1、第2章 高頻電路基礎(chǔ) 高頻電路中的元器件 高頻電路中的基本電路 電子噪聲及其特性 噪聲系數(shù)與噪聲溫度9/8/20221一、高頻電路中的元器件 高頻電路中的元器件包括無源元件和有源器件。1、無源元件：電阻、電容和電感電阻：電阻器在高頻狀態(tài)下，除電阻特性外，還要考慮分布電感和分布電容，這就是電阻的高頻特性，它與制作電阻的材料、封裝形式與尺寸的大小有密切關(guān)系。 電阻的高頻等效電路CR:分布電容；LR:分布電感實(shí)際電阻的高頻特性：金屬膜電阻好于碳膜電阻；碳膜電阻好于繞線電阻；表面貼裝(SMD)電阻好于引線電阻；小尺寸電阻好于大尺寸電阻。9/8/20222電容：對(duì)于非理想的電容器，除了電容特性外，還要考

2、慮它的兩極間的絕緣電阻和分布電感。高頻電容器都有一個(gè)自身諧振頻率SRF(Self Resonant Frequency) ，只有工作頻率小于SRF，電容器才呈現(xiàn)正常的電容特性。 高頻特性好的電容：片狀電容和表面貼裝電容。9/8/20223電感：一個(gè)電感器除了其電感特性和線圈損耗電阻外，在高頻電路中還要考慮其分布電容。因此高頻電感器也有其SRF，它的工作頻率應(yīng)小于這個(gè)SRF。 高頻電感與傳輸線變壓器：由小尺寸電感線圈與磁芯構(gòu)成。9/8/202241）二極管非線性變換二極管：用于調(diào)制、解調(diào)和混頻電路中，工作在低電平，結(jié)電容小、工作頻率高。 舉例：點(diǎn)觸式二極管(如2AP系列) 工作頻率100200M

3、Hz。 表面勢(shì)壘二極管工作頻率可以達(dá)到微波波段。變?nèi)荻O管：結(jié)電容隨反偏電壓變化而變化。主要用在電調(diào)諧器、電壓控制振蕩器(VCO)、調(diào)頻器等電路中。PIN二極管：由P型、N型和本征(I型 )半導(dǎo)體組成。它的高頻等效電阻受正向直流電流的控制，主要用在電控的開關(guān)、限幅、衰減和移相電路中。2. 高頻電路中的有源器件：半導(dǎo)體二極管、晶體管和集成電路。 主要介紹有源器件在高頻狀態(tài)下的特性。9/8/202253）集成電路(IC) 用于高頻的集成電路分為通用IC和專用IC(ASIC)。 通用IC：寬帶放大器、模擬乘法器。 ASIC：鎖相環(huán)(PLL)、調(diào)頻解調(diào)器、單片接收機(jī)以及電視機(jī)專用集成IC等。2）晶體管

4、和場(chǎng)效應(yīng)管(FET) 二者的主要用途：高頻小信號(hào)放大器、高頻功率放大器。 高頻小信號(hào)放大管：要求高增益和低噪聲。 高頻功率放大管：除了高頻增益要求外，還要求有較大的高頻功率輸出。 晶體管：工作頻率可達(dá)幾千MHz，噪聲系數(shù)為幾個(gè)分貝，輸出功率可達(dá)上百瓦。 場(chǎng)效應(yīng)管：在同樣的工作頻率下，噪聲系數(shù)要比雙極晶體管的更低。9/8/20226 高頻電路中的基本電路(無源組件或無源網(wǎng)絡(luò))有很多，本章主要介紹高頻諧振 (振蕩)回路、高頻變壓器、石英晶體諧振器和集中濾波器四種無源組件。其它基本電路(平衡調(diào)制器、正交調(diào)制器、移相器、匹配器與衰減器等)在后續(xù)章節(jié)里介紹。1、高頻諧振 (振蕩)回路主要功能：作為高頻放

5、大器、振蕩器和濾波器的主要部件完成阻抗變換、信號(hào)選擇的功能，也可以直接作為負(fù)載來使用。高頻諧振回路的分類：簡(jiǎn)單諧振回路、抽頭并聯(lián)諧振回路和耦合諧振回路。二、高頻電路中的基本電路9/8/20227（1) 簡(jiǎn)單諧振回路：只有一個(gè)回路的諧振回路稱為簡(jiǎn)單諧振回路，包括并聯(lián)諧振回路和串聯(lián)諧振回路兩種。 串聯(lián)諧振回路主要用在低阻抗電路(微波線路)中，而在中波、短波和超短波線路中并聯(lián)諧振回路用的比較廣。 并聯(lián)諧振回路： 回路阻抗： 諧振頻率：令ZP的虛部為零，可得諧振頻率。 品質(zhì)因數(shù)： 9/8/20228回路諧振阻抗：諧振時(shí)阻抗最大，近似為一純電阻。 上式的推導(dǎo)：上圖是用R0表示的等效電路9/8/20229

6、用廣義失諧表示回路阻抗：9/8/202210歸一化阻抗的幅頻特性(諧振特性)：品質(zhì)因數(shù)越高，諧振曲線越尖銳。3dB通頻帶(半功率通頻帶)：將阻抗幅頻特性下降為諧振值的0.707倍時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍，簡(jiǎn)稱回路帶寬。矩形系數(shù)：描述諧振曲線接近理想帶通(矩形)的程度。9/8/202211諧振時(shí)電壓電流關(guān)系：I為回路電流。歸一化阻抗的相頻特性：9/8/202212 例 2-1 設(shè)一放大器以簡(jiǎn)單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載，信號(hào)中心頻率fs=10MHz，回路電容C=50pF。 (a) 計(jì)算所需的線圈電感值； (b) 若線圈品質(zhì)因數(shù)(空載)為Q=100, 試計(jì)算R0及B； (c) 若放大器所需的帶寬(有載)B=0.5

7、 MHz, 則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻R1才能滿足放大器所需帶寬要求? 解：(a) 計(jì)算L值。 (b) 回路空載諧振電阻R0和空載帶寬B：不考慮負(fù)載電阻R1。9/8/202213 (c) 計(jì)算并聯(lián)的負(fù)載電阻R1(已知對(duì)應(yīng)的有載帶寬BL=0.5 MHz)。 考慮R1的總諧振電阻為R1R0，對(duì)應(yīng)回路有載品質(zhì)因數(shù)QL為回路總諧振電阻R1R0為所以：需要在回路上并聯(lián)7.97 k的電阻。 空載與有載品質(zhì)因數(shù)：空載品質(zhì)因數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振電阻為R0，僅有電感的損耗電阻產(chǎn)生；有載品質(zhì)因數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振電阻為R0和R1的并聯(lián)。9/8/202214 串聯(lián)諧振回路9/8/202215串聯(lián)回路電流： 諧振時(shí)回路電流：表示為I0

8、，取得最大值I0=U/r。 U為回路兩端信號(hào)電壓。 非諧振時(shí)回路電流： 諧振曲線與回路品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系：9/8/202216串聯(lián)回路諧振時(shí)電壓的相位關(guān)系： 回路通頻帶與矩形系數(shù):與并聯(lián)諧振回路相同。空載Q0與有載QL：若r是電感的損耗電阻，則Q為空載品質(zhì)因數(shù)；若r為回路總電阻(損耗電阻和負(fù)載電阻串聯(lián))，則Q為有載品質(zhì)因數(shù)。9/8/202217串聯(lián)回路ZS的幅頻特性與ZS電抗的頻率特性：ZS的相頻特性：9/8/202218(2) 抽頭并聯(lián)諧振回路定義：激勵(lì)源或負(fù)載，與回路電感或回路電容部分連接的并聯(lián)諧振回路，稱為抽頭并聯(lián)諧振回路。實(shí)際電路中應(yīng)用非常廣泛。 功能：實(shí)現(xiàn)阻抗變換，使回路阻抗與信號(hào)源或負(fù)

9、載阻抗相匹配。接入系數(shù)(抽頭系數(shù))p的定義 ：與外電路相連的那部分電抗與并聯(lián)諧振回路參與分壓的同性質(zhì)總電抗之比。也可以用電壓比表示：p=U/UT 整體(R1-R2)：阻抗變大，(b) 整體部分(R2-R1)：阻抗變小，(c). 輸入電感抽頭(抽頭電感L1)，輸出電容抽頭。9/8/202221非諧振時(shí)的接入系數(shù)和阻抗變換：抽頭回路電流源的變換：9/8/202222 例 2-2：抽頭回路由電流源激勵(lì)，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。 解: 由于忽略了回路本身的固有損耗，因此r=0，Q。 諧振角頻率為 9/8/202223電阻R1的接入系數(shù)回路諧振電阻：回路電壓u

10、(t) ：諧振時(shí)u(t)與i(t)同相。輸出電壓 有載品質(zhì)因數(shù) 回路帶寬 9/8/202224 (3). 耦合諧振(雙調(diào)諧)回路簡(jiǎn)單諧振回路(包括帶抽頭的簡(jiǎn)單諧振回路)的特點(diǎn)：有一定的選頻能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是選擇性差，矩形系數(shù)太大(9.96)，耦合諧振回路可以克服這些缺點(diǎn)。定義：將兩個(gè)互相耦合諧振回路稱為耦合諧振回路(或雙調(diào)諧回路)，其中接有信號(hào)源的回路稱為初級(jí)回路，接有負(fù)載的回路稱為次級(jí)回路或負(fù)載回路。通常有互感耦合和電容耦合兩種。主要功能：阻抗變換和改善回路頻率特性(相對(duì)于簡(jiǎn)單諧振回路)。要滿足的條件：兩個(gè)回路調(diào)諧于信號(hào)頻率；兩個(gè)回路均為高Q回路。9/8/202225 兩種常見的耦合回路

11、：互感耦合圖(a)和圖(c) 電容耦合圖(b)和圖(d)9/8/202226我們主要討論互感耦合諧振回路。先定義兩個(gè)參數(shù): 初級(jí)回路對(duì)次級(jí)回路的影響：用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)jMI1來描述；次級(jí)回路初級(jí)回路的反作用：用等效反映阻抗Zf來描述。Z2為次級(jí)回路的串聯(lián)阻抗。反映耦合回路頻率特性的參數(shù)：耦合回路的轉(zhuǎn)移阻抗Z21=U2/I。 所以下面的內(nèi)容重點(diǎn)分析 Z21。9/8/202227 初級(jí)和次級(jí)回路串聯(lián)阻抗可分別表示為 耦合阻抗為 假設(shè): L1=L2=L，C1=C2=L，r1=r2=r，Q1=Q2=Q=0L/r，Q19/8/202228初級(jí)線圈電流在次級(jí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： 將I2和U的表達(dá)式帶入Z21中:

12、計(jì)算轉(zhuǎn)移阻抗為：考慮次級(jí)的反映阻抗：9/8/202229歸一化轉(zhuǎn)移阻抗: 用歸一化轉(zhuǎn)移阻抗分析耦合回路的頻率特性:(a) A=1：臨界耦合，特性曲線為單峰，對(duì)應(yīng)的耦合系數(shù)為臨界耦合系數(shù)kc=1/Q。(b) A1(kkc)：過耦合，轉(zhuǎn)移阻抗的特性曲線為雙峰。(c) A1(kkc)：欠耦合，特性曲線帶寬較窄，最大值也較小。 9/8/202230耦合回路理想的工作狀態(tài)：臨界耦合，頻率特性為臨界耦合回路的性能參數(shù)： (a) 通頻帶： (b) 矩形系數(shù)K0.1：反映特性曲線接近理想矩形的程度。9/8/202231電容耦合諧振回路：輕度過耦合時(shí)通頻帶：通帶內(nèi)有起伏，只要凹限點(diǎn)的歸一化阻抗大于0.707即可

13、，這時(shí)可以獲得更大的帶寬。當(dāng)歸一化阻抗等于0.707時(shí)，耦合因子和帶寬為9/8/202232理想變壓器：變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間通過磁場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)傳輸，理想變壓器要求初級(jí)與次級(jí)的耦合系數(shù)為1。(1) 高頻變壓器主要功能：信號(hào)傳輸和阻抗變換。高頻變壓器特點(diǎn)：與低頻變壓器相比有如下特點(diǎn)。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，增加初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的耦合程度，比如錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體；高頻變壓器的尺寸要小，線圈的匝數(shù)較少，主要用在小信號(hào)場(chǎng)合。 2. 高頻變壓器和傳輸線變壓器9/8/202233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。高

14、頻變壓器及其等效電路： (a) 電路符號(hào); (b) 等效電路9/8/202234 中心抽頭變壓器：用作功率分配器、功率合成器以及平衡-不平衡變換電路 (a) 中心抽頭變壓器電路;（b）作四端口器件應(yīng)用 初級(jí)為兩個(gè)等匝數(shù)的線圈串聯(lián), 極性相同， 設(shè)初次級(jí)匝數(shù)比n=N1/N2。 假設(shè)為理想變壓器,那么線圈間的電壓和電流關(guān)系分別為9/8/202235 (2) 傳輸線變壓器：將繞在磁環(huán)上的傳輸線構(gòu)成的高頻變壓器。傳輸線變壓器的工作方式： (a) 傳輸線方式; (b) 變壓器方式 9/8/202236傳輸線變壓器的應(yīng)用舉例：9/8/202237物理特性：石英晶體是SiO2的結(jié)晶體，在自然界中以六角錐體形

15、式出現(xiàn)。對(duì)天然的石英晶體通過人工加工形成石英諧振器。 (a)外形；(b) 不同切型位置 3. 石英晶體諧振器 9/8/202238物理特性：石英晶體作為諧振器，是由于它的正壓電效應(yīng)和反壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)：當(dāng)晶體受外力作用而變形時(shí)，會(huì)在對(duì)應(yīng)表面產(chǎn)生正負(fù)電荷，形成感應(yīng)電壓；反壓電效應(yīng)：當(dāng)晶體兩面加上電壓，晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，如果加上交流電壓，晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)；機(jī)械振動(dòng)與頻率穩(wěn)定性：晶體有一個(gè)固定的機(jī)械諧振頻率。當(dāng)外加電信號(hào)的頻率與這個(gè)機(jī)械諧振頻率相等時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械共振和電諧振。石英晶體的物理特性非常穩(wěn)定。它的物理穩(wěn)定性決定了其穩(wěn)定的諧振頻率。因此石英晶體諧振器廣泛應(yīng)用在高穩(wěn)定的振蕩器、窄帶濾

16、波器、鑒頻器中。電路符號(hào)：9/8/202239石英晶體的工作方式：可以在基頻上諧振，也可以在高次諧波(通常是奇次諧波，又稱泛音)上諧振。 基頻(音)諧振器：利用基頻共振的諧振器。以KHz來標(biāo)志。 泛音諧振器：利用泛音共振的諧振器。以MHz來標(biāo)志。 石英晶體諧振頻率：基音諧振頻率最高為25MHz，泛音諧振頻率為250MHz以上。石英晶體諧振器的外形(a)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)(b)：9/8/202240 晶體諧振器的等效電路： (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：9/8/202241主要參數(shù)特性(以B45型1MHz中等精度晶體為例)： Lq=4.00H，Cq=0.0063pF

17、rq=100200，C0=23pF Qq=qLq/rq1.25105 2.5105 因此Cq C0，fq和f0相差很小。晶體的標(biāo)稱頻率：標(biāo)在晶體外殼上的頻率是在晶體上并聯(lián)一個(gè)電容CL測(cè)得的，CL =30pF或50pF。9/8/202242晶體的電抗特性：為了簡(jiǎn)化分析，忽略rq。當(dāng)0，晶體諧振器呈現(xiàn)容性；當(dāng)q1；理想無噪聲系統(tǒng)：NF =1噪聲系數(shù)定義的局限性： 噪聲系數(shù)只適用線性或準(zhǔn)線性電路； 噪聲系數(shù)對(duì)純電抗無意義。9/8/202260(1) 額定功率法：在信號(hào)源內(nèi)阻RS和負(fù)載電阻RL匹配的情況下，信號(hào)源的輸出功率最大，所以稱為額定功率法。2. NF的計(jì)算方法：本質(zhì)上都是根據(jù)定義計(jì)算，但是，對(duì)

18、于四端口網(wǎng)絡(luò)，用額定功率法計(jì)算最簡(jiǎn)單。9/8/202261舉例：考慮接收機(jī)天線的輸入回路，這是一個(gè)抽頭諧振回路。由于抽頭諧振回路為無源網(wǎng)絡(luò)，所以無源四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)：如振蕩回路、電阻電抗構(gòu)成的濾波器和衰減器。9/8/202262(2) 級(jí)連四端網(wǎng)絡(luò)的NF：設(shè)有二級(jí)四端網(wǎng)絡(luò)，其功率放大倍數(shù)分別為：KP1、KP2 ，噪聲系數(shù)分別為： NF1、NF2 。級(jí)聯(lián)后總的噪聲系數(shù)為9/8/202263 例 2-3：下圖是一接收機(jī)的前端電路，高頻放大器和場(chǎng)效應(yīng)管混頻器的噪聲系數(shù)和功率增益如圖所示。試求前端電路的噪聲系數(shù)(設(shè)本振產(chǎn)生的噪聲忽略不計(jì))。 解：將圖中的噪聲系數(shù)和增益化為倍數(shù)， 有因此, 前端電路的噪聲系數(shù)為 9/8/202264(3). 接收靈敏度：在保持接收機(jī)輸出端信噪比一定時(shí)，接收機(jī)輸入端所需要的最小信號(hào)電壓或功率(設(shè)接收機(jī)有足夠的增益) 。它是衡量接收機(jī)接收微弱信號(hào)能力的重要指標(biāo)。舉例：設(shè)有一電視接收機(jī)。正