高頻西電教學(xué)課件：2-高頻電路基礎(chǔ)

1、1第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2.1 高頻電路中的元器件2.2 高頻電路中的基本電路 2.3 電子噪聲2.4 噪聲系數(shù)和噪聲溫度22.1 高頻電路中的元器件 各種高頻電路基本上是由有源器件、 無源元件和無源網(wǎng)絡(luò)組成的。 高頻電路中使用的元器件與在低頻電路中使用的元器件基本相同, 但要注意它們在高頻使用時(shí)的高頻特性。 高頻電路中的元件主要是電阻(器)、 電容(器)和電感(器), 它們都屬于無源的線性元件。 一、高頻電路中的元件 1、電阻 一個實(shí)際的電阻器, 在低頻時(shí)主要表現(xiàn)為電阻特性,但在高頻使用時(shí)不僅表現(xiàn)有電阻特性的一面, 而且還表現(xiàn)有電抗特3性的一面。 電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。 一個

2、電阻R的高頻等效電路如圖2-1所示, 其中, CR為分布電容, LR為引線電感, R為電阻。 通常，表面貼裝電阻的高頻特性好于金膜電阻，金膜電阻好于炭膜電阻，線繞電阻的高頻特性最差。 圖 2-1 電阻的高頻等效電路 4 2、電容 由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體即構(gòu)成電容。 一個電容器的等效電路卻如圖2-2（a）所示。 理想電容器的阻抗1/(jC), 如圖2-2（b）虛線所示, 其中, f為工作頻率, =2f。 高頻電路中常常使用片狀電容和表面貼裝電容，因?yàn)槠涓哳l特性較好。 圖2-2 電容器的高頻等效電路 (a) 電容器的等效電路; （b） 電容器的阻抗特性 自身諧振頻率容性區(qū)感性區(qū)5 3、電感 電感的作用

3、：諧振元件、濾波元件、阻隔元件。 電感的耗損：電感一般都是由導(dǎo)線繞制的，一般都有一定直流電阻，同時(shí)由于存在渦流、磁滯和電磁輻射等損失，所以電感就存在耗損。 品質(zhì)因素：定義為電路中無功功率與有功功率之比，是專門用來描述電路的能量耗損的。 高頻電感器與普通電感器一樣, 電感量是其主要參數(shù)。 電感量L產(chǎn)生的感抗為jL, 其中, 為工作角頻率。6 高頻電感器也具有自身諧振頻率SRF。 在SRF上, 高頻電感的阻抗的幅值最大, 而相角為零, 如圖2-3所示。 圖 2-3 高頻電感器的自身諧振頻率SRF 感性區(qū)容性區(qū)7二、高頻電路中的有源器件 用于低頻或其它電子線路的器件沒有什么根本不同。 1、二極管 二

4、極管的作用：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, 工作在低電平。 常用高頻二極管的類型： (1) 點(diǎn)觸式二極管：其最高工作頻率約200300MHz (2) 表面勢壘二極管：其最高工作頻率約200300MHz (3) 變?nèi)荻O管：其電容隨偏置電壓變化而變化。8 2、晶體管與場效應(yīng)管（FET） 在高頻中應(yīng)用的晶體管仍然是雙極晶體管和各種場效應(yīng)管，通常這些管子比用于低頻的管子性能更好, 在外形結(jié)構(gòu)方面也有所不同。 高頻晶體管有兩大類型: (1) 一類是作小信號放大的高頻小功率管, 對它們的主要要求是高增益和低噪聲; (2) 另一類為高頻功率放大管, 除了增益外,

5、 要求其在高頻有較大的輸出功率。 9 3、集成電路 用于高頻的集成電路的類型和品種要比用于低頻的集成電路少得多, 主要分為通用型和專用型兩種。 目前通用型的寬帶集成放大器，其增益可達(dá)5060dB甚至更高，其工作頻率可達(dá)100200MHz甚至更高。 10 本節(jié)將介紹高頻電路中常用的基本（無源）電路，也稱無源組件或無源網(wǎng)絡(luò)，這些無源組件或無源網(wǎng)絡(luò)主要包括：高頻振蕩（諧振）回路、高頻變壓器、諧振器與濾波器等, 它們完成信號的傳輸、 頻率選擇及阻抗變換等功能。2.2 高頻電路中的基本電路11一、高頻振蕩回路 高頻振蕩回路是高頻電路中應(yīng)用最廣的無源網(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

6、部件, 在電路中完成阻抗變換、 信號選擇等任務(wù), 并可直接作為負(fù)載使用。 1、簡單振蕩回路(只有一個回路) 振蕩回路就是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)形成的回路。 只有一個回路的振蕩電路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路。 (1)、并聯(lián)諧振回路 1）電路結(jié)構(gòu) 12 圖2-4 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： (2-1) 感性區(qū)容性區(qū)13回路諧振時(shí)，虛部應(yīng)為零，即：14 2）諧振頻率：定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯(lián)諧振頻率0。令Zp的虛部為零, 求解方程的根就是0, 可得式中, Q為回路的品

7、質(zhì)因數(shù), 有： （2-4） （2-2） （2-3） 15 4）諧振電阻：回路在諧振時(shí)的阻抗最大, 為一純電阻R0：（2-5） 由前面分析可知，若電感的耗損電阻越小，回路的Q值越高，其諧振電阻R0越大。3）特征阻抗：定義為（2-6） 16（2-7） （2-9）并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng), 此時(shí)與0相差不大, 式（2-7）可進(jìn)一步簡化為式中, =-0。 稱為廣義失諧。 對應(yīng)的阻抗模值與相角分別為5）相位特性高Q時(shí)，由式(2-1)可得：17 在實(shí)際應(yīng)用中, 外加信號的頻率與回路諧振頻率0之差=-0表示頻率偏離諧振的程度, 稱為失諧。 當(dāng)與0很接近時(shí), 18（2-12）（2-14） 圖2-5 表示了并聯(lián)

8、振蕩回路中諧振時(shí)的電流、 電壓關(guān)系。 19 6）通頻帶（半功率點(diǎn)頻帶） 當(dāng)保持外加信號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)對應(yīng)的頻率范圍稱為回路的通頻帶, 也稱回路帶寬, 通常用B來表示。 令上式等于 , 則可推得=1, 從而可得帶寬為：(2-10) 207）矩形系數(shù)：定義為阻抗的幅頻特性下降為諧振值的0.1時(shí)的頻帶寬度與阻抗的幅頻特性下降為諧振值的0.707時(shí)的頻帶寬度之比。即其中：B0.1諧振曲線下降為諧振值的0.1時(shí)的頻帶寬度 B0.707諧振曲線下降3dB的頻帶寬度矩形系數(shù)是大于1的（理想時(shí)為1），矩形系數(shù)越小，回路的選擇性越好。 對于單級簡單并聯(lián)諧振回路，可以計(jì)

9、算出其矩形系數(shù)為： (2-11) 21 需要說明的幾點(diǎn)：通過前面分析可知 (1) 回路的品質(zhì)因素越高，諧振曲線越尖銳，回路的通頻帶越狹窄，但矩形系數(shù)不變。因此，對于簡單（單級）并聯(lián)諧振回路，通頻帶與選擇性是不能兼顧的。 (2) 前面的結(jié)論均是在“高Q”情況下，如果Q值較低，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率將低于高Q時(shí)的諧振頻率，并使諧振曲線和相位特性隨著Q值而偏離。 (3) 以上所知品質(zhì)因素均是指回路沒有外加負(fù)載時(shí)的值，稱為空載Q值或Q0。當(dāng)回路有外加負(fù)載時(shí)，品質(zhì)因素要用有載Q值或QL表示。其中的r為考慮負(fù)載后總的耗損電阻。22 例3-1：設(shè)一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載, 信號中心頻率fs=10MH

10、z, 回路電容C=50 pF, (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=0.5 MHz, 則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求? 解： (1) 計(jì)算L值。 由式(2-4), 可得23將f0以兆赫茲(MHz)為單位, 以皮法(pF)為單位, L以微亨（H）為單位， 上式可變?yōu)橐粚?shí)用計(jì)算公式: 將f0=fs=10 MHz代入, 得 (2) 回路諧振電阻和帶寬。由式(2-12)24回路帶寬為 (3) 求滿足0.5 MHz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R1R0, 總

11、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=0.5 MHz, 故根據(jù) 可得，回路總電阻為：25 需要在回路上并聯(lián)7.97 k的電阻。 （2） 串聯(lián)諧振回路 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2-4（a）是最簡單的串聯(lián)振蕩回路。 26 圖2-6 串聯(lián)諧振回路及其特性 感性區(qū)容性區(qū)感性區(qū)容性區(qū)27 若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號 , 則發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)因阻抗最小, 流過電路的電流最大, 稱為諧振電流, 其值為（2-15） 在任意頻率下的回路電流 與諧振電流之比為回路阻抗：諧振頻率：28 其模為 其中： 29 稱為回路的品質(zhì)因數(shù),

12、 它是振蕩回路的另一個重要參數(shù)。 根據(jù)前式可以畫出相應(yīng)的曲線如下圖所示, 稱為諧振曲線。 圖 2- 串聯(lián)諧振回路的諧振曲線圖2 串聯(lián)回路在諧振時(shí)的電流、 電壓關(guān)系 30 在實(shí)際應(yīng)用中, 外加信號的頻率與回路諧振頻率0之差=-0表示頻率偏離諧振的程度, 稱為失諧。 當(dāng)與0很接近時(shí), 令 為廣義失諧, 則式（2-5）可寫成31 串聯(lián)諧振回路總結(jié)： (1) 在串聯(lián)諧振回路的阻抗特性、幅頻特性、相頻特性與并聯(lián)諧振回路成對偶關(guān)系。如圖2-6所示。 (2) 諧振頻率、品質(zhì)因素、通頻帶、矩形系數(shù)等與并聯(lián)諧振回路相同（高Q時(shí)）。 32 2、 抽頭并聯(lián)振蕩回路 在實(shí)際應(yīng)用中，常用到激勵源或負(fù)載與回路電感或電容部

13、分連接聯(lián)結(jié)的并聯(lián)振蕩回路，稱為抽頭并聯(lián)振蕩回路。如圖2-7所示。 (1) 接入系數(shù)p：定義為與外電路相連的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質(zhì)總電抗之比。也可定義為電壓之比。 對于圖(2-7)(a)，若忽略兩部分之間的互感，則抽頭系數(shù)可直接用電感之比，也可近似用匝數(shù)之比。 對于圖(2-7)(b)，可得(2-16)33圖2-7 幾種常見抽頭振蕩回路 34下面以圖2-7(a)、(b)為例分析抽頭并聯(lián)振蕩回路的特性。 (2) 阻抗變換特性 對于圖(2-7)(a)，考慮是窄帶高Q的實(shí)際情況，當(dāng)諧振時(shí)，輸入端呈現(xiàn)的電阻設(shè)為R，從功率相等的關(guān)系，有：（2-17）（2-18） 當(dāng)未諧振時(shí)，輸入端呈現(xiàn)的阻抗為：

14、（2-19） 35（2-21） （2-22） (3) 電流、電壓變換特性 由式(2-16)可得： 對于圖(2-8)所示得電流源，利用能量守恒關(guān)系，容易得到其折合關(guān)系為： 值得注意得是：對于抽頭并聯(lián)振蕩回路，對阻抗變換的變比為p2，而對信號源（電流、電壓）的變比為p。圖 2-8 電流源的折合 36(4) 電路諧振時(shí)，電流的折合關(guān)系 （2-23） 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。 諧振時(shí)成立37 例2： 如圖2-11， 抽頭回路由電流源激勵, 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 2-11 例2的抽頭回路 38 解 由于忽略了回路本身

15、的固有損耗, 因此可以認(rèn)為空載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 39 回路兩端電壓u(t)與i(t)同相, 電壓振幅U=I*R=2 V, 故 輸出電壓為 回路有載品質(zhì)因數(shù) 回路帶寬 40 3、耦合振蕩回路 在高頻電路中, 有時(shí)用到兩個互相耦合的振蕩回路, 也稱為雙調(diào)諧回路。把接有激勵信號源的回路稱為初級回路, 把與負(fù)載相接的回路稱為次級回路或負(fù)載回路。 在高頻電路中，耦合振蕩回路主要完成以下兩方面的功能：A、阻抗變換 B、提供比簡單諧振回路更好的頻率特性。 圖 2-10 是兩種常見的耦合回路。 圖 2-10（a）是互感耦合電路, 圖 2-10

16、(b)是電容耦合回路。 41 圖 2-10 兩種常見的耦合回路及其等效電路 42（2-24） 對于圖 2-10（b）電路, 耦合系數(shù)為（2-25） 1）耦合系數(shù)k：是指耦合電路中的耦合電抗Zm與初次級中和Zm同性質(zhì)兩電抗的幾何平均值之比。 對于圖 2-10（a）電路, 耦合系數(shù)為一般C1 = C2 = C：通常 CM C： k143 （2-26） 電流 ，次級必然又會對初級產(chǎn)生反作用(即 要在初級產(chǎn)生反電動勢） 。或2）反映（射）阻抗Zf ：是指由于次級回路的存在而對初級回路的影響，這種影響相當(dāng)于在初級回路接一反映（射）阻抗Zf。 設(shè)有激勵時(shí)，初級電流為 ，將會在次級回路形成一感應(yīng)電動勢 ，設(shè)

17、次級回路阻抗為Z2，從而形成次級44（2-27） （2-28）耦合因子定義為： 根據(jù)圖2-10(c)容易求得，初次級串聯(lián)阻抗可分別表示為 耦合阻抗為： 耦合因子與轉(zhuǎn)移阻抗 設(shè)初、次級回路的參數(shù)相同，均為C、L、Q，其廣義失諧為45由圖2-10(c)等效電路, 轉(zhuǎn)移阻抗為 (2-29) 由次級感應(yīng)電勢 產(chǎn)生, 有考慮次級的反映阻抗, 則初級總電壓 將上兩式代入式(2-29), 再考慮其它關(guān)系, 經(jīng)簡化得 46 (2-30)根據(jù)同樣的方法可以得到電容耦合回路的轉(zhuǎn)移阻抗特性為 （2-31） （2-32） 以廣義失諧 為變量，對轉(zhuǎn)移阻抗Z21求極值可知：當(dāng)A1時(shí)有兩個極大值，且在 處有凹點(diǎn)，通常將A1

18、的情況成為臨界耦合，此時(shí)的轉(zhuǎn)移阻抗用| Z21 |max表示。有47 （2-35） （2-33） （2-34） 式（2-32）與頻率的關(guān)系稱為耦合回路的頻率特性見圖2-11。在臨界耦合時(shí)（A1）有：我們將A1（k1（kKc)的情況成為過耦合。類似單諧振回路，可以求出回路帶寬（當(dāng) 時(shí)）：通頻帶：48 圖 2-11 耦合回路的頻率特性 49 在臨界耦合時(shí)，其矩形系數(shù)為3.15，顯然比簡單諧振回路小的多。二、高頻變壓器和傳輸線變壓器 1、高頻變壓器 1）功能： 高頻變壓器通常工作在幾十兆赫茲的高頻電路中，用于傳輸信號、隔絕直流和阻抗變換等。 矩形系數(shù)50 2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 高頻變壓器的基本原理與低頻變壓

19、器相同，也是靠磁通交鏈, 或者說是靠互感進(jìn)行耦合的。 (1) 為了減少損耗, 高頻變壓器常用導(dǎo)磁率高、 高頻損耗小的軟磁材料作磁芯，如鐵氧體。 (2) 常用高頻變壓器的磁心結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。 (3) 高頻變壓器一般用于小信號場合, 尺寸小, 線圈的匝數(shù)較少。 3）等效電路 高頻變壓器的等效電路如圖2-13(b)所示，其中Ls為漏感，Cs為分布電容。51 圖 2-12 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 2-13 高頻變壓器及其等效電路 (a) 電路符號; (b) 等效電路52 4）帶抽頭高頻變壓器 圖 2-14(a)是一中心抽頭變壓器的示意圖。

20、 初級為兩個等匝數(shù)的線圈串聯(lián), 極性相同，設(shè)初次級匝比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：(2-37) (2-36) 圖 2-14 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 53 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，它是一種集中參數(shù)與分布參數(shù)相結(jié)合的組件。 圖 2-15 為其典型的結(jié)構(gòu)和電路圖。 1） 結(jié)構(gòu)圖 2-15 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 54 圖 2-16 傳輸線變壓器的工作方式 (a) 傳輸線方式; (b) 變壓器方式 2）工作方式（模

21、式） 有兩種工作模式：傳輸線方式和變壓器方式，不同方式?jīng)Q定于不同的激勵模式。如下圖 如果傳輸線不繞在磁芯上，它就相當(dāng)于兩根短導(dǎo)線，輸入信號就會1、2短路，無法加到1、3端，負(fù)載也會被3、4短路。只有把他們繞在磁芯上輸入構(gòu)成變壓器，通過線圈的磁耦合完成初級、次級間的能量傳輸。因此說，傳輸線變壓器是傳輸線原理與變壓器原理的完美結(jié)合的產(chǎn)物。在許多電子線路中，連接各器件的電線的長度是基本可以被忽略的。也就是說在電線各點(diǎn)同一時(shí)刻的電壓可以認(rèn)為是相同的。但是，當(dāng)電壓的變化和信號沿電線傳播下去的時(shí)間可以比擬時(shí)，電線的長度變得重要了，這時(shí)電線就必須被處理成傳輸線。換言之，當(dāng)信號所包含的頻率分量的相應(yīng)的波長較之

22、電線長度小或二者可以比擬的時(shí)候，電線的長度是很重要的。常見的經(jīng)驗(yàn)方法認(rèn)為如果電纜或者電線的長度大于波長的1/10，則需被作為傳輸線處理。 在這個長度下相位延遲和線中的反射干擾非常顯著，那么沒有用傳輸線理論仔細(xì)研究設(shè)計(jì)過的系統(tǒng)就會出現(xiàn)一些不可預(yù)知行為。57 傳輸線的原理特點(diǎn)：是利用兩導(dǎo)線間（或同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間）的分布電容和分布電感形成一電磁波的傳輸系統(tǒng)。它傳輸?shù)念l率范圍很寬，可達(dá)及千兆赫。 當(dāng)傳輸線端接的負(fù)載電阻與特性阻抗（ ）相等時(shí)，傳輸線上傳輸行波，此時(shí)有最大的傳輸帶寬。 行波的特點(diǎn)： (1) 傳輸線上任一點(diǎn)上，兩導(dǎo)線上流過的電流大小相等、方向相反; (2) 兩導(dǎo)線上電流所產(chǎn)生的磁通只存在于

23、兩導(dǎo)線間，磁心中沒有磁通和耗損； (3) 兩導(dǎo)線間的電壓（振幅）沿導(dǎo)線均勻分布。58（2-38） （2-39） 3）主要參數(shù)波速波長其中 為傳輸線的相對介電常數(shù)，總是大于1的（一般24）。59 圖 2-17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） 14 阻抗變換器; (d) 3 分貝耦合器 阻抗變換 1：4阻抗變換：4：1阻抗變換： 把不平衡的輸入電阻轉(zhuǎn)換為4倍的平衡的負(fù)載電阻。 9：1阻抗變換器若用 n 個 1 : 1 傳輸線變壓器,則可得到(n+1)2 : 1的阻抗變換器.功率合成技術(shù) 在高頻功率放大電路中，受高頻功放管的極限參數(shù)限制，單個高頻功放管

24、的輸出功率還比較小，當(dāng)發(fā)射機(jī)輸出功率超過單管輸出功率時(shí)，可以采用幾個小功率晶體管輸出功率疊加起來以獲得足夠大的輸出功率，這就是功率合成技術(shù)。 有了 N 只特性相同的功率單元之后，要研究的是如何用一個激勵源分別推動它們，以及如何將它們各自的輸出合成為 N 倍功率。 理想的功率合成系統(tǒng)應(yīng)滿足下列條件： 互相無關(guān)條件：功率合成器的各放大單元電路應(yīng)是彼此隔離、各自獨(dú)立的。任何一個放大單元發(fā)生故障不應(yīng)影響其它放大單元的正常工作。 功率合成條件：若每個單元的額定輸出功率為 Pi，則合成后的總功率應(yīng)為 N*Pi。這就要求各單元有相同的電路、相同的增益和相同的相位特性。 用于功率分配與合成的網(wǎng)絡(luò)有高頻變壓器、

25、3dB 定向耦合器和傳輸線變壓器等。在 HF 頻段主要是使用后者?，F(xiàn)將其原理簡述于下： 傳輸線變壓器是由兩根等長的傳輸線 (平行導(dǎo)線、扭絞線、帶狀線或同軸線等 )穿繞在一個高頻、高導(dǎo)磁率的閉合磁環(huán)上而構(gòu)成的。傳輸線的兩個線圈中，流過大小相等、方向相反的電流，因此，磁芯中的磁場相互抵消，磁芯中無功率損耗，對傳輸不產(chǎn)生影響，這是與變壓器工作方式最重要的區(qū)別之一。 傳輸線變壓器的磁芯并不是用來傳輸功率，用磁芯的目的是用來增大線圈電感，以便改善和擴(kuò)展低頻響應(yīng)。因不傳輸功率，就不存在磁飽和、發(fā)熱，不需較大的截面積和尺寸。傳輸線變壓器的結(jié)構(gòu)簡單成本低、體積小、頻帶寬、傳輸功率大。其頻帶可寬至數(shù)百兆赫、甚至

26、超過千兆赫。傳輸線變壓器在高頻電路中具有重要用途，如阻抗變換器、平衡 - 不平衡變換器、分相器、功率分配及合成等，一臺收發(fā)信機(jī)中，不知有多少個大大小小的傳輸線變壓器。 在功率分配與合成電路中，使用的是 1:4 傳輸線阻抗變換器，因此我們先要討論一下這種電路： 若將信號源與負(fù)載互換為 4:1 阻抗變換器傳輸線變壓器與普通變壓器有共同之處，可以用兩個繞組相同的自耦變壓器來理解它，如圖 (A) 為二倍升壓自耦變壓器，相當(dāng)于 1:4 傳輸線變壓器；(B) 為 1/2 降壓自耦變壓器，相當(dāng)于 4:1 傳輸線變壓器。 了解了阻抗變換器原理之后，對理解功率分配與合成網(wǎng)絡(luò)很有幫助!傳輸線分配及合成網(wǎng)絡(luò)的基本電

27、路，其中 (A) 為傳輸線形式，(B) 為用變壓器方式的表示。 功率合成網(wǎng)絡(luò) 在A點(diǎn) 在B點(diǎn) RC上所獲得的功率為PC=0， RD上所獲得的功率為PD=IA(2V)=2V*IA而A、B兩端輸出功率為PA=PB=V*IA所以 PD=PA+PB=2PA由此可見，RD上所獲得的功率為A、B兩端輸出功率之和，而RC上沒有消耗功率。根據(jù)基爾霍夫定理：在A點(diǎn) I=I1+I2 在B點(diǎn) I2=I1+I故 I1 = 0， I2=I，PC=0，則 PD=(1/2)(2U)I=UI而 PA=PB=(1/2)UI即 PD =PA+PB（1） 功率合成原理：在A、B端加有信號，則C或D端有相加功率輸出反相功率合成 A、

28、B 端加有反相激勵電壓, 則 D端有合成功率輸出,而 C 端無輸出.RC = (1/4 )RD為滿足功率合成條件，混合網(wǎng)絡(luò)中的四個電阻應(yīng)為：RA = RB = 2 RC隔離條件 Zc 為傳輸線變壓器的特性阻抗，由于 RD=4Rc，故為 1:4 阻抗變換器。 RA = RB = ZcA、B端隔離（互不影響） 當(dāng)只有 A 端激勵時(shí)，C、D端有相等的功率輸出，而 B 端無輸出。傳輸線變壓器的特征阻抗ZC = （ U） / I1 = （ U ）/（ I ） = U / I = R同理可證 A、B 端加有同相激勵電壓, 則 C 端有合成功率輸出,而 D 端無輸出.同相功率合成（2） 功率分配原理C 端激

29、勵 PA= PB， PD= 0D 端激勵 PA= -PB， Pc= 0同相功率分配反相功率分配1（3） 小結(jié)234匹配及隔離條件：RC =( ) RD ， RA = RB = 2 RC = RDA、B反相激勵，C 端無輸出，D有合成功率輸出。A、B同相激勵，D 端無輸出，C有合成功率輸出。D端激勵，C 端無輸出，A、B端有相等的反相功率輸出。C端激勵，D 端無輸出，A、B端有相等的同相功率輸出。77三、石英晶體諧振器 1、物理特性 石英晶體是SiO2的結(jié)晶體，在自然界中是以六角錐體出現(xiàn)，有三個對稱軸：z軸（光軸）、x軸（電軸）和y軸（機(jī)械軸）。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

30、。 正壓電效應(yīng)：是指當(dāng)晶體受外力作用而變形時(shí)，將在它對應(yīng)的表面產(chǎn)生正、負(fù)電荷，形成電壓的現(xiàn)象。 負(fù)壓電效應(yīng)：是指當(dāng)在晶體兩表面加以一定電壓時(shí)，晶體又會產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象。 78187919802、等效電路及阻抗特性由圖 2-20(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分別為(2-41) (2-42) (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 81（2-43） 圖 2-22(b)所示的等效電路的阻抗的一般表示式為 在忽略rq后, 上式可化簡為 （2-44） 或82圖 2-21 晶體諧振器的電抗曲線 （2-46） 83總之，晶體

31、諧振器與一般諧振回路比較，有以下特點(diǎn)： (1) 晶體的諧振頻率fq和f0非常穩(wěn)定，這是由晶體的物理特性決定的，受外界影響很小。 (2) 有非常高的品質(zhì)因數(shù)（一般Q值可上萬，而普通諧振回路Q值只能達(dá)到100200）。 (3) 接入系數(shù)非常小，一般為10-3數(shù)量級，甚至更小。 (4) 晶體在工作頻率附近阻抗變化非常大，有很高的并聯(lián)諧振阻抗。84圖 2-24 晶體濾波器的電路與衰減特性（a） 濾波器電路; （b） 衰減特性 3、晶體諧振器的應(yīng)用 (1) 晶體振蕩器 (2) 高頻窄帶濾波器85四、 集中濾波器 集中濾波器的引入： 集中濾波器的常見類型：LC式集中選擇濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表

32、面波濾波器。 1、陶瓷濾波器 壓電陶瓷：某些經(jīng)過特殊處理（經(jīng)高壓電場極化）后的陶瓷具有與石英晶體類似的壓電效應(yīng)，這種陶瓷稱為壓電陶瓷。壓電陶瓷的等效電路與石英晶體類似。 86壓電陶瓷的特性：Q值：遠(yuǎn)大于LC回路，遠(yuǎn)小于石英晶體； 帶寬：小于LC回路，大于石英晶體； 工作頻率：1100MHz 相對帶寬：0.1%10% 圖 2-25 陶瓷濾波器電路 87 2、聲表面波濾波器 (1) 聲表面波(SAW)：是在壓電固體材料表面產(chǎn)生和傳播、且振幅隨深入固體材料的深度增加而迅速減小的彈性波。 (2) 聲表面波的特點(diǎn)：A、能量密度高，其中90%的能量集中在厚度等于一個波長的表面薄層中； B、傳輸速度慢，約為

33、縱波速度的45%，是橫波速度的90% 。 (3) 聲表面波器件：是一種利用沿彈性固體表面?zhèn)鞑C(jī)械振動波的器件。主要有濾波器、延遲線等。88 (4) 聲表面波濾波器的傳輸函數(shù) 圖 2-26為聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖 其的傳輸函數(shù)為 （2-47） 8990 (5) 聲表面器件的主要特性 A、工作頻率范圍寬，可達(dá)1010000MHz； B、相對頻帶也較寬，一般可達(dá)1%50%； C、便于微型化和片式化； D、帶內(nèi)插入衰減大，一般不低于15dB最突出的不足； E、矩形系數(shù)可做到1.12；如圖2-24. 總之，聲表面波器件與其他濾波器相比，具有：頻率特性好、性能穩(wěn)定、體積小、設(shè)計(jì)靈活、可靠性高，制造簡單且

34、重復(fù)性好，便于大批量生產(chǎn)。9192五、 衰減器與匹配器 1、高頻衰減器 高頻衰減器的分類：固定高頻衰減器、可調(diào)高頻衰減器。 高頻衰減器的結(jié)構(gòu)：T型、型、O型、L型、U型、橋T型等，其中T型和型用的最廣泛。 高頻衰減器的線路阻抗：主要有50和75兩種。圖2-25 T型和網(wǎng)絡(luò)932、高頻匹配器 高頻匹配器主要用于阻抗變換，由于在高頻電路中，其常用組件或電路的輸入、輸出阻抗要么是50的，要么是75的，所以，常用高頻匹配器主要是50和75之間進(jìn)行變換。T型匹配器電路如下圖所示。 圖 2-26 T型電阻網(wǎng)絡(luò)匹配器 942.3 電子噪聲及其特性 一、 概述 1、干擾（或噪聲）的概念（廣義）：是指電路中除有

35、用信號以外的一切不需要的信號及各種電磁騷動的總稱。 因此，從廣義上看干擾和噪聲沒有本質(zhì)區(qū)別。 2、干擾（狹義）：是指由外部來的無用信號或電磁騷動的總稱，通常又稱外部干擾。 3、噪聲（狹義）：是指由與電路或系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的各種無用信號或電磁騷動的總稱，通常又稱內(nèi)部噪聲。 4、抑制外部干擾的主要措施包括：消除干擾源、切斷干擾傳播途徑和躲避干擾等。95 在高頻電路中內(nèi)部噪聲主要是電子噪聲，本節(jié)主要介紹電子噪聲的有關(guān)情況。幾個概念： 功率譜密度：單位頻帶內(nèi)噪聲的功率。 電壓譜密度：單位頻帶內(nèi)噪聲電壓的均方值。 電流譜密度：單位頻帶內(nèi)噪聲電壓的均方值。 高斯噪聲：噪聲電壓概率密度滿足正態(tài)（高斯）分布的噪聲

36、。 白噪聲：其功率譜密度不隨頻率變化的噪聲（如電阻熱噪聲）。96二、 電子噪聲的來源與特性 1. 電阻熱噪聲 由于導(dǎo)體和電阻中存在大量自由電子，這些自由電子將作不規(guī)則的熱運(yùn)動，大量電子的熱運(yùn)動就會在電阻兩端產(chǎn)生起伏電壓（電勢），這種因熱運(yùn)動而產(chǎn)生的起伏電壓就稱為電阻的熱噪聲， 如圖2-27所示。2797 1) 熱噪聲電壓和功率譜密度 （2-49） （2-50） 上式為奈奎斯特公式，式中k為波爾茨曼常數(shù)，k=1.36*10-23，B為測量此電壓時(shí)的帶寬，K為絕對溫度。 根據(jù)概率論，總的噪聲電壓服從正態(tài)（高斯）分布，其概率密度為：噪聲電壓均方值：根據(jù)上式可得噪聲電壓|un|4Un的概率小于0.01

37、%.98圖 2-28 電阻熱噪聲等效電路 （2-51） （2-52） 電壓譜密度：電流譜密度：等效根據(jù)上圖可得電阻熱噪聲的最大輸出功率為kTB，其輸出單位頻帶內(nèi)的最大噪聲功率為kT，它與觀測的頻帶無關(guān)，因而屬于白噪聲。99 2) 線性電路中的熱噪聲 （1）多個電阻的熱噪聲（以兩個電阻串聯(lián)為例，可得）（2-53） (2-54) 圖 2-29熱噪聲通過線路電路的模型 即只要各噪聲源是相互獨(dú)立的，多個電阻的熱噪聲滿足均方電壓相加原則。（2） 熱噪聲通過線性電路 其中：Suo,Sui分別為網(wǎng)絡(luò)的輸出、輸入端的噪聲電壓譜密度，Un2為輸出噪聲電壓均方值。100 圖 2 30并聯(lián)回路的熱噪聲(2-55)

38、例：下面以熱噪聲通過并聯(lián)諧振回路為例，來進(jìn)一步分析熱噪聲通過線性網(wǎng)絡(luò)的情況：上圖(a)的等效四端網(wǎng)絡(luò)(b)的傳輸函數(shù)為：101 并聯(lián)回路可以等效為Re+jXe（圖 2-33（c）,現(xiàn)在看上述輸出噪聲譜密度與Re、 Xe的關(guān)系。 展開化簡后得 與式(2-55)對比, 可得 (2-56) 102由式(2-55)和(2-56) 可得如下結(jié)論：對于二端線性電路，其噪聲電壓或噪聲電流譜密度可以用與Re或 Ge來代替式(2-51)或(2-52)中的R或G。電阻熱噪聲通過線性電路后，一般不再是熱噪聲了，也不再是白噪聲了，因?yàn)槠涔β首V密度與頻率有關(guān)。下面我們計(jì)算輸出端的噪聲電壓均方值。103 根據(jù)式(2-55

39、)與式(2-56)可以求出輸出端的均方噪聲電壓為：104 3) 噪聲帶寬 噪聲帶寬的引入：根據(jù)電阻熱噪聲的公式(2-49):其中有一帶寬因子B，由于電阻.，(P47倒二段) 圖 2-29 是一線性系統(tǒng), 其電壓傳輸函數(shù)為H(j)。 設(shè)輸入一電阻熱噪聲,均方電壓譜為SUi=4kTR, 輸出均方電壓譜為SUo, 則輸出均方電壓U2n2為 設(shè)|H(j)|的最大值為H0, 則可定義一等效噪聲帶寬Bn, 令（2-57） 105 則等效噪聲帶寬Bn為（2-58）噪聲帶寬Bn的意義：分析下圖圖2-31 線性系統(tǒng)的等效噪聲帶寬106 例：現(xiàn)以圖2-30 的單振蕩回路為例, 計(jì)算其等效噪聲帶寬。 設(shè)回路為高Q電

40、路, 設(shè)諧振頻率為f0， 由前面分析, 再考慮到高Q條件, 此回路的|H(j)| 2可近似為 式中, f為相對于f0的頻偏, 由此可得等效噪聲帶寬為1072. 晶體三極管的噪聲(詳見教材) 1) 散彈（粒）噪聲：在晶體管中，每個載流子都是隨機(jī)地通過PN結(jié)，因此結(jié)電流是圍繞其平均值起伏變化的，把這種載流子隨機(jī)起伏流動產(chǎn)生的噪聲稱為散彈（粒）噪聲。 己知并聯(lián)回路的 3 dB帶寬為B 0.7= f0/Q, 故(2-59) 2) 分配噪聲： 3) 閃爍噪聲 ：3. 場效應(yīng)管噪聲 (詳見教材) 108 通常需要描述一個電路或系統(tǒng)內(nèi)部噪聲的大小，因此需要引入相應(yīng)的物理量（噪聲系數(shù)或噪聲指數(shù)）來描述。 一噪

41、聲系數(shù)的定義 圖 2-35 為一線性四端網(wǎng)絡(luò), 它的噪聲系數(shù)定義為輸入端的信號噪聲功率比(S/N)i與輸出端的信號噪聲功率比(S/N)o的比值, 即 圖 2-35 噪聲系數(shù)的定義 2.4 噪聲系數(shù)和噪聲溫度 信號功率噪聲功率109 圖中, KP為電路的功率傳輸系數(shù)(或功率放大倍數(shù))。 用Na表示線性電路內(nèi)部附加噪聲功率在輸出端的輸出, 考慮到KP=o/Si, 式(2 60)可以表示為：（2 60） (2-61) (2-62) 分析意義110噪聲系數(shù)通常用dB表示, 用dB表示的噪聲系數(shù)為 (2-63) 關(guān)于噪聲系數(shù)，有以下幾點(diǎn)需要說明： (1) 由于噪聲功率是與帶寬B相聯(lián)系的，為了不使噪聲系數(shù)

42、依賴于指定的頻寬，因此國際上式(2-60)定義中的噪聲功率是指單位頻帶內(nèi)的噪聲功率，即是指輸出、輸入噪聲功率譜密度。此時(shí)的噪聲系數(shù)將隨指定的工作頻率不同而不同，即表示點(diǎn)頻的噪聲系數(shù)。 (2) 由式(2-60)可以看出，輸入、輸出信號功率是成比例變化的，即噪聲系數(shù)與輸入信號大小無關(guān)，但卻與輸入噪聲功率Ni有關(guān)，因此，為了明確，在噪聲系數(shù)的定義中，規(guī)定輸入噪聲功率Ni為信號源內(nèi)阻Rs的熱噪聲最大輸出功率（由前可知為kTB），并規(guī)定溫度為290K。111(3) 在噪聲系數(shù)的定義中，沒有對網(wǎng)絡(luò)的匹配情況提出要求，因而是普遍適用的。實(shí)際上輸出端的阻抗是否匹配并不影響噪聲系數(shù)的大小。因此噪聲系數(shù)可以表示為

43、輸出端開路時(shí)兩均方電壓之比或輸出端短路時(shí)兩均方電流之比，即（2-64） （2-65） (4) 上述噪聲系數(shù)的定義只適用于線性或準(zhǔn)線性電路。對于非線性電路，由于信號與噪聲、噪聲與噪聲的相互作用，使輸出端信噪比更加惡化，上述的定義不適用，計(jì)算也更復(fù)雜。112二、噪聲系數(shù)的計(jì)算 1額定功率法 額定功率, 又稱資用功率或可用功率, 是指信號源所能輸出的最大功率, 它是一個度量信號源容量大小的參數(shù), 是信號源的一個屬性, 它只取決于信號源本身的參數(shù)內(nèi)阻和電動勢, 與輸入電阻和負(fù)載無關(guān), 如圖 2-36 所示。 圖 2-36 信號源的額定功率 (a) 電壓源; （b） 電流源 113 額定功率增益KPm是

44、指四端網(wǎng)絡(luò)的輸出額定功率Psmo和輸入額定功率Psmi之比, 即（2-68） （2-66） （2-67） 上圖(a)和(b)的額定輸出功率分別為： 顯然額定功率增益KPm不一定是網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際功率增益，只有在輸出和輸入都匹配時(shí)，這兩個功率才相等。114 根據(jù)噪聲系數(shù)的定義, 分子和分母都是同一端點(diǎn)上的功率比, 因此將實(shí)際功率改為額定功率, 并不改變噪聲系數(shù)的定義, 則（2-69） 因?yàn)镹mi= kTB, Nmo= KPmNmi+ Nmn, , 所以 （2-70） 115式中： Psmi和Psmo分別為輸入和輸出的信號額定功率; Nmi和Nmo分別為輸入和輸出的噪聲額定功率; Nmn為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的最大輸出噪聲功率