振蕩回路或單振蕩回路，分為串聯(lián)諧振回路或并聯(lián)諧振回路。

圖1-4串聯(lián)震蕩回路及其特性

若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號(hào)，則發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)因阻抗最小，流過(guò)電路的電流最大，稱(chēng)為諧振電流，其值為:

在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為:

其模為:

其中，

稱(chēng)為回路的品質(zhì)因數(shù)，它是振蕩回路的另一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)式(1-6)畫(huà)出相應(yīng)的曲線如圖1-5所示，稱(chēng)為諧振曲線。

圖1-5串聯(lián)諧振回路的諧振曲線:

圖1-6串聯(lián)回路在諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系:

在實(shí)際應(yīng)用中，外加信號(hào)的頻率ω與回路諧振頻率ω0之差Δω=ω-ω0表示頻率偏離諧振的程度，稱(chēng)為失諧。當(dāng)ω與ω0很接近時(shí)，

令ξ為廣義失諧，則式(1-5)可寫(xiě)成

當(dāng)保持外加信號(hào)的幅值不變而改變其頻率時(shí)，將回路電流值下降為諧振值的時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱(chēng)為回路的通頻帶，也稱(chēng)回路帶寬，通常用B來(lái)表示。令式(1-9)等于，則可推得ξ=±1，從而可得帶寬為

串聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為低內(nèi)阻(如恒壓源)的情況或低阻抗的電路(如微波電路)。

圖1-7并聯(lián)諧振回路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性:

(a)并聯(lián)諧振回路;(b)等效電路;(c)阻抗特性;(d)輻角特性

并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為:

定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯(lián)諧振頻率ω0，令Zp的虛部為零，求解方程的根就是ω0，可得

式中，Q為回路的品質(zhì)因數(shù)，有

當(dāng)時(shí)，?；芈吩谥C振時(shí)的阻抗最大，為一電阻R0

因?yàn)?

并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng)，此時(shí)ω與ω0相差不大，式(1-13)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

式中，Δω=ω-ω0。對(duì)應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為

圖1-8表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系。

例1設(shè)一放大器以簡(jiǎn)單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載，信號(hào)中心頻率fs=10MHz，回路電容C=50pF，

(1)試計(jì)算所需的線圈電感值。

(2)若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q=100，試計(jì)算回路諧振電阻及回路帶寬。

(3)若放大器所需的帶寬B=0.5MHz，則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿(mǎn)足放大器所需帶寬要求?

解

(1)計(jì)算L值。由式(1-2)，可得

將f0以兆赫茲(MHz)為單位，C以皮法(pF)為單位，L以微亨(μH)為單位，上式可變?yōu)橐粚?shí)用計(jì)算公式:

將f0=fs=10MHz代入，得

(2)回路諧振電阻和帶寬。由式(1-12)

回路帶寬為

(3)求滿(mǎn)足0.5MHz帶寬的并聯(lián)電阻。設(shè)回路上并聯(lián)電阻為R1，并聯(lián)后的總電阻為R1∥R0，總的回路有載品質(zhì)因數(shù)為QL。由帶寬公式，有

此時(shí)要求的帶寬B=0.5MHz，故

回路總電阻為

需要在回路上并聯(lián)7.97kΩ的電阻。

圖1-9幾種常見(jiàn)抽頭振蕩回路

對(duì)于圖1-9(b)的電路，其接入系數(shù)p可以直接用電容比值表示為

圖1-10電流源的折合諧振時(shí)的回路電流IL和IC與I的比值要小些，而不再是Q倍。由

例2如圖1-11，抽頭回路由電流源激勵(lì)，忽略回路本身的固有損耗，試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。

圖1-11例2的抽頭回路解:由于忽略了回路本身的固有損耗，因此可以認(rèn)為Q→∞。由圖可知，回路電容為

諧振角頻率為電阻R1的接入系數(shù)等效到回路兩端的電阻為

回路兩端電壓u(t)與i(t)同相，電壓振幅U=IR=2V，故

回路有載品質(zhì)因數(shù)

回路帶寬

在高頻電路中，有時(shí)用到兩個(gè)互相耦合的振蕩回路，也稱(chēng)為雙調(diào)諧回路。把接有激勵(lì)信號(hào)源的回路稱(chēng)為初級(jí)回路，把與負(fù)載相接的回路稱(chēng)為次級(jí)回路或負(fù)載回路。圖1-12是兩種常見(jiàn)的耦合回路。圖1-12(a)是互感耦合電路，圖1-12(b)是電容耦合回路圖1-12兩種常見(jiàn)的耦合回路及其等效電路

對(duì)于圖1-12(b)電路，耦合系數(shù)為

初次級(jí)串聯(lián)阻抗可分別表示為

耦合阻抗為

由圖1-12(c)等效電路，轉(zhuǎn)移阻抗為

由次級(jí)感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，有

考慮次級(jí)的反映阻抗，則

變壓器是靠磁通交鏈，或者說(shuō)是靠互感進(jìn)行耦合的。

(1)為了減少損耗，高頻變壓器常用導(dǎo)磁率μ高、高頻損耗小的軟磁材料作磁芯。

(2)高頻變壓器一般用于小信號(hào)場(chǎng)合，尺寸小，線圈的匝數(shù)較少。

圖1-14高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)

(a)環(huán)形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)雙孔磁芯

圖1-15高頻變壓器及其等效電路

(a)電路符號(hào);(b)等效電路圖1-16(a)是一中心抽頭變壓器的示意圖。

初級(jí)為兩個(gè)等匝數(shù)的線圈串聯(lián)，極性相同，設(shè)初次級(jí)匝比n=N1/N2。作為理想變壓器看待，線圈間的電壓和電流關(guān)系分別為

圖1-16中心抽頭變壓器電路

(a)中心抽頭變壓器電路;(b)作四端口器件應(yīng)用3.2傳輸線變壓器

傳輸線變壓器就是利用繞制在磁環(huán)上的傳輸線而構(gòu)成的高頻變壓器。圖1-17為其典型的結(jié)構(gòu)和電路圖。

圖1-17傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)和電路

(a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)電路

圖1-18傳輸線變壓器的工作方式

(a)傳輸線方式;(b)變壓器方式

圖1-19傳輸線變壓器的應(yīng)用舉例?

(a)高頻反相器;(b)不平衡-平衡變換器;(c)1∶4阻抗變換器;(d)3分貝耦合器

頻率按照規(guī)定劃分，以便有專(zhuān)業(yè)的交流語(yǔ)言:超低頻:0.03-300Hz;極低頻:300-3000Hz(音頻) ;甚低頻:3-30KHz;長(zhǎng) 波:30-300KHz ;中 波:300-3000KHz;短 波:3-30兆;甚高頻:30-300兆;超高頻:300-3000兆;特高頻:3-30G;極高頻:30-300G; 遠(yuǎn)紅外:300-3000G。

一個(gè)實(shí)際的電阻器，在低頻時(shí)主要表現(xiàn)為電阻特性，但在高頻時(shí)不僅表現(xiàn)出電阻特性，而且還表現(xiàn)出了電抗特性。電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。

一個(gè)電阻R的高頻等效電路;其中，CR為分布電容，LR為引線電感，R為電阻。

由介質(zhì)隔開(kāi)的兩導(dǎo)體構(gòu)成電容。一個(gè)理想電容器的容抗為1/(jωC)，電容器的容抗與頻率的關(guān)系如圖1-2(b)虛線所示，其中f為工作頻率，ω=2πf。

一個(gè)實(shí)際電容C的高頻等效電路如圖所示，其中Rc為損耗電阻 ，Lc為引線電感。容抗與頻率的關(guān)系如圖1-2(b)實(shí)線所示，其中f為工作頻率，ω=2πf。

(a)電容器的等效電路;(b)電容器的阻抗特性;

理想高頻電感器L的感抗為jωL，其中ω為工作角頻率。

實(shí)際高頻電感器存在分布電容和損耗電阻;自身諧振頻率SRF。在SRF上，高頻電感阻抗的幅值最大，而相角為零。

(一)二極管

半導(dǎo)體二極管在高頻中主要用于檢波、調(diào)制、解調(diào)及混頻等非線性變換電路中。

晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管(FET)

在高頻中應(yīng)用的晶體管仍然是雙極型晶體管和各種場(chǎng)效應(yīng)管，在外形結(jié)構(gòu)方面有所不同。高頻晶體管有兩大類(lèi)型:一類(lèi)是作小信號(hào)放大的高頻小功率管，對(duì)它們的主要要求是高增益和低噪聲;另一類(lèi)為高頻功率管，其在高頻工作時(shí)允許有較大管耗，且輸出功率較大。

(二)集成電路

用于高頻的集成電路的類(lèi)型和品種主要分為通用型和專(zhuān)用型兩種。

(一)物理特性

石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片制成。

(二)等效電路及阻抗特性

圖1-22是石英晶體諧振器的等效電路。

由圖1-22(b)可看出，晶體諧振器是一串并聯(lián)的振蕩回路，其串聯(lián)諧振頻率fq和并聯(lián)諧振頻率f0

圖1-20石英晶體的形狀及各種切型的位置

(a)形狀;(b)不同切型位置;(c)電路符號(hào)

圖1-21石英晶體諧振器(a)外形;(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1-22晶體諧振器的等效電路

(a)包括泛音在內(nèi)的等效電路;(b)諧振頻率附近的等效電路

圖1-22(b)所示的等效電路的阻抗的一般表示式為

在忽略rq后，上式可化簡(jiǎn)為

圖1-23晶體諧振器的電抗曲線

圖1-24晶體濾波器的電路與衰減特性?(a)濾波器電路;(b)衰減特性

(一)陶瓷濾波器

圖1-25陶瓷濾波器電路

圖1-26聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)和幅頻特性(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)均勻?qū)ΨQ(chēng)的幅頻特性

(二)聲表面波濾波器

圖1-26(a)中的聲表面波濾波器的傳輸函數(shù)為

圖1--27一種用于通信機(jī)中的聲表面波濾波器

(三)衰減器與匹配器

高頻衰減，匹配器

圖1-28T型和Π型網(wǎng)絡(luò)

1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述

1.1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)的組成

1.1.2 無(wú)線通信系統(tǒng)的類(lèi)型

1.2 信號(hào)、頻譜與調(diào)制

1.3 本課程的特點(diǎn)

參考文獻(xiàn)

思考題與習(xí)題

2.1 高頻電路中的元件、器件和組件

2.1.1 高頻電路中的元器件

2.1.2 高頻電路中的組件

2.2 電子噪聲

2.2.1 概述

2.2.2 電子噪聲的來(lái)源與特性

2.2.3 噪聲系數(shù)和噪聲溫度

2.2.4 噪聲系數(shù)的計(jì)算

2.2.5 噪聲系數(shù)的測(cè)量

參考文獻(xiàn)

思考題與習(xí)題

3.1 高頻小信號(hào)放大器

3.1.1 高頻小信號(hào)諧振放大器的工作原理

3.1.2 放大器性能分析

3.1.3 高頻諧振放大器的穩(wěn)定性

3.1.4 多級(jí)諧振放大器

3.1.5 高頻集成放大器

3.2 高頻功率放大器的原理和特性

3.2.1 工作原理

3.2.2 高頻諧振功率放大器的工作狀態(tài)

3.2.3 高頻功放的外部特性

3.3 高頻功率放大器的高頻效應(yīng)

3.4 高頻功率放大器的實(shí)際線路

3.4.1 直流饋電線路

3.4.2 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

3.4.3 高頻功放的實(shí)際線路舉例

3.5 高頻功放、功率合成與射頻模塊放大器

3.5.1 D類(lèi)高頻功率放大器

3.5.2 功率合成器

3.5.3 射頻模塊放大器

附表余弦脈沖分解系數(shù)表

參考文獻(xiàn)

思考題與習(xí)題

4.1 反饋振蕩器的原理

4.1.1 反饋振蕩器的原理分析

4.1.2 平衡條件

4.1.3 起振條件

4.1.4 穩(wěn)定條件

4.1.5 振蕩線路舉例--互感耦合振蕩器

4.2 LC振蕩器

4.2.1 振蕩器的組成原則

4.2.2 電容反饋振蕩器

4.2.3 電感反饋振蕩器

4.2.4 兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器

4.2.5 場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器

4.2.6 '壓控振蕩器

4.2.7 E1648單片集成振蕩器

4.3 頻率穩(wěn)定度

4.3.1 頻率穩(wěn)定度的意義和表征

4.3.2 振蕩器的穩(wěn)頻原理

4.3.3 提高頻率穩(wěn)定度的措施

4.4 LC振蕩器的設(shè)計(jì)考慮

4.5 石英晶體振蕩器

4.5.1 石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度

4.5.2 晶體振蕩器電路

4.5.3 高穩(wěn)定晶體振蕩器

4.6 振蕩器中的幾種現(xiàn)象

4.6.1 間歇振蕩

4.6.2 頻率拖曳現(xiàn)象

4.6.3 振蕩器的頻率占據(jù)現(xiàn)象

4.6.4 寄生振蕩

參考文獻(xiàn)

思考題與習(xí)題

5.1 非線性電路的分析方法

5.1.1 非線性函數(shù)的級(jí)數(shù)展開(kāi)分析法

5.1.2 線性時(shí)變電路分析法

5.2 二極管電路

5.2.1 單二極管電路

5.2.2 二極管平衡電路

5.2.3 二極管環(huán)形電路

5.3 差分對(duì)電路

5.3.1 單差分對(duì)電路

5.3.2 雙差分對(duì)電路

5.4 其它頻譜線性搬移電路

5.4.1 晶體三極管頻譜線性搬移電路

5.4.2 場(chǎng)效應(yīng)管頻譜線性搬移電路

參考文獻(xiàn)

思考題與習(xí)題

6.1 振幅調(diào)制

6.1.1 振幅調(diào)制信號(hào)分析

6.1.2 振幅調(diào)制電路

6.2 調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)

6.2.1 調(diào)幅解調(diào)的方法

6.2.2 二極管峰值包絡(luò)檢波器

6.2.3 同步檢波

6.3 混頻

6.3.1 混頻的概述

6.3.2 混頻電路

6.4 混頻器的干擾

6.4.1 信號(hào)與本振的自身組合干擾

6.4.2 外來(lái)干擾與本振的組合干擾

6.4.3 交叉調(diào)制干擾(交調(diào)干擾)

6.4.4 互調(diào)干擾

6.4.5 包絡(luò)失真和阻塞干擾

6.4.6 倒易混頻

參考文獻(xiàn)

思考題與習(xí)題

7.1 調(diào)頻信號(hào)分析

7.1.1 調(diào)頻信號(hào)的參數(shù)與波形

7.1.2 調(diào)頻波的頻譜

7.1.3 調(diào)頻波的信號(hào)帶寬

7.1.4 調(diào)頻波的功率

7.1.5 調(diào)頻波與調(diào)相波的比較

7.2 調(diào)頻器與調(diào)頻方法

7.2.1 調(diào)頻器

7.2.2 調(diào)頻方法

7.3 調(diào)頻電路

7.3.1 直接調(diào)頻電路

7.3.2 間接調(diào)頻電路

7.4 鑒頻器與鑒頻方法

7.4.1 鑒頻器

7.4.2 鑒頻方法

7.5 鑒頻電路

7.5.1 疊加型相位鑒頻電路

7.5.2 比例鑒頻器

7.5.3 正交鑒頻器

7.5.4 其它鑒頻電路

7.5.5 限幅電路

7.6 調(diào)頻收發(fā)信機(jī)及特殊電路

7.6.1 調(diào)頻發(fā)射機(jī)

7.6.2 調(diào)頻接收機(jī)

7.6.3 特殊電路

7.7 調(diào)頻多重廣播

7.7.1 調(diào)頻立體聲廣播

7.7.2 電視伴音的多重廣播

附表貝塞爾函數(shù)的數(shù)值表

參考文獻(xiàn)

思考題與習(xí)題

8.1 自動(dòng)增益控制電路

8.1.1 工作原理

8.1.2 自動(dòng)增益控制電路

8.1.3 AGc的性能指標(biāo)

8.2 自動(dòng)頻率控制電路

8.2.1 工作原理

8.2.2 主要性能指標(biāo)

8.2.3 應(yīng)用

8.3 鎖相環(huán)的基本原理

8.3.1 工作原理

8.3.2 基本環(huán)路方程

8.3.3 鎖相環(huán)工作過(guò)程的定性分析

8.3.4 鎖相環(huán)路的線性分析

8.3.5 鎖相環(huán)路的應(yīng)用

8.4 頻率合成器

8.4.1 頻率合成器及其技術(shù)指標(biāo)

8.4.2 頻率合成器的類(lèi)型

8.4.3 鎖相頻率合成器

8.4.4 集成鎖相環(huán)頻率合成器

參考文獻(xiàn)

思考題與習(xí)題

第9章 高頻電路的集成化與EDA

9.1 高頻電路的集成化

9.1.1 高頻集成電路的類(lèi)型

9.1.2 高頻電路的集成化技術(shù)

9.1.3 高頻集成電路的發(fā)展趨勢(shì)

9.2 高頻集成電路

9.2.1 高頻單元集成電路

9.2.2 高頻組合集成電路

9.2.3 高頻系統(tǒng)集成電路

9.3 高頻電路EDA

9.3.1 EDA技術(shù)及其發(fā)展

9.3.2 EDA技術(shù)的特征與EDA方法

9.3.3 EDA 212具

9.3.4 高頻電路EDA

參考文獻(xiàn)