第三講高頻變壓器和傳輸線變壓器

圖2-12高頻變壓器的磁芯結構（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)等效電路目前一頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

圖2-14(a)是一中心抽頭變壓器的示意圖。初級為兩個等匝數(shù)的線圈串聯(lián),極性相同，設初次級匝比為

。作為理想變壓器看待,線圈間的電壓和電流關系分別為(2-38)

(2-37)

圖2-14中心抽頭變壓器電路（a）中心抽頭變壓器電路;（b）作四端口器件應用目前二頁\總數(shù)三十一頁\編于五點2)傳輸線變壓器傳輸線變壓器就是利用繞制在磁環(huán)上的傳輸線而構成的高頻變壓器。圖2-15

為其典型的結構和電路圖。圖2-15傳輸線變壓器的典型結構和電路

(a)結構示意圖;（b）電路圖目前三頁\總數(shù)三十一頁\編于五點（2-39）

（2-40）

圖2-16傳輸線變壓器的工作方式

(a)傳輸線方式;(b)變壓器方式波速波長目前四頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

傳輸線的特性阻抗Zc決定于傳輸線的橫向尺寸（導線的粗細、導線間的距離、介質常數(shù)）。當傳輸線端接的負載電阻值與特性阻抗相等時，傳輸線上傳輸行波，此時有最大的傳輸帶寬。因此，傳輸線工作方式的特點是，在傳輸線的任一點上，兩導線上流過的電流大小相等、方向相反。兩導線上電流所產(chǎn)生的磁通只存在于兩導線間，磁芯中沒有磁通和損耗。當負載電阻RL與Zc相等而匹配時，兩導線間的電壓沿線均勻分布（諧振）。這種方式傳輸特性的頻率范圍很寬。目前五頁\總數(shù)三十一頁\編于五點傳輸線變壓器可以看作是雙線并繞的1:1和1:4阻抗變壓器。用兩個或兩個以上的傳輸線變壓器組合可以得到其他阻抗變換器；也可以做平衡-不平衡變換器及3dB耦合器。如圖2-17所示。目前六頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

圖2-17傳輸線變壓器的應用舉例（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分貝耦合器目前七頁\總數(shù)三十一頁\編于五點⑴作寬帶高頻反相器在實際應用中，有些場合需要得到一個與信號源電壓大小相等相位相反的對地電壓,這時需要用到高頻反相器,而傳輸變壓器就能實現(xiàn)此功能。圖2-17(a)所示的是利用傳輸變壓器實現(xiàn)高頻反相器的示意圖。圖中，信號加在1、3端，2、4端接上與傳輸線匹配的負載電阻RL。由于傳輸線匹配，負載上得到的電壓UL與激勵電壓U1相等。若將傳輸變壓器的“2”端接地，則負載RL上的對地電壓正好與激勵電壓大小相等，相位相反。目前八頁\總數(shù)三十一頁\編于五點⑵不平衡-平衡變換器實際應用中，有時需要從一個信號源上得到兩個大小相等，對地完全反相的電壓。在這種情況下，要采用不平衡-平衡變換器。圖2-17(b)所示的就是利用傳輸變壓器構成的這種變換器。由于負載電阻分為兩個，中間接地，所以兩端對地電壓相等并反相。信號源對地是不平衡的（一端接地），由于3端及負載中點接地，信號源有一個附加電流流過1、2線圈。但是附加電流很小（因L0較大），只是在低頻段對信號有一點分流作用。此變換器的高頻特性較好，因為傳輸線上的相移，并不影響兩輸出電壓之間的反相關系。目前九頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

⑶1:4阻抗變換器傳輸變壓器的一個主要應用，就是構成4:1、1:4等寬帶阻抗變換器。圖2-17(c)就是1:4阻抗變換傳輸變壓器。

對于2-17(c)所示的1:4傳輸變壓器，設流過負載電阻RL的電流為I，信號源兩端呈現(xiàn)的電壓為U1，則在RL上產(chǎn)生的電壓為2U1，信號源提供的電流為2I，因此，信號源端呈現(xiàn)的輸入阻抗為上式表明，傳輸線變壓器將負載RL變換為RL/4，實現(xiàn)了1:4的阻抗變換。目前十頁\總數(shù)三十一頁\編于五點1.3濾波器

一、

石英晶體的物理特性

石英是礦物質硅石的一種（也可人工制造），化學成分是SiO2，其形狀為結晶的六角錐體。圖(a)表示自然結晶體，圖(b)表示晶體的橫截面。圖2-18石英晶體的形狀示意圖目前十一頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

沿著不同的軸切下，有不同的切型，X切型、Y切型、AT切型、BT、CT……等等。石英晶體具有正、反兩種壓電效應。當石英晶體沿某一電軸受到交變電場作用時，就能沿機械軸產(chǎn)生機械振動，反過來，當機械軸受力時，就能在電軸方向產(chǎn)生電場。且換能性能具有諧振特性，在諧振頻率上，換能效率最高。

石英晶體和其他彈性體一樣，具有慣性和彈性，因而存在著固有振動頻率，當晶體片的固有頻率與外加電源頻率相等時，晶體片就產(chǎn)生諧振。目前十二頁\總數(shù)三十一頁\編于五點二、石英晶體振諧器的等效電路和符號

石英片相當一個串聯(lián)諧振電路，可用集中參數(shù)Lq、Cq、rq來模擬，Lq為晶體的質量（慣性），Cq

為等效彈性模數(shù)，rg

為機械振動中的摩擦損耗。

右圖表示石英諧振器的基頻等效電路。電容C0稱為石英諧振器的靜電容。其容量主要決定于石英片尺寸和電極面積。

一般C0在幾PF

～幾十PF。式中

—石英介電常數(shù)，s—極板面積，d—石英片厚度

C0

rq

Cq

Lq

JT

b

a

rqLqCqCoab目前十三頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

三、石英晶體的特點

①等效電感Lq特別大、等效電容Cq特別小，因此，石英晶體的Q值很大，一般為幾萬到幾百萬。這是普通LC電路無法比擬的。

②由于，這意味著等效電路中的接入系數(shù)p很小,因此外電路對其的影響很小。目前十四頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

四、石英諧振器的等效電抗（阻抗特性）

石英晶體有兩個諧振角頻率。一個是左邊支路的串聯(lián)諧振角頻率q，即石英片本身的自然角頻率。另一個為石英諧振器的并聯(lián)諧振角頻率p。

由于所以0與q很接近。串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率目前十五頁\總數(shù)三十一頁\編于五點上式忽略rq

后可簡化為

當

=q時z0=0，Lq、Cq串諧諧振，當

=p，z0=，回路并諧諧振。當時，jx0為容性。當時,jx0為感性，電抗曲線如上圖所示。

目前十六頁\總數(shù)三十一頁\編于五點并不等于石英晶體片本身的等效電感Lq。石英晶體濾波器工作時，石英晶體兩個諧振頻率之間感性區(qū)的寬度決定了濾波器的通帶寬度。

必須指出，在q與p的角頻率之間，諧振器所呈現(xiàn)的等效電感目前十七頁\總數(shù)三十一頁\編于五點1.陶瓷濾波器利用某些陶瓷材料的壓電效應構成的濾波器，稱為陶瓷濾波器。它常用鋯鈦酸鉛[Pb(zrTi)O3]壓電陶瓷材料（簡稱PZT）制成。

這種陶瓷片的兩面用銀作為電極，經(jīng)過直流高壓極化之后具有和石英晶體相類似的壓電效應。優(yōu)點：容易焙燒，可制成各種形狀；適于小型化；且耐熱耐濕性好。它的等效品質因數(shù)QL為幾百，比石英晶體低，但比LC濾波高。集中濾波器目前十八頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

符號及等效電路圖中C0

等效為壓電陶瓷諧振子的固定電容；Lq

為機械振動的等效質量；Cq

為機械振動的等效彈性模數(shù)；Rq為機械振動的等效阻尼；其等效電路與晶體相同。

并聯(lián)諧振頻率

式中，C為C0和Cq串聯(lián)后的電容。其串聯(lián)諧振頻率CoR￠qC￠qL￠q2L目前十九頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

2.陶瓷濾波器電路

四端陶瓷濾波器：如將陶瓷濾波器連成如圖所示的形式，(a)是陶瓷片的阻抗頻率特性曲線；圖(b)是兩個諧振子或者是九個諧振子連接成的四端陶瓷諧振器；圖(c)是陶瓷諧振器的電路符號。諧振子數(shù)目越多，濾波器的性能越好。

目前二十頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

聲表面波濾波器SAWF（SurfaceAcousticWaveFilter）是一種以鈮酸鋰、石英或鋯鈦酸鉛等壓電材料為襯底（基體）的一種電聲換能元件。

結構與原理：聲表面波濾器是在經(jīng)過研磨拋光的極薄的壓電材料基片上，用蒸發(fā)、光刻、腐蝕等工藝制成兩組叉指狀電極，其中與信號源連接的一組稱為發(fā)送叉指換能器，與負載連接的一組稱為接收叉指換能器。當把輸入電信號加到發(fā)送換能器上時，叉指間便會產(chǎn)生交變電場。3.聲表面波濾波器目前二十一頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

聲表面波濾器的濾波特性，如中心頻率、頻帶寬度、頻響特性等一般由叉指換能器的幾何形狀和尺寸決定。這些幾何尺寸包括叉指對數(shù)、指條寬度a、指條間隔b、指條有效長度B和周期長度M等。上圖是聲表面波濾波器的基本結構圖。嚴格地說，傳輸?shù)穆暡ㄓ斜砻娌ê腕w波，但主要是聲面波。在壓電襯底的另一端可用第二個叉指形換能器將聲波轉換成電信號。目前二十二頁\總數(shù)三十一頁\編于五點

聲表面波濾波器的符號如圖(a)所示，圖(b)為它的等效電路。其左邊為發(fā)送換能器，is和Gs表示信號源。G中消耗的功率相當于轉換為聲能的功率。右邊為接收換能器，GL為負載電導，GL中消耗的功率相當于再轉換為電能的功率。

聲表面濾波器的符號與等效電路符號及等效電路

入

出

(a)

G

C

Gs

Is

GL

G

C

(b)

目前二十三頁\總數(shù)三十一頁\編于五點聲表面濾波器特性圖2-21一種用于通信機中的聲表面濾波器的幅頻特性曲線目前二十四頁\總數(shù)三十一頁\編于五點①工作頻率高，中心頻率在10MHz–1GHz之間，且頻帶寬，相對帶寬為0.5%~25%。②尺寸小，重量輕。動態(tài)范圍大，可達100dB。③由于利用晶體表面的彈性波傳送，不涉及電子的遷移過程，所以抗輻射能力強。④溫度穩(wěn)定性好。⑤選擇性好，矩形系數(shù)可達1.2。聲表面濾波器的特點：目前二十五頁\總數(shù)三十一頁\編于五點1.3.3

衰減器與匹配器

1.高頻衰減器

利用高頻衰減器可以調整信號傳輸通道上的信號電平。高頻衰減器分為固定衰減器和高頻可變(調)衰減器兩種。除了微波衰減器可以用其他形式構成外，高頻衰減器通常都用電阻網(wǎng)絡、開關電路或PIN二極管實現(xiàn)。

2.高頻匹配器如果相連接的兩部分高頻電路阻抗匹配，則可以直接相連。但如果阻抗不匹配，就需要用高頻匹配器或阻抗變換器來連接。目前二十六頁\總數(shù)三十一頁\編于五點1.LC并聯(lián)諧振回路幅頻曲線所顯示的選頻特性在高頻電路中有非常重要的作用，其選頻性能的好壞可由通頻帶和選擇性(回路Q值)這兩個相互矛盾的指標來衡量。矩形系數(shù)則是綜合說明這兩個指標的一個參數(shù)，可以衡量實際幅頻特性接近理想幅頻特性的程度。矩形系數(shù)越小，則幅頻特性越理想。

小結目前二十七頁\總數(shù)三十一頁\編于五點2.LC并聯(lián)諧振回路阻抗的相頻特性是具有斜率的單調變化曲線，這一點在分析LC正弦波振蕩電路的穩(wěn)定性時有很大作用，而且可以利用曲線的線性部分進行頻率與相位的線性轉換，這在相位鑒頻電路中得到了應用。同樣，LC并聯(lián)諧振回路阻抗的幅頻特性曲線中的線性部分也為頻率與幅度轉換提供了依據(jù)，這在斜率鑒頻電