第1章-射頻電路緒論201109

教學(xué)目標(biāo)培育、誘發(fā)同學(xué)對(duì)射頻技術(shù)的愛(ài)好了解射頻學(xué)問(wèn)的體系引導(dǎo)建立分析、處理射頻問(wèn)題的思想方法培育將來(lái)的RF工程師射頻電路所涉及的領(lǐng)域通信工程：無(wú)線通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等等信息工程：信息獲得---傳感器、測(cè)量技術(shù)生物醫(yī)學(xué)工程：檢測(cè)、殺菌消毒、治療等工農(nóng)業(yè)及日常生活：加熱、檢測(cè)、生物滅殺等特殊在宇宙探究領(lǐng)域課程的組織無(wú)源電路（包括射頻技術(shù)最基本的原理、工具）有源電路（包括射頻電路的性能分析和綜合）問(wèn)題發(fā)覺(jué)、試驗(yàn)與探討請(qǐng)同學(xué)們回答問(wèn)題：

當(dāng)，不考慮導(dǎo)線的電阻損耗時(shí)：若把你的手電筒電路尺寸簡(jiǎn)潔放大到一個(gè)籃球場(chǎng)那么大，它的電路功能還能正常嗎？若把你的手機(jī)電路板尺寸簡(jiǎn)潔放大到一個(gè)籃球場(chǎng)那么大，它的電路功能還能正常嗎？學(xué)習(xí)射頻電路課程的基本要求：了解電路的工作頻率與電路實(shí)際尺寸大小存在著的約束關(guān)系；引入“集中參數(shù)”和“分布參數(shù)（‘場(chǎng)’）”的概念；駕馭“分布參數(shù)理論”這種思想方法；應(yīng)用分布參數(shù)理論工具來(lái)分析、設(shè)計(jì)RF電路問(wèn)題。射頻電路所處的技術(shù)地位思索問(wèn)題：“場(chǎng)”和“路”，哪個(gè)概念更基礎(chǔ)？射頻電路的功能信號(hào)源（常是：載波源、功率源）的產(chǎn)生；信號(hào)頻譜的搬移；信號(hào)頻譜的變換；信號(hào)電功率能量與“場(chǎng)”能量之間的互換。

為了全人類紀(jì)念人類1969年7月16日首次登月.記錄片視頻來(lái)源同名記錄片.射頻技術(shù)在其中起著巨大作用.第1章射頻電路緒論一、射頻電路的作用：射頻信號(hào)(也稱:無(wú)線電信號(hào)）：凡可通過(guò)天線向空間進(jìn)行電磁波能量輻射和接收的信號(hào).RF電路作用：在射頻頻率條件下工作，并實(shí)現(xiàn)確定的電路功能.射頻頻率:射頻信號(hào)相應(yīng)的頻率.通信和信息系統(tǒng)中常見(jiàn)的射頻電路：1。有源射頻電路：RF放大器*（包括：LNA、HPA）、RF振蕩器*、變頻器*、調(diào)制/解調(diào)器、有源天線、有源濾波器等等。2。無(wú)源射頻電路：RF濾波器*、RF衰減器*、RF幅度均衡器和相位均衡器*、RF功率安排器*、RF功率合成器*、定向耦合器、隔離器、混合器*、分波器*、負(fù)載、天線等等。帶*內(nèi)容為本次課程重點(diǎn)介紹的電路！二、無(wú)線電射頻頻譜與波長(zhǎng)波長(zhǎng)頻率超長(zhǎng)波30KHZ10KM30MHZ10M中長(zhǎng)短波300MHZ1M3THZ100nM微波超短波廣播、通信電視、衛(wèi)星三、無(wú)源電路元件的射頻特性無(wú)源元件在工作頻率很低條件下，能呈現(xiàn)較為志向的本征特性（電阻器呈現(xiàn)純的電阻性，電容器呈純電容性，電感器呈純電感性）；而當(dāng)工作頻率很高時(shí)，無(wú)源元件的本征特性就發(fā)生了很大的變更。1、一段實(shí)心導(dǎo)線的歸一化溝通電流密度的頻率特性r(mm)r=0處是導(dǎo)體截面中心位置r(mm)導(dǎo)體截面半徑0120.2歸一化電流密度JZ/JZ0導(dǎo)體中心0.51.0導(dǎo)體表面1KHZ10KHZ1GHZ1MHZ100KHZ導(dǎo)體截面-a0a一段半徑a=1mm銅導(dǎo)線的歸一化交流電流密度的頻率特性結(jié)論：f較小時(shí)，JZ/JZ0的值，隨r的變更不大.f中等時(shí)，JZ/JZ0的值，隨r的變更顯著.f較大時(shí)，JZ/JZ0在近r=1處存在，此時(shí)電流密度主要分布趨于在導(dǎo)體表面.2、金屬膜電阻的阻抗模值與頻率的關(guān)系500理想電阻電容效應(yīng)電感效應(yīng)一個(gè)500Ω金屬模電阻的阻抗模與頻率的關(guān)系Z（Ω）f(HZ)10610123、高頻電容器的阻抗模與頻率的

關(guān)系Z（Ω）f(HZ)108101110010-2102理想電容實(shí)際電容4、高頻電感器的阻抗模與頻率的關(guān)系Z（Ω）f(HZ)1081011103101105理想電感實(shí)際電感5、由電路結(jié)構(gòu)形成的L或C器件四、集總參數(shù)電路頻率低、波長(zhǎng)大、電路尺寸與工作波長(zhǎng)相比很小，可近似認(rèn)為處在一點(diǎn)位置；整個(gè)電路的電場(chǎng)能集中在電路的電容器中，磁場(chǎng)能集中在電路的電感器中，而損耗集中在電路的電阻器上.。五、分布參數(shù)電路頻率高、波長(zhǎng)小、電路尺寸與工作波長(zhǎng)可比擬，電磁能量不僅隨時(shí)間變更，而且同時(shí)隨空間位置變更。電磁波在電路中的傳播有顯著的滯后效應(yīng)。六、傳輸線（長(zhǎng)線）當(dāng)傳輸信息能量的線長(zhǎng)度與其信號(hào)工作波長(zhǎng)可以比擬時(shí)，這段線就稱作為長(zhǎng)線（或傳傳輸線）。否則就是導(dǎo)線!本課程主要涉及是“TEM波”傳輸線TEM波與一般電路“成回路”做功的關(guān)系如：一段平衡傳輸線dLεr介質(zhì)兩導(dǎo)體dL段等效GCRRLL傳輸線的特性參數(shù)：1.傳輸線的特性阻抗（描述傳輸線本身的阻抗特性，與外加信號(hào)無(wú)關(guān)）:定義：傳輸線上隨意位置處的入射波電壓與入射波電流之比（或反射波電壓與反射波電流之比的負(fù)值）為傳輸線的特性阻抗。即：（與位置無(wú)關(guān)）從電路參數(shù)的角度:對(duì)于無(wú)耗線：當(dāng)R、G趨于0時(shí)，則為無(wú)耗傳輸線,其特性阻抗：

為實(shí)數(shù)，與ω?zé)o關(guān)，只取決于線的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)R遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ωL，G遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ωC時(shí)，就認(rèn)為該傳輸線的特性阻抗為:常用的TEM波傳輸線的特性阻抗平行雙線：同軸電纜：微帶線特性阻抗：1).窄線，當(dāng)w/h＜1時(shí)

有效介電常數(shù):2).寬帶：當(dāng)w/h＞1時(shí)有效介電常數(shù):2、傳輸線上的相速Vp：

指行波等相位面移動(dòng)的速度。對(duì)于好用的無(wú)耗線：當(dāng)μ=μo（介質(zhì)使波速變慢了）3、傳輸線上的波長(zhǎng)λg：

波在一個(gè)周期內(nèi)沿線所傳播的距離.對(duì)于好用的微波傳輸線：(介質(zhì)使波長(zhǎng)變短了)4、相移常數(shù)β：

單位長(zhǎng)度上行波的相位變更。5、反射系數(shù)(1)反射系數(shù)的定義：隨意位置d處的反射電壓與入射電壓之比(2)負(fù)載ZL處反射系數(shù)：6、電壓駐波系數(shù)VSWR：

描述傳輸線系統(tǒng)匹配性能好壞（VSWR≥1,志向時(shí)為1）:系統(tǒng)確定了后，其匹配程度就確定了，VSWR就不變了，反射系數(shù)的模就不變了。7、傳輸線系統(tǒng)等效輸入阻抗Zin：

從傳輸線系統(tǒng)上某平面位置向負(fù)載方向看去的等效阻抗（可以理解為該等效器件的阻抗值）。ZLZ0Zin0LdZin與反射系數(shù)關(guān)系線上隨意位置d處反射系數(shù)：當(dāng):d=L時(shí),Zin特點(diǎn)：Zin的值隨線長(zhǎng)度d的變更呈周期性的變更.周期為：只要系統(tǒng)不是匹配的，無(wú)論所接負(fù)載是容性或感性或純電阻性的，從輸入端來(lái)看，其系統(tǒng)的輸入阻抗沿線(空間位置上)是呈容性、純電阻性、感性之間作周期性的變更。8.幾種特殊狀況的傳輸線輸入阻抗:1).短路途(ZL趨于0):

當(dāng)L=λg/4時(shí),Zin趨于∞(呈開(kāi)路特性)當(dāng)L=λg/2時(shí),Zin趨于0(呈短路特性)當(dāng)L＜λg/4時(shí),(呈電感性)當(dāng)λg/4＜L＜λg/2時(shí),(呈電容性)

2).開(kāi)路途(ZL趨于∞):

當(dāng)L=λg/4時(shí),Zin趨于0(呈短路特性)當(dāng)L=λg/2時(shí),Zin趨于∞(呈開(kāi)路特性)當(dāng)L＜λg/4時(shí),(呈電容性)當(dāng)λg/4＜L＜λg/2時(shí),(呈電感性)λg/2線：阻抗不變，相位相反（倒相作用）λg/4線阻抗匹配作用（用于實(shí)數(shù)源阻抗和實(shí)數(shù)負(fù)載阻抗之間匹配）ZLZ0Zinλg/4ba9.其他特殊狀況傳輸線的用途:例:一放射機(jī)輸出阻抗為50Ω,放射天線的阻抗為73.1Ω,如何用同軸電纜進(jìn)行匹配?(傳輸線介質(zhì)為空氣),外導(dǎo)體允許尺寸:≤10cm(外導(dǎo)體最大內(nèi)徑),信號(hào)頻率為600MHz.解:有同軸電纜Z0公式,取:2b=8cm,得a=1.46cm.同軸線長(zhǎng):∵εr=1,∴L=λ0/4=12.5cmZL史密斯園圖在傳輸線理論中，線上阻抗（或?qū)Ъ{）及反射系數(shù)的分析計(jì)算常常很困難，而且涉及不少超越方程。所以，為簡(jiǎn)化傳輸線上各位置處的阻抗（或?qū)Ъ{）、反射系數(shù)的計(jì)算，將傳輸線、反射系數(shù)等公式轉(zhuǎn)化為圖形的變更關(guān)系。因此，引出一種新工具：史密斯園圖?！梢幌盗袌@構(gòu)成。園圖阻抗園圖：由阻抗特性、反射系數(shù)、電長(zhǎng)度（傳輸線上行進(jìn)長(zhǎng)度）構(gòu)成。常用于串聯(lián)系統(tǒng)。導(dǎo)納園圖：由導(dǎo)納特性、反射系數(shù)特性、電長(zhǎng)度構(gòu)成。常用于并聯(lián)系統(tǒng)。圓圖的基本原理將傳輸線輸入阻抗或輸入導(dǎo)納，以及反射系數(shù)等原理、關(guān)系式通過(guò)函數(shù)圖形復(fù)合成一體。傳輸線輸入阻抗:

ZLZ0Zin0Ld圓圖上各種圓系:阻抗園圓（圖上各點(diǎn)阻抗是對(duì)Zo的歸一化值）1。等反射系數(shù)：ujv0ab單位圓‘原點(diǎn)’反射系數(shù)為0圓圖上各種圓系:導(dǎo)納園圓（圖上各點(diǎn)導(dǎo)納是對(duì)Yo的歸一化值）1‘。等反射系數(shù)：uJv0ab單位圓‘原點(diǎn)’反射系數(shù)為0+u’+Jv’等電阻圓系μjνa0b單位圓：純電抗圓（圓上不同的位置就是不同的電抗值）等電導(dǎo)圓系u’Jv’單位圓：純電納圓（圓上不同的位置，就是不同的電納值）等電抗圓系ujν0a1X＞0X＜0等電納圓系阻抗圓圖μjν0ab（由前述各阻抗量綱圓族與反射系數(shù)圓族、電長(zhǎng)度圓等構(gòu)成）同理：由前述各導(dǎo)納量綱圓族與反射系數(shù)圓族、電長(zhǎng)度圓等構(gòu)成——導(dǎo)納圓圖。阻抗圓圖（紅色）——和導(dǎo)納圓圖（綠色）阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖的復(fù)合（SMITH圓圖）例：阻抗Z=30+j25，系統(tǒng)特性阻抗為50時(shí)，則歸一化阻抗值為z=0.6+j0.5z=0.6+j0.5Smith圓圖

（上述各圓系在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中復(fù)合而成）實(shí)際的SMITH圓圖歸一化園圖上的一些特殊意義：在園圖上，水平直線為實(shí)部線，表示純電阻線（阻抗園圖）或表示純電導(dǎo)線（導(dǎo)納園圖）。在園圖上，中心O點(diǎn)（原點(diǎn)）為與傳輸線特性阻抗共軛匹配的點(diǎn)(阻抗或?qū)Ъ{平面坐標(biāo):1+j0)；a點(diǎn)為開(kāi)路點(diǎn)；b點(diǎn)為短路點(diǎn)。在園圖上，單位園（最大園）為:純電抗園（阻抗園圖中）；或?yàn)?純電納園（導(dǎo)納園圖中）。在園圖上，關(guān)于u軸對(duì)稱的點(diǎn)為共軛阻抗（或共軛導(dǎo)納）點(diǎn)。在園圖上，關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的點(diǎn)互為倒數(shù)關(guān)系，數(shù)值上為阻抗與導(dǎo)納相互轉(zhuǎn)換。反射系數(shù)的相角變更量：

在園圖上：由負(fù)載向傳輸線始端方向?yàn)椤?L”方向，但園圖上相角向順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)；由傳輸線始端向負(fù)載方向?yàn)椤?L”方向，但園圖上相角向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)；無(wú)論阻抗圓圖或?qū)Ъ{圓圖怎么放置,反射系數(shù)相角的始邊和正角的參考,確定是反射系數(shù)平面的正實(shí)軸.串聯(lián)電容：在阻抗園圖上：沿等r園,向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，正電抗值減?。ㄘ?fù)電抗值增大），此過(guò)程是：串聯(lián)電容，電抗刻度的變更量就是串聯(lián)電容的電抗值；串聯(lián)電感：在阻抗園圖上：沿等r園,向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，正電抗值增大（負(fù)電抗值減?。?，此過(guò)程是：串聯(lián)電感，電抗刻度的變更量就是串聯(lián)電感的電抗值.并聯(lián)電容：在導(dǎo)納園圖上：沿等g園，向順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，正