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第3讲高频部分接入传输线变压器阻1第1页，共44页，编辑于2022年，星期一部分接入的目的：部分接入的目的：增大负载和信号源内阻在回路的等效阻值，保证增大负载和信号源内阻在回路的等效阻值，保证回路有高的回路有高的Q Q值。换句话说是减小值。换句话说是减小Q QL L值的下降。值的下降。部分接入部分接入 P17P17，P18P18，P13P132第2页，共44页，编辑于2022年，星期一接入系数接入系数P：定义为：抽头点电压与端电压的比定义为：抽头点电压与端电压的比也可定义为：接入点电压与欲折合处电压之比也可定义为：接入点电压与欲折合处电压之比1.变压器耦合接入电路：变压器耦合接入电路：3第3页，共44页，编辑于2022年，星期一 在不考虑在不考虑 之间的互感之间的互感M时时:2.电感抽头电路：电感抽头电路：4第4页，共44页，编辑于2022年，星期一3.电容抽头电路：电容抽头电路：接入系数接入系数5第5页，共44页，编辑于2022年，星期一4.电阻电阻/电导的折合：电导的折合：根据能量等效原则：根据能量等效原则：因此因此 即由低抽头向高抽头转换时，等效阻抗提高即由低抽头向高抽头转换时，等效阻抗提高 倍。倍。电阻和电导的变比是电阻和电导的变比是6第6页，共44页，编辑于2022年，星期一同理：电容的折合同理：电容的折合结论：结论：1 1、抽头改变时、抽头改变时,P改变改变.2 2、抽头由低、抽头由低高，等效导纳降低高，等效导纳降低P2倍，倍，QL值提高许值提高许 多，即等效电阻提高了多，即等效电阻提高了 倍，并联电阻加大，倍，并联电阻加大，QL 值提高。值提高。电容减小，阻抗加大。电容减小，阻抗加大。7第7页，共44页，编辑于2022年，星期一电压源和电流源的变比是电压源和电流源的变比是P P 由于由于 从从ab端到端到bd端电压变换比为端电压变换比为1/P，在保持功率相同的条件下，电流变换比就是在保持功率相同的条件下，电流变换比就是P倍。倍。5.电压源电压源/电流源的折合：电流源的折合：右图表示电流源的折合关系。因为是等效变换，变换前后其功率不右图表示电流源的折合关系。因为是等效变换，变换前后其功率不变变.8第8页，共44页，编辑于2022年，星期一 因此，抽头的目的是：因此，抽头的目的是：减小减小信号源信号源内阻和内阻和负载负载对回路的对回路的影响影响。负载电阻和信号源内阻小时应采用串联方式；负载电阻和信号源内阻小时应采用串联方式；负载电阻和信号源内阻大时应采用并联方式；负载电阻和信号源内阻大时应采用并联方式；负载电阻信号源内阻不大不小采用部分接入方式负载电阻信号源内阻不大不小采用部分接入方式 。9第9页，共44页，编辑于2022年，星期一 例例2 如图2 11，抽头回路由电流源激励,忽略回路本身的固有损耗,试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。图 2 11 例2的抽头回路 10第10页，共44页，编辑于2022年，星期一 解解 由于忽略了回路本身的固有损耗,因此可以认为Q。由图可知,回路电容为 谐振角频率为 电阻R1的接入系数等效到回路两端的电阻为 11第11页，共44页，编辑于2022年，星期一 回路两端电压u(t)与i(t)同相,电压振幅Um=I m R=2V,故 输出电压为 回路有载品质因数 回路带宽 12第12页，共44页，编辑于2022年，星期一13第13页，共44页，编辑于2022年，星期一耦合振荡回路简介耦合振荡回路简介P|20、P21、P221 1、概述、概述单振荡回路具有频率选择性的作用，单振荡回路具有频率选择性的作用，但是其选频特性不够理想（但是其选频特性不够理想（K0.1=9.98，太大！）。，太大！）。为了使网络具有矩形选频为了使网络具有矩形选频特性，需要采用耦合振荡特性，需要采用耦合振荡回路。回路。耦合回路耦合回路由两个或者由两个或者两个以上的单振荡回两个以上的单振荡回路通过各种不同的耦路通过各种不同的耦合方式组成合方式组成14第14页，共44页，编辑于2022年，星期一常用的两种耦合回路：常用的两种耦合回路：2、耦合系数、耦合系数k及耦合因子及耦合因子A()按耦合参量的大小：按耦合参量的大小：强耦合、弱耦合、临界耦合强耦合、弱耦合、临界耦合(a)电感耦合回路电感耦合回路(b)电容耦合回路电容耦合回路为此，引入为此，引入“耦合系数耦合系数”的概念来说明回路间耦合程度的的概念来说明回路间耦合程度的强弱并以强弱并以k k表示。表示。耦合回路的特性和功能与两个回路的耦合程度有关耦合回路的特性和功能与两个回路的耦合程度有关15第15页，共44页，编辑于2022年，星期一可见，任何电路的耦合系数不但都是无量纲的常数，而且永可见，任何电路的耦合系数不但都是无量纲的常数，而且永远是个远小于远是个远小于1的正数。的正数。因此，定义耦合因子因此，定义耦合因子:A=QA=Qk k 其量级约是其量级约是1 1左右。左右。(A1强耦合、强耦合、A1弱耦合、弱耦合、A=临界耦合临界耦合)16第16页，共44页，编辑于2022年，星期一耦合回路的通频带与矩形系数耦合回路的通频带与矩形系数 根据前述单回路通频带的定义，当根据前述单回路通频带的定义，当 Q1=Q2=Q，01=02=时可导出：时可导出：(2)(2)一般采用一般采用A A稍大于稍大于1 1，这时在通带内放大均匀，这时在通带内放大均匀，且在通带外衰减很大，有较理想的幅频特性。且在通带外衰减很大，有较理想的幅频特性。(1)(1)若若A A=1=1时时:当当A A=2.41=2.41时时:17第17页，共44页，编辑于2022年，星期一 用多个三极管并联运用可以实现功率合成，但一管损坏必将使用多个三极管并联运用可以实现功率合成，但一管损坏必将使其它管子状态变化，如果用传输线变压器构成混合网络来实现功率其它管子状态变化，如果用传输线变压器构成混合网络来实现功率合成就不会有这个缺点，还可以实现宽频带工作。合成就不会有这个缺点，还可以实现宽频带工作。功率合成器功率合成器,传统采用多个高频晶体管传统采用多个高频晶体管,使它们产生的高频使它们产生的高频功率在一个公共负载上相加。功率在一个公共负载上相加。功率合成器功率合成器P87P93P5718第18页，共44页，编辑于2022年，星期一传输线变压器传输线变压器 P25P25、P26P26、P58P58(2)(2)常用传输线变压器常用传输线变压器 常用的有常用的有(讨论前提条件：理想无耗讨论前提条件：理想无耗)：1:11:1倒相器，如右图所示。倒相器，如右图所示。1:11:1平衡平衡-不平衡变换器不平衡变换器 4:14:1阻抗变换器，阻抗变换器，1:41:4阻抗变换器阻抗变换器 传输线变压器是将传输线绕在磁传输线变压器是将传输线绕在磁环上的变压器环上的变压器 性能特点：工作频带宽，上限频性能特点：工作频带宽，上限频率可达上千兆赫率可达上千兆赫19第19页，共44页，编辑于2022年，星期一2.宽频带传输线变压器的工作原理宽频带传输线变压器的工作原理 传传输输线线变变压压器器与与普普通通变变压压器器在在传传输输能能量量的的方方式式上上是是不不相相同同的的，传传输输线线变变压压器器负负载载两两端端的的电电压压不不是是次次级级感感应应电电压压，而而是是传传输线的终端端线电压。输线的终端端线电压。usususRLRLRLRsRsRs(a)结构示意图结构示意图(c)普通变压器的原理电路普通变压器的原理电路(b)原理电路图原理电路图u1u2u1u2上网查传输线变压器宽频带原理上网查传输线变压器宽频带原理20第20页，共44页，编辑于2022年，星期一(1)1：1传输线变压器传输线变压器常用传输线变压器分析常用传输线变压器分析 又叫倒相变压器又叫倒相变压器 当传输线无损时：当传输线无损时：u1=u2 i1=i2usRLRsu1u2i1i221第21页，共44页，编辑于2022年，星期一 图图2-19 2-19 平衡与不平衡变换器平衡与不平衡变换器 （a a）平衡）平衡不平衡不平衡 （b b）不平衡）不平衡与平衡与平衡1 1：1 1传输线实现平衡和不平衡的相互转换传输线实现平衡和不平衡的相互转换 22第22页，共44页，编辑于2022年，星期一usRsusususRsRsRLRLRLRLRsu1u1u2u2i2i1i1+i2(2)1：4和和4：1传输线变压器传输线变压器 1：4传输线变压器是把负载阻抗降为传输线变压器是把负载阻抗降为1/4倍以便和信号源相匹配。倍以便和信号源相匹配。在负载匹配的条件下，有在负载匹配的条件下，有 u1=u2=u 和，和，i1=i2=iu1u1u2u2i22ui1i1+i2+2u-i传输线变压器的输入阻抗为传输线变压器的输入阻抗为：传输线变压器把负载传输线变压器把负载RL变换为变换为RL/4，实现了，实现了1：4的阻抗变换。的阻抗变换。如果把输入端和输出端对调就成为如果把输入端和输出端对调就成为4：1传输线变压器。传输线变压器。4 4：1 1传输线变压器把负载传输线变压器把负载阻抗升高阻抗升高4 4倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器具有倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器具有4 4：1 1的阻抗变的阻抗变换作用。换作用。i23第23页，共44页，编辑于2022年，星期一两级宽带高频功率放大电路实例两级宽带高频功率放大电路实例 l两级功放都工作在甲类状态；两级功放都工作在甲类状态；l三个传输线变压器均为三个传输线变压器均为4:14:1阻抗变换器；阻抗变换器；第一级功放的高输出阻抗与第二级功放的低输入阻抗经第一级功放的高输出阻抗与第二级功放的低输入阻抗经16:116:1阻抗变换实现匹阻抗变换实现匹配；配；第二级功放的高输出阻抗与第二级功放的高输出阻抗与5050负载电阻经负载电阻经4:14:1阻抗变换实现匹配。阻抗变换实现匹配。24第24页，共44页，编辑于2022年，星期一(二二)宽带功率合成技术宽带功率合成技术 P83P83、P93P93、P60P60 采用采用魔魔T T网络网络作为功率合成电路中的级间耦合和输出作为功率合成电路中的级间耦合和输出匹配网络的技术称为宽带高频功率合成技术。匹配网络的技术称为宽带高频功率合成技术。定义：凡用定义：凡用1:41:4或或4:14:1传输线变压器接成的混合网络称为魔传输线变压器接成的混合网络称为魔T T网络。网络。25第25页，共44页，编辑于2022年，星期一(1)(1)魔魔T T型网络结构：型网络结构：理想的魔理想的魔T T网络有四个端口：网络有四个端口：A A、B B、C C、D D。若若TrTr的特性阻抗为的特性阻抗为R R，则有，则有R RA A=R RB B=R R R RC C=R R/2/2，R RD D=2=2R R 其中其中C C端称为端称为“和和”端，端，D D端称为平衡端或端称为平衡端或“差差”端。端。魔魔T T混合网络的隔离条件是混合网络的隔离条件是 R RC C=(1/4)=(1/4)R RD D。26第26页，共44页，编辑于2022年，星期一魔魔T T网络功能网络功能:功率分配网络功率分配网络 同相功率分配：同相功率分配：功率放大器接到功率放大器接到C C端端(如右图上如右图上)，在在A A端和端和B B端获得等值同相功率，端获得等值同相功率，而而D D端没有获得功率。端没有获得功率。反相功率分配：反相功率分配：功率放大器接到功率放大器接到D D端端(如如右图下右图下)，在在A A端和端和B B端获得等值反端获得等值反相功率，相功率，而而C C端没有获得功率。端没有获得功率。27第27页，共44页，编辑于2022年，星期一反相功率合成：功率放大器反相功率合成：功率放大器A A和和B B提供等值反相电流，提供等值反相电流，在在D D端合成功率，端合成功率，C C端无输出；端无输出；同相功率合成：功率放大器同相功率合成：功率放大器A A和和B B提供等值同相电流，提供等值同相电流，在在C C端合成功率，端合成功率，D D端无输出。端无输出。功率合成网络功率合成网络 右图是用魔右图是用魔T T混合网络实现混合网络实现功率合成的原理电路。图中，功率合成的原理电路。图中，Tr1Tr1为魔为魔T T混合网络，混合网络，Tr2Tr2为为1 1：1 1平衡平衡-不平衡变换器。不平衡变换器。(2)(2)魔魔T T网络功能网络功能28第28页，共44页，编辑于2022年，星期一3.石英晶体谐振器石英晶体谐振器（p28、p28、p87）一、石英晶体的物理特性一、石英晶体的物理特性1、石英晶体的结构 图（图（a a）表示自然结晶体，）表示自然结晶体，图（图（b b）表示晶体的横断。）表示晶体的横断。为了便于研究，人们根据石英为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，连接两个角锥出三种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴顶点的一根轴Z Z，称为光轴；在图（，称为光轴；在图（b b）中沿对角线的三条）中沿对角线的三条X X轴，称为电轴；轴，称为电轴；与电轴相垂直的三条与电轴相垂直的三条Y Y轴，称为机械轴，称为机械轴。轴。图图2.20 2.20 石英晶体的形状石英晶体的形状及横断面图及横断面图29第29页，共44页，编辑于2022年，星期一（1 1）石英晶体具有谐振回路的特性）石英晶体具有谐振回路的特性 因为石英晶体和其它弹性体一样，具有弹性和惯性，因为石英晶体和其它弹性体一样，具有弹性和惯性，因而存在着固有振动频率。当外加电信号频率在此自然因而存在着固有振动频率。当外加电信号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出电谐振。这时有很大的电流械共振，又在电路上表现出电谐振。这时有很大的电流流过晶体，产生电能和机械能的转换。流过晶体，产生电能和机械能的转换。（2 2）具有较小的频率温度特性）具有较小的频率温度特性30第30页，共44页，编辑于2022年，星期一 晶体谐振器与一般振荡回路比较，有以下几个明显的晶体谐振器与一般振荡回路比较，有以下几个明显的特点：特点：晶体在工作频率附近阻抗变化率大，具有很高的晶体在工作频率附近阻抗变化率大，具有很高的并联谐振阻抗。并联谐振阻抗。晶体的谐振频率非常稳定。这是因为由于晶体的物理特性受晶体的谐振频率非常稳定。这是因为由于晶体的物理特性受外界因素（如温度、震动等）的影响小。外界因素（如温度、震动等）的影响小。有非常高的品质因数。而普通有非常高的品质因数。而普通LCLC振荡回路的振荡回路的Q Q值只能值只能到几百。到几百。31第31页，共44页，编辑于2022年，星期一表面声波滤波器表面声波滤波器 P33P33、P33P33、P29P29表面声波滤波器的结构如图所示。表面声波滤波器的结构如图所示。图2.26 表面声波滤波器结构示意图32第32页，共44页，编辑于2022年，星期一 电信号由电信号由交叉指形换能器交叉指形换能器转换成声波。换能器的工转换成声波。换能器的工作原理是利用压电衬底对电场作用时的膨胀和收缩效应。作原理是利用压电衬底对电场作用时的膨胀和收缩效应。一个时变电信号一个时变电信号(交流信号源供给交流信号源供给)输入，引起压电衬输入，引起压电衬底振动，并沿其表面产生声波。严格地说，传输的声波底振动，并沿其表面产生声波。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是表面波。有表面波和体波，但主要是表面波。在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信号。波转换成电信号。简单工作原理简单工作原理33第33页，共44页，编辑于2022年，星期一 目前表面声波滤波器的中心频率可在目前表面声波滤波器的中心频率可在10MHz10MHz1GHz1GHz之间，相对之间，相对带宽为带宽为0.5%-50%0.5%-50%，插入损耗最低仅几个，插入损耗最低仅几个dBdB，矩形系数可达，矩形系数可达1.21.2。图示为一接有声表面波滤波器的预中放电路，滤波器输出端图示为一接有声表面波滤波器的预中放电路，滤波器输出端与一宽带器相接。与一宽带器相接。图 声表面波滤波器与放大器连接 34第34页，共44页，编辑于2022年，星期一2.2.5高频衰减器高频衰减器35第35页，共44页，编辑于2022年，星期一阻抗变换与阻抗匹配阻抗变换与阻抗匹配 P76、P37RiRoRLRS功功率率放大器放大器输入输入匹配匹配网络网络输出输出匹配匹配网络网络RLRSuS阻抗匹配，以保证传输功率最大化阻抗匹配，以保证传输功率最大化36第36页，共44页，编辑于2022年，星期一利用电抗网络的阻抗匹配 电抗网络只由无损耗电抗元件组成，电抗网络不电抗网络只由无损耗电抗元件组成，电抗网络不消耗功率，因为电阻元件将导致耦合网路中的功率消消耗功率，因为电阻元件将导致耦合网路中的功率消耗。耗。电抗网络可以用来在窄频范围内匹配阻抗。电抗网络可以用来在窄频范围内匹配阻抗。37第37页，共44页，编辑于2022年，星期一在给定频率处电阻和电抗的串联如何等效于并联jXsRsZijXpRpZi串联电抗等效并联电抗的属性一致（1）（2）38第38页，共44页，编辑于2022年，星期一同理：在给定频率处电阻和电抗的并联如何等效于串联jXsRsZijXpRpZi串联电抗等效并联电抗的属性一致（3）（4）39第39页，共44页，编辑于2022年，星期一解：（3）式说明等效并联电阻远大于串联电阻。给73 等效电阻并联一个电阻可以实现阻抗匹配，但是这将导致耦合网络中的功率损耗。这样通过于负载串联一个-j5.1（1.56nF）的容抗可以使Xs的电抗为20，此时等效并联电阻为50，等效并联电抗为：通过在并联电路中并联一个-j25(318pF)的电容可以消去电抗。完整的电路如图例：一个晶体管放大器的输入阻抗等于10和0.2H串联。设计一个匹配网络使20MHz处输入阻抗为50。j25.1(2*20*0.2)10 50 无损匹配网络40第40页，共44页，编辑于2022年，星期一 j25.11050-j5.1-j2541第41页，共44页，编辑于2022年，星期一10050 j25.1无损匹配网络例：设计一个无损耗的匹配网络将图示的阻抗耦合到20MHz处等于50 的信号源阻抗。解：因为串联到并联的转换总是导致更大的并联电阻。可以在网络中串联一个-j25.1的容抗后，进行并联到串联的匹配计算。Xp可以是电容或电感如果希望从负载中滤去低频分量，就选择电感；如果希望从负载中滤去高频分量，就选择电容。42第42页，共44页，编辑于2022年，星期一一旦选定Xp，那么必须添加一个符号相反的串联电抗来抵消等效串联电抗（此时Xs=-j50）j25.11050-j25.1j100-j50 j25.11050-j25.1-j100j50c1c2L1c1=159pFc2=317pFL1=0.8H43第43页，共44页，编辑于2022年，星期一L1C1C2L2CARAr1IAMrr1C1L1C1RpL1IK介于放大器与天线回路之间的介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介并联谐振回回路就叫做中介并联谐振回路路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电容；分别代表天线的幅射电阻与等效电容；L2、C2为天线回路的调谐元件。为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路它们的作用是使天线回路处于串处于串联谐振状态，以使天线回路的电流联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，达到最大值，亦即使天线幅亦即使天线幅射功率达到最大。射功率达到最大。从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路,其中其中Rp为为折合到折合到晶体管输出回路的等效负载晶体管输出回路的等效负载 。并联谐振回路型的匹配电路并联谐振回路型的匹配电路RpRp44第44页，共44页，编辑于2022年，星期一