高頻電路原理與分析(第六版)緒論

緒論1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述1.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制

1.3本課程的特點(diǎn)思考題與習(xí)題

本書(shū)主要討論用于各種電子系統(tǒng)和電子設(shè)備中的高頻電子線路。通信系統(tǒng)，特別是無(wú)線通信系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。通信的目的與任務(wù)是傳遞消息。無(wú)線通信系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是利用高頻(無(wú)線電)信號(hào)來(lái)傳遞消息。

通信中傳遞的消息的類(lèi)型很多，傳輸消息的方法也很多?，F(xiàn)代通信大多以電(或光)信號(hào)的形式出現(xiàn)，因此，通常被稱(chēng)作電信。傳輸電信號(hào)的媒質(zhì)(或介質(zhì))可以是有線的，也可以是無(wú)線的，而無(wú)線的形式最能體現(xiàn)高頻電路的應(yīng)用。盡管各種無(wú)線通信系統(tǒng)在所傳遞消息的形式、工作方式以及設(shè)備體制組成等方面有很大差異，但設(shè)備中產(chǎn)生、接收和檢測(cè)高頻信號(hào)的基本電路大都是相同的。本書(shū)將主要結(jié)合無(wú)線通信來(lái)討論高頻電路的線路組成、工作原理和分析、設(shè)計(jì)、仿真方法。這不僅有利于明確學(xué)習(xí)基本電路的目的和加強(qiáng)對(duì)有關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)的概念，而且對(duì)于其它通信系統(tǒng)也有典型意義。1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述

高頻電路是通信系統(tǒng)，特別是無(wú)線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是無(wú)線通信設(shè)備的重要組成部分。1.1.1無(wú)線通信系統(tǒng)的組成無(wú)線通信(或稱(chēng)無(wú)線電通信)的類(lèi)型很多，可以根據(jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類(lèi)。不同的無(wú)線通信系統(tǒng)，其設(shè)備組成和復(fù)雜度雖然有較大差異，但它們的基本組成不變，圖1-1是典型的無(wú)線通信系統(tǒng)基本組成方框圖。

圖1-1無(wú)線通信系統(tǒng)的基本組成圖中虛線以上部分為發(fā)送設(shè)備(發(fā)射機(jī))，虛線以下部分為接收設(shè)備(接收機(jī))，天線及天線開(kāi)關(guān)為收發(fā)共用設(shè)備。信道為自由空間。話(huà)筒和揚(yáng)聲器屬于通信的終端設(shè)備，分別為信源和信宿。上下兩個(gè)音頻放大器分別是為放大話(huà)筒輸出信號(hào)和推動(dòng)揚(yáng)聲器工作而設(shè)置的，屬低頻部件，本書(shū)不討論。上面的音頻放大器輸出的信號(hào)控制高頻載波振蕩器的某個(gè)(些)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制；下面的解調(diào)器就是針對(duì)上面發(fā)射端的調(diào)制而進(jìn)行的檢波(調(diào)制的逆過(guò)程)。已調(diào)制信號(hào)的頻率若不夠高，可根據(jù)需要進(jìn)行倍頻或上混(變)頻；若幅度不夠，可根據(jù)需要進(jìn)行若干級(jí)(通常有預(yù)放、激勵(lì)和輸出三級(jí))放大，經(jīng)天線輻射出去。接收機(jī)一般都采用超外差的形式，在通過(guò)高頻選頻放大(初步的選擇放大并抑制其它無(wú)用信號(hào))后進(jìn)行下混(變)頻，取出中頻后再進(jìn)行中頻放大(主選擇放大，具有較大的放大增益和較強(qiáng)的濾波能力)和其它處理，然后進(jìn)行解調(diào)。超外差接收機(jī)的主要特點(diǎn)就是由頻率固定的中頻放大器來(lái)完成對(duì)接收信號(hào)的選擇和放大。當(dāng)信號(hào)頻率改變時(shí)，只要相應(yīng)地改變本地振蕩信號(hào)頻率即可。發(fā)送設(shè)備主要完成調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波等功能，其結(jié)構(gòu)大同小異。根據(jù)調(diào)制和上變頻是否合二為一，發(fā)送設(shè)備結(jié)構(gòu)分為直接變換結(jié)構(gòu)和兩次變換結(jié)構(gòu)兩種方式，在每種方式中也都可以采用單通道調(diào)制和雙通道正交調(diào)制方式，圖1-1中的發(fā)射機(jī)為典型的一次變頻結(jié)構(gòu)。在發(fā)送設(shè)備中，一般存在兩種變換：第一種變換是將信源產(chǎn)生的原始信息變換成電信號(hào)，而這一信號(hào)的頻譜通?？拷泐l附近，屬于低頻信號(hào)，稱(chēng)為基帶(Baseband)信號(hào)；第二種變換稱(chēng)為調(diào)制Modulating)，是將基帶信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)形式(一般為射頻或高頻的帶通信號(hào))。調(diào)制后的信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)(ModulatedSignal)，相應(yīng)的沒(méi)有進(jìn)行調(diào)制之前的基帶信號(hào)也可稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)ModulatingSignal)。調(diào)制時(shí)還需要一個(gè)高頻振蕩信號(hào)，稱(chēng)為載波(Carrier)，它可由高頻振蕩器(Oscillator)或頻率合成器(FrequencySynthesizer)產(chǎn)生。載波通常為單一頻率的正弦信號(hào)或脈沖號(hào)。

接收設(shè)備的任務(wù)主要是有選擇地放大空中微弱電磁信號(hào)(同時(shí)要盡可能保證信息的質(zhì)量)，并恢復(fù)有用信息。接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)通常采用超外差(SuperHeterodyne)形式，圖1-1中的接收機(jī)即為一次變頻超外差結(jié)構(gòu)。隨著設(shè)備小型化和系統(tǒng)化，接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了許多新的形式，如圖1-2和圖1-3分別為鏡頻抑制式和直接變換式(DirectConversion)或零中頻(ZeroIF)式接收機(jī)結(jié)構(gòu)。不同的接收設(shè)備結(jié)構(gòu)有不同的特點(diǎn)。圖1-2鏡像抑制接收機(jī)結(jié)構(gòu)

(a)Hartley結(jié)構(gòu)；(b)Weaver結(jié)構(gòu)圖1-3零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)超外差結(jié)構(gòu)的接收設(shè)備在接收過(guò)程中，將射頻輸入信號(hào)與本地振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)混頻或差拍(Heterodyne)，由混頻器后的中頻濾波器選出射頻信號(hào)與本振信號(hào)頻率兩者的和頻或差頻。超外差接收機(jī)可以采用一次變頻、兩次變頻，甚至多次變頻，以降低濾波器實(shí)現(xiàn)的難度，提高鏡像頻率抑制能力。傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)采用向下變頻(DownConversion)方式，接收信號(hào)首先通過(guò)混頻前的選頻網(wǎng)絡(luò)(鏡像抑制濾波器)選出所需頻率并削弱干擾特別是鏡像干擾后，經(jīng)低噪聲放大器放大并送到混頻器進(jìn)行混頻，得到中頻信號(hào)。隨著無(wú)線通信工作頻率的不斷提高，高品質(zhì)因數(shù)Q的鏡像抑制濾波器越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)，因此，高性能的超外差接收機(jī)通常采用多級(jí)頻率變換結(jié)構(gòu)，使每級(jí)變頻前后的工作頻率之比在10左右。中頻信號(hào)經(jīng)中頻濾波器濾波后再進(jìn)入自動(dòng)增益控制(AGC)放大器或限幅放大器放大到合適電平，經(jīng)解調(diào)器恢復(fù)出基帶信號(hào)。由于無(wú)線信道存在衰落，輸入接收機(jī)信號(hào)電平變化范圍很大，需要接收機(jī)具有大的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)，要求輸出信號(hào)幅度在盡可能小的范圍內(nèi)波動(dòng)，這可以通過(guò)AGC電路實(shí)現(xiàn)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但對(duì)于寬帶應(yīng)用，其前端選頻網(wǎng)絡(luò)不易設(shè)計(jì)，且當(dāng)用于較高頻段時(shí)，前端選頻網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)諧性也會(huì)成為較難克服的問(wèn)題。在現(xiàn)代高性能寬帶超外差接收機(jī)中，通常采用向上變頻(UpConversion)方式，并至少需要兩次頻率變換。其中的多個(gè)本振信號(hào)的頻率穩(wěn)定度要求較高(如0.5~1ppm)，這就需要采用復(fù)雜的鎖相環(huán)或高性能的頻率合成電路，也可以采用本振頻率漂移抵消設(shè)計(jì)，但這增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。在超外差接收機(jī)中，中頻頻率是固定的，當(dāng)信號(hào)頻率改變時(shí)，只要相應(yīng)地改變本地振蕩信號(hào)頻率即可。通常中頻頻率相對(duì)較低，中頻放大器可以獲得很高的穩(wěn)定增益，降低了射頻級(jí)實(shí)現(xiàn)高增益的難度，相應(yīng)地，AGC范圍也就較大。由于使用高性能的中頻濾波器(通常是晶體濾波器或聲表面波濾波器)，接收機(jī)的選擇性好，抗干擾能力強(qiáng)。超外差結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)就是組合干擾頻率點(diǎn)多，特別是對(duì)于鏡像頻率干擾的抑制頗為麻煩，因此出現(xiàn)了多種鏡頻抑制接收方案。其中，Hartley與Weaver變換結(jié)構(gòu)理論上完全消除了鏡像響應(yīng)和鏡像噪聲，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，然而，這兩種方法在實(shí)踐中都有明顯的缺點(diǎn)。Hartley結(jié)構(gòu)兩路信道功率增益失配與相位失配雖然相對(duì)較低，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬帶中頻(IF)下變換，要實(shí)現(xiàn)寬帶固定移相器是相當(dāng)困難的，且頻率越高，難度越大。Weaver結(jié)構(gòu)是寬帶IF下變換的基礎(chǔ)。第一下變頻后的第一中頻是固定的，第二中頻可以調(diào)諧到要求的IF頻率，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，兩路信道的失配度相對(duì)較大。值得注意的是，這兩種結(jié)構(gòu)方案的效用取決于最終實(shí)現(xiàn)所得到的鏡像抑制度。在實(shí)際中，由于兩路信道的增益與相位失配，完全抑制鏡像信號(hào)響應(yīng)是不可能的。而且隨著失配增大，鏡像抑制度會(huì)降低。實(shí)際上，在給定鏡像抑制要求情況下，可以在前端預(yù)選器和接收機(jī)結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。直接變換結(jié)構(gòu)也是按照超外差原理設(shè)計(jì)的，只是讓本地振蕩頻率等于載頻，使中頻為零（因此也稱(chēng)為零中頻結(jié)構(gòu)），也就不存在鏡像頻率，從而也就避免了鏡頻干擾的抑制問(wèn)題。接收的信號(hào)通過(guò)直接變換處理成為零中頻的低頻基帶信號(hào)，但不一定經(jīng)過(guò)解調(diào)，可能需要在基帶上進(jìn)行同步與解調(diào)。另外，直接變換結(jié)構(gòu)中射頻部分只有高放和混頻器，具有增益低，易滿(mǎn)足線性動(dòng)態(tài)范圍的要求；由于下變頻后為低頻基帶信號(hào)，只需用低通濾波器來(lái)選擇信道即可，省去了價(jià)格昂貴的中頻濾波器，體積小、功耗低、便于集成，多用于便攜式的低功耗設(shè)備中。但是，直接變換結(jié)構(gòu)也存在著本振泄漏與輻射、直流偏移（DCOffset）、[JP]閃爍噪聲、兩支路平衡與匹配問(wèn)題等缺點(diǎn)。直接變換結(jié)構(gòu)是軟件無(wú)線電（SoftwareRadio）的基礎(chǔ)前端電路結(jié)構(gòu)，而且往往采用正交方式。在接收設(shè)備中有相應(yīng)的兩種反變換。將接收到的已調(diào)信號(hào)變換（恢復(fù)）為基帶信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)（Demodulating），把實(shí)現(xiàn)解調(diào)的部件稱(chēng)為解調(diào)器（Demodulator）。解調(diào)時(shí)一般也需要一個(gè)本地的高頻振蕩信號(hào)，稱(chēng)為恢復(fù)載波（或插入載波）。有時(shí)將收發(fā)設(shè)備中的調(diào)制器和解調(diào)器合稱(chēng)為調(diào)制解調(diào)器（Modem）。

由上面的例子可以總結(jié)出無(wú)線通信系統(tǒng)的基本組成，從中也可看出高頻電路的基本內(nèi)容應(yīng)該包括：

(1)高頻振蕩器(信號(hào)源、載波信號(hào)或本地振蕩信號(hào))；

(2)放大器(高頻小信號(hào)放大器及高頻功率放大器)；

(3)混頻或變頻(高頻信號(hào)變換或處理)；

(4)調(diào)制與解調(diào)(高頻信號(hào)變換或處理)。在無(wú)線通信系統(tǒng)中通常需要某些反饋控制電路，這些反饋控制電路主要是自動(dòng)增益控制(AGC)或自動(dòng)電平控制(ALC)電路，自動(dòng)頻率控制(AFC)電路和自動(dòng)相位控制(APC)電路(也稱(chēng)鎖相環(huán)PLL)。此外，還要考慮高頻電路中所用的元件、器件和組件，以及信道或接收機(jī)中的干擾與噪聲問(wèn)題。需要說(shuō)明的是，雖然許多通信設(shè)備可以用集成電路(IC)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是上述的單元電路通常都是由有源的和無(wú)源的元器件構(gòu)成的，既有線性電路，也有非線性電路。這些基本單元電路的組成、原理及有關(guān)技術(shù)問(wèn)題，就是本書(shū)的研究對(duì)象。應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)際的通信設(shè)備比上面所舉例子要復(fù)雜得多。比如發(fā)射機(jī)的振蕩器和接收機(jī)的本地振蕩器就可以用更復(fù)雜的組件——頻率合成器(FS)來(lái)代替，它可以產(chǎn)生大量所需頻率的信號(hào)。1.1.2無(wú)線通信系統(tǒng)的類(lèi)型無(wú)線通信系統(tǒng)的類(lèi)型，可以根據(jù)不同的方法來(lái)劃分。按照無(wú)線通信系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的不同特性，有以下一些類(lèi)型：

(1)按照工作頻段或傳輸手段分類(lèi)，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。所謂工作頻率，主要指發(fā)射與接收的射頻(RF)頻率。射頻實(shí)際上就是“高頻”的廣義語(yǔ)，它是指適合無(wú)線電發(fā)射和傳播的頻率。無(wú)線通信的一個(gè)發(fā)展方向就是開(kāi)辟更高的頻段。

(2)按照通信方式來(lái)分類(lèi)，主要有(全)雙工、半雙工和單工方式。所謂單工通信，指的是只能發(fā)或只能收的方式；半雙工通信是一種既可以發(fā)也可以收但不能同時(shí)收發(fā)的通信方式；而雙工通信是一種可以同時(shí)收發(fā)的通信方式。圖1-1的例子是半雙工方式，將天線開(kāi)關(guān)換成雙工器就成了雙工方式。

(3)按照調(diào)制方式的不同來(lái)劃分，有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。

(4)按照傳送的消息的類(lèi)型分類(lèi)，有模擬通信和數(shù)字通信，也可以分為話(huà)音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。

1.1.3無(wú)線通信系統(tǒng)的要求與指標(biāo)無(wú)線通信系統(tǒng)的基本特性主要體現(xiàn)在有效性和可靠性?xún)煞矫?。有效性就是指空間、時(shí)間、頻率的利用率，主要用傳輸距離和通信容量(信道容量)指標(biāo)來(lái)衡量；而可靠性主要用信號(hào)失真度、誤碼率、抗干擾能力等指標(biāo)衡量。

傳輸距離是指信號(hào)從發(fā)送端到達(dá)接收端并能被可靠接收的最大距離，它與采用的通信體制和是否中繼有關(guān)。在無(wú)中繼的情況下，傳輸距離決定于發(fā)送端的信號(hào)功率、信號(hào)通過(guò)信道的損耗、信號(hào)通過(guò)信道混入的各種形式的干擾和噪聲以及接收機(jī)的接收靈敏度。通信容量是指一個(gè)信道能夠同時(shí)傳送獨(dú)立信號(hào)的路數(shù)或信道速率。影響信道容量的因素包括已調(diào)信號(hào)所占有的頻帶寬度、系統(tǒng)采用的調(diào)制方式、信道條件(信噪比和信干比)和信道的復(fù)用(多址)方式以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。

信號(hào)失真度指的是接收設(shè)備輸出信號(hào)不同(失真)于發(fā)送端基帶信號(hào)的程度。產(chǎn)生信號(hào)失真的原因主要包括信道特性不理想和對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的電路(發(fā)送與接收設(shè)備)特性不理想。信號(hào)通過(guò)信道時(shí)，總要混入各種形式的干擾和噪聲，使接收機(jī)輸出信號(hào)的質(zhì)量下降，通信系統(tǒng)抵抗這種干擾的能力稱(chēng)為通信系統(tǒng)的抗干擾能力。提高通信系統(tǒng)抗干擾能力的技術(shù)主要包括技術(shù)體制中采用的抗干擾措施、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提高的抗干擾能力和選用高質(zhì)量的調(diào)制和解調(diào)電路等幾方面。1.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制在高頻電路中，我們要處理的無(wú)線電信號(hào)主要有三種：基帶(消息)信號(hào)、高頻載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)。這些無(wú)線電信號(hào)有多方面的特性，主要有時(shí)間(域)特性、頻率特性、頻譜特性、調(diào)制特性、傳播特性等。

1.時(shí)間特性一個(gè)無(wú)線電信號(hào)，可以將它表示為電壓或電流的時(shí)間函數(shù)，通常用時(shí)域波形或數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述。對(duì)于較簡(jiǎn)單的信號(hào)(如正弦波、周期性方波等)，用這種方法表示很方便。無(wú)線電信號(hào)的時(shí)間特性就是信號(hào)隨時(shí)間變化快慢的特性。信號(hào)的時(shí)間特性要求傳輸該信號(hào)的電路的時(shí)間特性(如時(shí)間常數(shù))與之相適應(yīng)。

2.頻譜特性對(duì)于較復(fù)雜的信號(hào)(如話(huà)音信號(hào)、圖像信號(hào)等)，用頻譜分析法表示較為方便。這是因?yàn)槿魏涡问降男盘?hào)都可以分解為許多不同頻率、不同幅度的正弦信號(hào)之和，如圖1-4所示。圖中實(shí)線為一重復(fù)頻率為F的方波脈沖信號(hào)，點(diǎn)劃線為該脈沖信號(hào)的直流分量，短虛線為其基波分量，長(zhǎng)虛線為其直流分量、基波分量和三次諧波分量之和。諧波次數(shù)越高，幅度越小，影響就越小。圖1-4信號(hào)分解對(duì)于周期性信號(hào)，可以表示為許多離散的頻率分量(各分量間成諧頻關(guān)系)，例如圖1-5即為圖1-4所示信號(hào)的頻譜圖；對(duì)于非周期性信號(hào)，可以用傅里葉變換的方法分解為連續(xù)譜，信號(hào)為連續(xù)譜的積分。頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性?xún)刹糠?，它們分別反映信號(hào)中各個(gè)頻率分量的振幅和相位的分布情況。圖1-5頻譜圖任何信號(hào)都會(huì)占據(jù)一定的帶寬。從頻譜特性上看，帶寬就是信號(hào)能量主要部分(一般為90%以上)所占據(jù)的頻率范圍或頻帶寬度。不同的信號(hào)，其帶寬不同，比如，話(huà)音的頻率范圍大致為100Hz～6kHz，其主要能量集中在300Hz～3.4kHz。射頻頻率越高，可利用的頻帶寬度就越寬，不僅可以容納許多互不干擾的信道，從而實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用或頻分多址，而且也可以傳播某些寬頻帶的消息信號(hào)(如圖像信號(hào))，這是無(wú)線通信采用高頻的原因之一。

3.頻率特性任何信號(hào)都具有一定的頻率或波長(zhǎng)。我們這里所講的頻率特性就是無(wú)線電信號(hào)的頻率或波長(zhǎng)。電磁波輻射的波譜很寬，如圖1-6所示。

圖1-6電磁波波譜無(wú)線電波只是一種波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的電磁波，占據(jù)的頻率范圍很廣。在自由空間中，波長(zhǎng)與頻率存在以下關(guān)系：

c=fλ

(1-1)式中：c為光速，f和λ分別為無(wú)線電波的頻率和波長(zhǎng)，因此，無(wú)線電波也可以認(rèn)為是一種頻率相對(duì)較低的電磁波。對(duì)頻率或波長(zhǎng)進(jìn)行分段，分別稱(chēng)為頻段或波段。不同頻段信號(hào)的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同，傳播的能力和方式也不同，因而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。表1-1列出了無(wú)線電波的頻(波)段劃分、主要傳播方式和用途等。表中關(guān)于傳播方式和用途的劃分是相對(duì)而言的，相鄰頻段間無(wú)絕對(duì)的分界線。應(yīng)當(dāng)指出，不同頻段的信號(hào)具有不同的分析與實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于米波以上(含米波，λ≥1m)的信號(hào)通常用集總(中)參數(shù)的方法來(lái)分析與實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于米波以下(λ<1m)的信號(hào)一般應(yīng)用分布參數(shù)的方法來(lái)分析與實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，這也是相對(duì)的。另外，從表中可以看出，頻段劃分中有一個(gè)“高頻”段，其頻率范圍為3～30MHz，這是“高頻”的狹義解釋?zhuān)傅木褪嵌滩l段。本課程涉及的波段可從中波到微波波段。

4.傳播特性無(wú)線通信的傳輸媒質(zhì)主要是自由空間。頻率或波長(zhǎng)不同，電磁波在自由空間的傳播方式也不同。傳播特性指的是無(wú)線電信號(hào)的傳播方式、傳播距離、傳播特點(diǎn)等。無(wú)線電信號(hào)的傳播特性主要根據(jù)其所處的頻段或波段來(lái)區(qū)分。

電磁波從發(fā)射天線輻射出去后，不僅電波的能量會(huì)擴(kuò)散，接收機(jī)只能收到其中極小的一部分，而且在傳播過(guò)程中，電波的能量會(huì)被地面、建筑物或高空的電離層吸收或反射，或者在大氣層中產(chǎn)生折射或散射等現(xiàn)象，從而造成到達(dá)接收機(jī)時(shí)的強(qiáng)度大大衰減。根據(jù)無(wú)線電波在傳播過(guò)程所發(fā)生的現(xiàn)象，電波的傳播方式主要有直射(視距)傳播、繞射(地波)傳播、折射和反射(天波)傳播及散射傳播等，如圖1-7所示。決定傳播方式和傳播特點(diǎn)的關(guān)鍵因素是無(wú)線電信號(hào)的頻率。圖1-7無(wú)線電波的主要傳播方式

(a)直射傳播；(b)地面繞射傳播；(c)電離層反射傳播；(d)對(duì)流層散射傳播

一般來(lái)講，無(wú)線電信號(hào)的輻射是多方向的。由于地球是一個(gè)巨大的導(dǎo)體，電波沿地面?zhèn)鞑?繞射)時(shí)能量會(huì)被吸收(趨膚效應(yīng)引起)，通常是波長(zhǎng)越長(zhǎng)(或頻率越低)，被吸收的能量越少，損耗就越小，因此，中、低頻(或中、長(zhǎng)波)信號(hào)可以以地波的方式繞射傳播很遠(yuǎn)，并且比較穩(wěn)定，多用作遠(yuǎn)距離通信與導(dǎo)航。實(shí)際上，繞射依賴(lài)于電波的波長(zhǎng)、物體的體積與形狀、繞射點(diǎn)入射波的振幅、相位和極化情況等，當(dāng)電波的波長(zhǎng)大于物體的體積時(shí)容易發(fā)生繞射。短波波段的無(wú)線電波沿地面?zhèn)鞑サ木嚯x很近，遠(yuǎn)距離傳播主要靠電離層。地球外部包裹著厚厚的大氣層，在大氣層中離地面60~600km的區(qū)域稱(chēng)為電離層，它是由于太陽(yáng)和星際空間的輻射引起大氣電離而產(chǎn)生的。電離層從里往外可以分為D、E、F1、F2

四層，D層和F1

層在夜晚幾乎完全消失，因此經(jīng)常存在的是E層和F2層。電離層對(duì)通過(guò)的電波也有吸收作用，頻率越高的信號(hào)，電離層吸收能力越弱，或者說(shuō)電波的穿透能力越強(qiáng)。因此，頻率太高的信號(hào)會(huì)穿過(guò)電離層而達(dá)到外層空間。另一方面，電離層也是一層介質(zhì)，對(duì)射向它的無(wú)線電波會(huì)產(chǎn)生反射與折射作用。入射角越大，越易反射；入射角太小，容易折射。在通常情況下，對(duì)于短波信號(hào)，F(xiàn)2層是反射層，D、E層是吸收層(因?yàn)樗鼈兊碾娮用芏刃?，不滿(mǎn)足反射條件)。F2

層的高度約250~300km，所以，一次反射的最大跳距約4000km。應(yīng)當(dāng)指出，由于電離層的狀態(tài)隨著時(shí)間(年、季、月、天、小時(shí)甚至更小單位)而變化，因此，利用電離層進(jìn)行的短波通信并不穩(wěn)定。但由于電離層離地面較高，因此，短波通信還是一種價(jià)格低廉的遠(yuǎn)距離通信方式。需要指出，電波的反射傳播不只是存在于電離層中。由于電波在不同性質(zhì)的介質(zhì)的交界處都會(huì)發(fā)生反射，因此，當(dāng)電波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)將產(chǎn)生反射，這就是說(shuō)，反射也會(huì)發(fā)生于地球表面、建筑物表面等許多地方。在離地面大約10~12km范圍內(nèi)的大氣層稱(chēng)為對(duì)流層，該層的空氣密度較高，所有的大氣現(xiàn)象(如風(fēng)、雨、雷、電等)都發(fā)生在這一層。散射現(xiàn)象也主要發(fā)生在對(duì)流層。在這個(gè)層中由于大氣湍流運(yùn)動(dòng)等原因形成的不均勻性就是電波的散射源。散射具有很強(qiáng)的方向性和隨機(jī)性。接收到的能量與入射線和散射線的夾角有關(guān)。散射信號(hào)隨時(shí)間的變化分為慢衰落和快衰落兩種，前者決定于氣象條件，后者由多徑傳播引起。散射傳播還有一定的散射損耗。散射傳播距離約為100~500km，適合的頻率在400~6000MHz之間。需要指出，散射是在電波通過(guò)的介質(zhì)中存在小于波長(zhǎng)的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常大時(shí)產(chǎn)生的，因此，散射發(fā)生于粗糙表面、小物體或不規(guī)則物體等許多地方。

頻率較高的超短波及其更高頻率的無(wú)線電波，主要沿空間直線傳播。由于地球曲率的原因，直射傳播的距離有限，通常只能為視距，因此也稱(chēng)為視距傳播。當(dāng)然，直線傳播方式可以通過(guò)架高天線、中繼或衛(wèi)星等方式來(lái)擴(kuò)大傳輸距離?？傊?，長(zhǎng)波信號(hào)以地波繞射為主；中波和短波信號(hào)可以以地波和天波兩種方式傳播，不過(guò)，前者以地波傳播為主，后者以天波(反射與折射)為主；超短波以上頻段的信號(hào)大多以直射方式傳播，也可以采用對(duì)流層散射的方式傳播。

5.調(diào)制特性調(diào)制在無(wú)線通信中的作用至關(guān)重要。無(wú)線電傳播一般都要采用高頻(射頻)的另一個(gè)原因就是高頻適于天線輻射和無(wú)線傳播。只有當(dāng)天線的尺寸大到可以與信號(hào)波長(zhǎng)相比擬時(shí)，天線的輻射效率才會(huì)較高，從而以較小的信號(hào)功率傳播較遠(yuǎn)的距離，接收天線也才能有效地接收信號(hào)。若把低頻的調(diào)制信號(hào)直接饋送至天線上，要想將它有效地變換成電磁波輻射，則所需天線的長(zhǎng)度幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。如果通過(guò)調(diào)制，把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬至高頻載波頻率，則收發(fā)天線的尺寸就可大為縮小。此外，調(diào)制還有一個(gè)重要作用就是可以實(shí)現(xiàn)信道的復(fù)用，提高信道利用率。

所謂調(diào)制，就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的參數(shù)，使載波信號(hào)的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)(振幅、頻率或相位)按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。根據(jù)載波受調(diào)制參數(shù)的不同，調(diào)制分為三種基本方式，它們是振幅調(diào)制(調(diào)幅)、頻率調(diào)制(調(diào)頻)、相位調(diào)制(調(diào)相)，分別用AM、FM、PM表示，還可以有組合調(diào)制方式。當(dāng)調(diào)制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)調(diào)制時(shí)，通常稱(chēng)為鍵控，三種基本的鍵控方式為振幅鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)和相位鍵控(PSK)。

一般情況下，高頻載波為單一頻率的正弦波，對(duì)應(yīng)的調(diào)制為正弦調(diào)制。若載波為一脈沖信號(hào)，則稱(chēng)這種調(diào)制為脈沖調(diào)制。本課程中主要討論模擬消息(調(diào)制)信號(hào)和正弦載波的模擬調(diào)制，但這些原理甚至電路完全可以推廣到數(shù)字調(diào)制中去。不同的調(diào)制信號(hào)和不同的調(diào)制方式，其調(diào)制特性不同。調(diào)制的逆過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)或檢波，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的原調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。1.3本課程的特點(diǎn)

高頻電子線路廣泛應(yīng)用于通信與電子系統(tǒng)中，高頻電子線路的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求也通常具有系統(tǒng)性。應(yīng)用于電子系統(tǒng)和電子設(shè)備中的高頻電子線路幾乎都是由線性的元件和非線性的器件組成的。嚴(yán)格來(lái)講，所有包含非線性器件的電子線路都是非線性電路，只是在不同的使用條件下，

非線性器件所表現(xiàn)的非線性程度不同而已。

比如對(duì)于高頻小信號(hào)放大器，由于輸入的信號(hào)足夠小