《高頻電子線路簡(jiǎn)明教程》課件1

第一章緒論第一節(jié)無(wú)線通信系統(tǒng)概論第二節(jié)本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法思考題與練習(xí)題

第一節(jié)無(wú)線通信系統(tǒng)概論

一、無(wú)線通信系統(tǒng)的組成

典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信系統(tǒng)將由信源產(chǎn)生的信息通過(guò)無(wú)線發(fā)送設(shè)備（發(fā)射機(jī)）輻射到空中（無(wú)線信道，引入干擾和噪聲），接收端由無(wú)線接收設(shè)備（接收機(jī)）恢復(fù)出發(fā)送端信源產(chǎn)生的信息送至信宿。

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是無(wú)線通信系統(tǒng)的核心組成部分，雖然有多種形式，但從產(chǎn)生至今，其最常用的形式是超外差（SuperHeterodyne）結(jié)構(gòu)，分別如圖1-1(a)和圖1-1(b)所示。通常將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)合稱收發(fā)信機(jī)(Transceiver)。圖1-1典型無(wú)線通信電路組成框圖發(fā)射機(jī)通過(guò)調(diào)制器和上混頻器將信源產(chǎn)生的原始基帶（Baseband）信號(hào)變換到頻率較高的載波（Carrier）上，使所傳送信號(hào)的時(shí)域和頻域特性更好地滿足信道的要求。射頻功率放大器將要發(fā)送的高頻信號(hào)放大到需要的功率電平。接收機(jī)將動(dòng)態(tài)范圍很寬的射頻已調(diào)信號(hào)（ModulatedSignal）由高頻變換到適宜處理的低頻。接收機(jī)接收到的是高頻、大動(dòng)態(tài)范圍和低信噪比的小信號(hào)。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中的天線用來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的有效輻射與接收。在發(fā)射機(jī)中，將基帶信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)形式的過(guò)程稱為調(diào)制（Modulation），實(shí)現(xiàn)調(diào)制的電路稱為調(diào)制器（Modulator）。調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，通常為射頻帶通信號(hào)，但也有在基帶上實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制的。在接收機(jī)中，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)程稱為解調(diào)（Demodulation），把實(shí)現(xiàn)解調(diào)的部件稱為解調(diào)器（demodulator）。有時(shí)將收發(fā)設(shè)備中的調(diào)制器和解調(diào)器合稱為調(diào)制解調(diào)器（Modem）。

圖1-2電磁波的波譜對(duì)電磁波的頻率或波長(zhǎng)進(jìn)行分段，分別稱為頻段或波段。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)于頻段、傳播方式和用途的劃分并不十分嚴(yán)格，相鄰頻段間無(wú)絕對(duì)的分界線。表1-1無(wú)線電波的頻（波）段劃分表

應(yīng)當(dāng)指出，表1-1中的“高頻”是一個(gè)相對(duì)的概念，它指的是短波頻段，其頻率范圍為3～30

MHz，這只是“高頻”的狹義解釋。而廣義的“高頻”指的是射頻（RF，RadioFrequency），其頻率范圍非常寬。只要電路尺寸比工作波長(zhǎng)小得多，可用集中（總）參數(shù)來(lái)分析實(shí)現(xiàn)，都可認(rèn)為工作頻率屬于“高頻”范圍。就目前的技術(shù)水平來(lái)講，“高頻”的上限頻率可達(dá)微波頻段（如3～5GHz）。微波頻段主要由UHF、SHF和EHF三個(gè)頻段組成。表1-2為IEEE定義的更為詳細(xì)的工業(yè)用微波頻段。表1-2

IEEE定義的微波頻段需要強(qiáng)調(diào)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)的方法和“路”的概念來(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)的方法和“場(chǎng)”的概念來(lái)分析與實(shí)現(xiàn)。

電磁波的頻率越高，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。三、電波傳播方式

不同頻率的電磁波信號(hào)，其主要傳播方式不同。電磁波的傳播方式分為直射（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1-3所示。圖1-3電磁波的傳播方式一般來(lái)講，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。為了拓展直線傳播的距離，可以通過(guò)架高天線、中繼或衛(wèi)星等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

四、調(diào)制與解調(diào)

由圖1-1可知，調(diào)制與解調(diào)在收發(fā)信機(jī)中的作用至關(guān)重要，其本質(zhì)是頻譜的非線性搬移。無(wú)線電傳播一般都要采用高頻（射頻）的一個(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（例如天線尺寸至少為信號(hào)波長(zhǎng)的1／10）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)天線的尺寸就可大大縮小。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。此外，先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)方式還具有較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落能力，并可以提高傳輸性能，實(shí)現(xiàn)可靠通信。

所謂調(diào)制，就是把信號(hào)變換成適合于在信道（傳輸鏈路）中進(jìn)行傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程。在無(wú)線通信中，基本的調(diào)制方法是使高頻載波信號(hào)的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)（振幅、頻率或相位）按照基帶調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。根據(jù)載波受調(diào)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)時(shí)，通常稱為鍵控，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)，則稱這種調(diào)制為脈沖調(diào)制。解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程。在雙向通信中，實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)的復(fù)雜程度很可能是不對(duì)稱的。在廣播系統(tǒng)中，通常要求解調(diào)的復(fù)雜度要小，而不太關(guān)心調(diào)制的復(fù)雜度。

對(duì)于不同的調(diào)制信號(hào)和不同的調(diào)制解調(diào)方式，調(diào)制解調(diào)性能不同。衡量調(diào)制器和解調(diào)器性能優(yōu)劣的指標(biāo)主要是調(diào)制方式的頻帶利用率或頻譜有效性、功率有效性及抗干擾和噪聲的能力。第二節(jié)本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法

一、本課程的特點(diǎn)

高頻電子線路的最大特點(diǎn)就是高頻和非線性。

頻率高的射頻信號(hào)會(huì)產(chǎn)生許多低頻信號(hào)所沒(méi)有的效應(yīng)，主要是分布參數(shù)、集膚效應(yīng)和輻射效應(yīng)。集總參數(shù)元件是指一個(gè)獨(dú)立的局域性元件，能夠在一定的頻率范圍內(nèi)提供特定的電路性能。而隨著頻率提高到射頻，任何元器件甚至導(dǎo)線都要考慮分布參數(shù)效應(yīng)和由此產(chǎn)生的寄生參數(shù)，如導(dǎo)體間、導(dǎo)體或元件與地之間、元件之間的雜散電容，連接元件導(dǎo)線的電感和元件自身的寄生電感等。

因此，在分析與設(shè)計(jì)射頻電路與系統(tǒng)時(shí)，一定要重視阻抗匹配問(wèn)題，并要考慮噪聲和損耗問(wèn)題。由于分布參數(shù)元件的電磁場(chǎng)分布在附近空間，其特性會(huì)受到周圍環(huán)境的影響，分析和設(shè)計(jì)都相當(dāng)復(fù)雜。集膚效應(yīng)是指當(dāng)頻率升高時(shí)，電流只集中在導(dǎo)體的表面，導(dǎo)致有效導(dǎo)電面積減小，交流電阻可能遠(yuǎn)大于直流電阻，從而使導(dǎo)體損耗增加，電路性能惡化。輻射是指信號(hào)泄漏到空間中，使得信號(hào)源或要傳輸?shù)男盘?hào)的能量不能全部輸送到負(fù)載上，從而產(chǎn)生能量損失和電磁干擾。輻射還會(huì)引起一些耦合效應(yīng)，使得高頻電路的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試和測(cè)量等都非常困難。此外，射頻電路的輸入／輸出阻抗一般情況下都是相當(dāng)?shù)偷?，大部分射頻電路與設(shè)備的典型阻抗是５０Ω。

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，而又要求不失真放大，因此，其中的非線性器件可以用線性等效電路表示（但存在不希望的失真），分析方法也可采用線性電路的分析方法。本課程的核心內(nèi)容和絕大部分電路都屬于非線性電路。非線性電路在無(wú)線通信中主要用來(lái)完成頻譜變換功能，如Ｃ類功率放大器、振蕩器、混頻器、倍頻器、調(diào)制與解調(diào)器等。與線性器件不同，對(duì)非線性器件通常用多個(gè)參數(shù)來(lái)描述，如直流跨導(dǎo)、時(shí)變跨導(dǎo)和平均跨導(dǎo)等，而且它們大都與控制變量有關(guān)。器件的非線性會(huì)產(chǎn)生變頻壓縮、交調(diào)、互調(diào)等非線性失真，它們將影響收發(fā)信機(jī)的性能。在分析非線性器件對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)時(shí)，不能采用線性電路中行之有效的疊加原理，而必須求解非線性方程（包括代數(shù)方程和微分方程）。對(duì)非線性電路進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析不僅非常困難，而且沒(méi)有必要。在實(shí)際中，一般都采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的方法進(jìn)行輔助分析。在工程上也往往根據(jù)實(shí)際情況對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡(jiǎn)單的分析方法（如折線近似法、線性時(shí)變電路分析法、開(kāi)關(guān)函數(shù)分析法等）獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果，而不必過(guò)分追求其嚴(yán)格性。這也是學(xué)習(xí)本課程的困難所在。二、本課程學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問(wèn)題與方法

第一，要深刻理解本課程的特點(diǎn)，懂得產(chǎn)生這些特點(diǎn)的原因，才能領(lǐng)會(huì)不同電路和分析方法的內(nèi)在聯(lián)系。

第二，要抓住各種電路之間的共性。高頻電子線路中的功能電路雖然很多，但它們都是在為數(shù)不多的基本電路的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。因此，在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，要洞悉各種功能之間的內(nèi)在聯(lián)系，而不是僅僅局限于掌握一個(gè)個(gè)具體的電路及其工作原理。當(dāng)然，熟悉典型的單元電路對(duì)讀識(shí)圖能力的提高和電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是非常有意義的。

第三，本課程所講的電路都是無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備中的單元電路，雖然在講解原理時(shí)經(jīng)過(guò)了一定的歸納與抽象，但電路形式仍具有十分強(qiáng)烈的工程實(shí)踐性。這就要求在學(xué)習(xí)過(guò)程中，要注意高頻電路的工程性，如匹配、耦合、屏蔽與濾波等，要高度重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)踐中積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。

第四，要有系統(tǒng)觀。本課程的內(nèi)容包括單元電路和整機(jī)電路，在對(duì)單元電路進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)時(shí)要有系統(tǒng)觀，要從整個(gè)系統(tǒng)的角度來(lái)考慮要求和指標(biāo)。各單元電路之間的關(guān)聯(lián)性可通過(guò)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。第五，要有發(fā)展的觀念。隨著需求的變化和技術(shù)的發(fā)展，電子元器件、集成電路、設(shè)計(jì)與仿真軟件、制造工藝等各方面都有長(zhǎng)足的發(fā)展，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的技術(shù)體制和實(shí)現(xiàn)方式也有很大變化，因此，在學(xué)習(xí)本課程時(shí)必須要隨時(shí)關(guān)注相關(guān)發(fā)展，及時(shí)應(yīng)用新技術(shù)、新器件、新方法。本章小結(jié)

本章以無(wú)線通信系統(tǒng)電路組成為主線，闡述了高頻電子線路的功用和特點(diǎn)，介紹了無(wú)線電信號(hào)的波段劃分和傳播方式，說(shuō)明了高頻信號(hào)的作用和分析方法，以及調(diào)制的作用和方法，指出