高频西电教学课件：2高频电路基础.ppt

第2章 高频电路基础1第2章 高频电路基础2.1 高频电路中的元器件2.2 高频电路中的基本电路 2.3 电子噪声2.4 噪声系数和噪声温度第2章 高频电路基础22.1 高频电路中的元器件各种高频电路基本上是由各种高频电路基本上是由有源器件有源器件、无源元件无源元件和和无源网无源网络组成络组成的。的。高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同元器件基本相同,但要注意它们在高频使用时的高频特性。但要注意它们在高频使用时的高频特性。高高频电路中的元件主要是频电路中的元件主要是电阻电阻(器器)、电容电容(器器)和电感和电感(器器),它们都它们都属于无源的线性元件属于无源的线性元件。一、高频电路中的元件1、电阻、电阻一一个个实实际际的的电电阻阻器器,在在低低频频时时主主要要表表现现为为电电阻阻特特性性,但但在在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面高频使用时不仅表现有电阻特性的一面,而且还表现有电抗特而且还表现有电抗特第2章 高频电路基础3性的一面。性的一面。电阻器的电阻器的电抗特性反映的就是其高频特性电抗特性反映的就是其高频特性。一一个个电电阻阻R的的高高频频等等效效电电路路如如图图2-1所所示示,其其中中,CR为为分分布电容布电容,LR为引线电感为引线电感,R为电阻。为电阻。通通常常，表表面面贴贴装装电电阻阻的的高高频频特特性性好好于于金金膜膜电电阻阻，金金膜膜电阻好于炭膜电阻，线绕电阻的高频特性最差。电阻好于炭膜电阻，线绕电阻的高频特性最差。图 2-1 电阻的高频等效电路 第2章 高频电路基础42、电容、电容由介质隔开的两导体即构成电容由介质隔开的两导体即构成电容。一个电容器的等一个电容器的等效电路却如图效电路却如图2-2（a）所示。）所示。理想电容器的阻抗理想电容器的阻抗1/(jC),如图如图2-2（b）虚线所示）虚线所示,其中其中,f为工作频率为工作频率,=2f。高频电路中常常使用片状电容和表面贴装电容，因高频电路中常常使用片状电容和表面贴装电容，因为其高频特性较好。为其高频特性较好。图2-2 电容器的高频等效电路 (a)电容器的等效电路;（b）电容器的阻抗特性 自身谐振频率容性区容性区感性区感性区第2章 高频电路基础53、电感、电感电感的作用电感的作用：谐振元件、滤波元件、阻隔元件。：谐振元件、滤波元件、阻隔元件。电电感感的的耗耗损损：电电感感一一般般都都是是由由导导线线绕绕制制的的，一一般般都都有有一一定定直直流流电电阻阻，同同时时由由于于存存在在涡涡流流、磁磁滞滞和和电电磁磁辐辐射射等等损损失失，所以电感就存在耗损。所以电感就存在耗损。品品质质因因素素：定定义义为为电电路路中中无无功功功功率率与与有有功功功功率率之之比比，是专门用来描述电路的能量耗损的。是专门用来描述电路的能量耗损的。高高频频电电感感器器与与普普通通电电感感器器一一样样,电电感感量量是是其其主主要要参参数数。电感量电感量L产生的感抗为产生的感抗为jL,其中其中,为工作角频率。为工作角频率。第2章 高频电路基础6高高频频电电感感器器也也具具有有自自身身谐谐振振频频率率SRF。在在SRF上上,高高频频电感的阻抗的幅值最大电感的阻抗的幅值最大,而相角为零而相角为零,如图如图2-3所示。所示。图 2-3 高频电感器的自身谐振频率SRF 感性区感性区容性区容性区第2章 高频电路基础7二、二、高频电路中的有源器件 用于低频或其它电子线路的器件没有什么根本不同。用于低频或其它电子线路的器件没有什么根本不同。1、二极管、二极管二二极极管管的的作作用用：半半导导体体二二极极管管在在高高频频中中主主要要用用于于检检波波、调制、调制、解调及混频等非线性变换电路中解调及混频等非线性变换电路中,工作在低电平。工作在低电平。常用高频二极管的类型：常用高频二极管的类型：(1)点触式二极管点触式二极管：其最高工作频率约：其最高工作频率约200300MHz(2)表表面面势势垒垒二二极极管管：其其最最高高工工作作频频率率约约200300MHz(3)变容二极管变容二极管：其电容随偏置电压变化而变化。：其电容随偏置电压变化而变化。第2章 高频电路基础82、晶体管与场效应管（、晶体管与场效应管（FET）在在高高频频中中应应用用的的晶晶体体管管仍仍然然是是双双极极晶晶体体管管和和各各种种场场效效应应管管，通通常常这这些些管管子子比比用用于于低低频频的的管管子子性性能能更更好好,在在外外形形结结构构方面也有所不同。方面也有所不同。高频晶体管有两大类型高频晶体管有两大类型:(1)一一类类是是作作小小信信号号放放大大的的高高频频小小功功率率管管,对对它它们们的的主主要要求是高增益和低噪声要要求是高增益和低噪声;(2)另另一一类类为为高高频频功功率率放放大大管管,除除了了增增益益外外,要要求求其其在在高高频有较大的输出功率。频有较大的输出功率。第2章 高频电路基础93、集成电路、集成电路用用于于高高频频的的集集成成电电路路的的类类型型和和品品种种要要比比用用于于低低频频的的集成电路少得多集成电路少得多,主要分为通用型和专用型两种。主要分为通用型和专用型两种。目目前前通通用用型型的的宽宽带带集集成成放放大大器器，其其增增益益可可达达5060dB甚至更高，其工作频率可达甚至更高，其工作频率可达100200MHz甚至更高。甚至更高。第2章 高频电路基础10本本节节将将介介绍绍高高频频电电路路中中常常用用的的基基本本（无无源源）电电路路，也也称称无无源源组组件件或或无无源源网网络络，这这些些无无源源组组件件或或无无源源网网络络主主要要包包括括：高高频频振振荡荡（谐谐振振）回回路路、高高频频变变压压器器、谐谐振振器器与与滤滤波波器器等等,它它们们完完成成信信号号的的传传输输、频频率率选选择择及及阻阻抗抗变变换换等等功功能。能。2.2 高频电路中的基本电路第2章 高频电路基础11一、高频振荡回路高高频频振振荡荡回回路路是是高高频频电电路路中中应应用用最最广广的的无无源源网网络络,也也是是构构成成高高频频放放大大器器、振振荡荡器器以以及及各各种种滤滤波波器器的的主主要要部部件件,在在电电路路中中完完成成阻阻抗抗变变换换、信信号号选选择择等等任任务务,并并可可直直接接作作为为负负载载使使用。用。1、简单振荡回路、简单振荡回路(只有一个回路只有一个回路)振振荡荡回回路路就就是是由由电电感感和和电电容容串串联联或或并并联联形形成成的的回回路路。只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回路或单振荡回路。只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回路或单振荡回路。(1)、并联谐振回路、并联谐振回路1）电路结构）电路结构第2章 高频电路基础12 图2-4 并联谐振回路及其等效电路、阻抗特性和辐角特性 (a)并联谐振回路;（b）等效电路;（c）阻抗特性;（d）辐角特性 并联谐振回路的并联阻抗为阻抗为：(2-1)感性区感性区容性区容性区第2章 高频电路基础13回路谐振时，虚部应为零，即：第2章 高频电路基础142）谐谐振振频频率率：定定义义使使感感抗抗与与容容抗抗相相等等的的频频率率为为并并联联谐谐振振频率频率0。令。令Zp的虚部为零的虚部为零,求解方程的根就是求解方程的根就是0,可得可得式中,Q为回路的品质因数品质因数,有：（2-4）（2-2）（2-3）第2章 高频电路基础154）谐谐振振电电阻阻：回路在谐振时的阻抗最大,为一纯电阻R0：（2-5）由前面分析可知，由前面分析可知，若电感的耗损电阻越小，回路的Q值越高，其谐振电阻R0越大。3）特征阻抗）特征阻抗：定义为（2-6）第2章 高频电路基础16（2-7）（2-9）并联回路通常用于窄带系统,此时与0相差不大,式（2-7）可进一步简化为式中,=-0。称为广义失谐广义失谐。对应的阻抗模值与相角分别为5）相位特性）相位特性高Q时，由式(2-1)可得：第2章 高频电路基础17在在实实际际应应用用中中,外外加加信信号号的的频频率率与与回回路路谐谐振振频频率率0之之差差=-0表表示示频频率率偏偏离离谐谐振振的的程程度度,称称为为失失谐谐。当当与与0很接近时很接近时,第2章 高频电路基础18（2-12）（2-14）图2-5 表示了并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系。第2章 高频电路基础196）通频带（半功率点频带）通频带（半功率点频带）当当保保持持外外加加信信号号的的幅幅值值不不变变而而改改变变其其频频率率时时,将将回回路路电电流流值值下下降降为为谐谐振振值值的的时时对对应应的的频频率率范范围围称称为为回回路路的的通通频频带带,也也称称回回路路带带宽宽,通常用通常用B来来表示。表示。令上式等于令上式等于,则可推得则可推得=1,从而可得带宽为：从而可得带宽为：(2-10)第2章 高频电路基础207）矩矩形形系系数数：定定义义为为阻阻抗抗的的幅幅频频特特性性下下降降为为谐谐振振值值的的0.1时时的的频频带带宽宽度度与与阻阻抗抗的的幅幅频频特特性性下下降降为为谐谐振振值值的的0.707时时的的频频带带宽度之比。即宽度之比。即其中：其中：B0.1谐振曲线下降为谐振值的谐振曲线下降为谐振值的0.1时的频带宽度时的频带宽度B0.707谐振曲线下降谐振曲线下降3dB的频带宽度的频带宽度矩矩形形系系数数是是大大于于1的的（理理想想时时为为1），矩矩形形系系数数越越小小，回回路路的的选择性越好。选择性越好。对于对于单级简单并联谐振回路单级简单并联谐振回路，可以计算出其矩形系数为：，可以计算出其矩形系数为：(2-11)第2章 高频电路基础21需要说明的几点需要说明的几点：通过前面分析可知通过前面分析可知(1)(1)回回路路的的品品质质因因素素越越高高，谐谐振振曲曲线线越越尖尖锐锐，回回路路的的通通频频带带越越狭狭窄窄，但但矩矩形形系系数数不不变变。因因此此，对对于于简简单单（单单级级）并联谐振回路，通频带与选择性是不能兼顾的。并联谐振回路，通频带与选择性是不能兼顾的。(2)(2)前前面面的的结结论论均均是是在在“高高Q”情情况况下下，如如果果Q值值较较低低，并并联联谐谐振振回回路路的的谐谐振振频频率率将将低低于于高高Q时时的的谐谐振振频频率率，并并使使谐谐振曲线和相位特性随着振曲线和相位特性随着Q值而偏离。值而偏离。(3)(3)以以上上所所知知品品质质因因素素均均是是指指回回路路没没有有外外加加负负载载时时的的值值，称称为为空空载载Q值值或或Q0。当当回回路路有有外外加加负负载载时时，品品质质因因素素要要用用有有载载Q值或值或QL表示。其中的表示。其中的r为考虑负载后总的耗损电阻。为考虑负载后总的耗损电阻。第2章 高频电路基础22例例3-13-1：设设一一放放大大器器以以简简单单并并联联振振荡荡回回路路为为负负载载,信信号号中心频率中心频率fs=10MHz,回路电容回路电容C=50pF,(1)试计算所需的线圈电感值。试计算所需的线圈电感值。(2)若若线线圈圈品品质质因因数数为为Q=100,试试计计算算回回路路谐谐振振电电阻阻及回路带宽。及回路带宽。(3)若若放放大大器器所所需需的的带带宽宽B=0.5MHz,则则应应在在回回路路上上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求?解：解：(1)计算计算L值值。由式由式(2-4),可得可得第2章 高频电路基础23将f0以兆赫兹(MHz)为单位,以皮法(pF)为单位,L以微亨（H）为单位，上式可变为一实用计算公式:将f0=fs=10 MHz代入,得 (2)回路谐振电阻谐振电阻和带宽。由式(2-12)第2章 高频电路基础24回路带宽回路带宽为 (3)求满足0.5 MHz带宽的并联电阻。设回路上并联电阻为R1,并联后的总电阻为R1R0,总的回路有载品质因数为QL。由带宽公式,有此时要求的带宽B=0.5 MHz,故根据 可得，回路总电阻为：第2章 高频电路基础25 需要在回路上并联7.97 k的电阻。（2 2）串联谐振回路串联谐振回路串串联联谐谐振振回回路路适适用用于于电电源源内内阻阻为为低低内内阻阻（如如恒恒压压源源）的情况或低阻抗的电路（如微波电路）。的情况或低阻抗的电路（如微波电路）。图图2-4（a）是最简单的串联振荡回路）是最简单的串联振荡回路。第2章 高频电路基础26 图2-6 串联谐振回路及其特性 感性区感性区容性区容性区感性区感性区容性区容性区第2章 高频电路基础27若若在在串串联联振振荡荡回回路路两两端端加加一一恒恒压压信信号号,则则发发生生串串联联谐谐振振时时因因阻阻抗抗最最小小,流流过过电电路路的的电电流流最最大大,称称为为谐谐振振电电流流,其其值为值为（2-15）在任意频率下的回路电流在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为与谐振电流之比为回路阻抗回路阻抗：谐振频率谐振频率：第2章 高频电路基础29称称为为回回路路的的品品质质因因数数,它它是是振振荡荡回回路路的的另另一一个个重重要要参参数数。根据前式可以画出相应的曲线如下图所示根据前式可以画出相应的曲线如下图所示,称为称为谐振曲线。谐振曲线。图 2-串联谐振回路的谐振曲线图2 串联回路在谐振时的电流、电压关系 第2章 高频电路基础30在在实实际际应应用用中中,外外加加信信号号的的频频率率与与回回路路谐谐振振频频率率0之之差差=-0表表示示频频率率偏偏离离谐谐振振的的程程度度,称称为为失失谐谐。当当与与0很接近时很接近时,令 为广义失谐,则式（2-5）可写成第2章 高频电路基础31串联谐振回路总结串联谐振回路总结：(1)在串联谐振回路的阻抗特性、幅频特性、相频特性与在串联谐振回路的阻抗特性、幅频特性、相频特性与并联谐振回路成对偶关系。如图并联谐振回路成对偶关系。如图2-6所示。所示。(2)谐振频率、品质因素、通频带、矩形系数等与并联谐振谐振频率、品质因素、通频带、矩形系数等与并联谐振回路相同（高回路相同（高Q时）。时）。第2章 高频电路基础32 2 2、抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路在实际应用中，常用到激励源或负载与回路电感或电容在实际应用中，常用到激励源或负载与回路电感或电容部分连接联结的并联振荡回路，称为抽头并联振荡回路。部分连接联结的并联振荡回路，称为抽头并联振荡回路。如图如图2-7所示。所示。(1)接入系数接入系数p：定义为定义为与外电路相连与外电路相连的那部分的那部分电抗电抗与本回与本回路参与分压的路参与分压的同性质总电抗同性质总电抗之比。也可定义为电压之比。之比。也可定义为电压之比。对于图对于图(2-7)(a)，若忽略两部分之间的互感，则抽头系数，若忽略两部分之间的互感，则抽头系数可直接用电感之比，也可近似用匝数之比。可直接用电感之比，也可近似用匝数之比。对于图对于图(2-7)(b)，可得，可得(2-16)第2章 高频电路基础33图2-7 几种常见抽头振荡回路 第2章 高频电路基础34下面以图下面以图2-7(a)、(b)为例分析抽头并联振荡回路的特性。为例分析抽头并联振荡回路的特性。(2)阻抗变换特性阻抗变换特性对于图对于图(2-7)(a)，考虑是窄带高，考虑是窄带高Q的实际情况，的实际情况，当谐振时当谐振时，输入端呈现的电阻设为输入端呈现的电阻设为R，从功率相等的关系，有：，从功率相等的关系，有：（2-17）（2-18）当当未谐振时未谐振时，输入端呈现的阻抗为：，输入端呈现的阻抗为：（2-19）第2章 高频电路基础35（2-21）（2-22）(3)电流、电压变换特性电流、电压变换特性由式由式(2-16)可得：可得：对于图对于图(2-8)所示得电流源，利用能量守恒关系，容所示得电流源，利用能量守恒关系，容易得到其折合关系为：易得到其折合关系为：值得注意得是：值得注意得是：对于抽头并联振荡回路，对阻抗变换对于抽头并联振荡回路，对阻抗变换的变比为的变比为p2，而对信号源（电流、电压）的变比为，而对信号源（电流、电压）的变比为p。图 2-8 电流源的折合 第2章 高频电路基础36(4)电路谐振时，电流的折合关系电路谐振时，电流的折合关系（2-23）谐振时的回路电流IL和IC与I的比值要小些,而不再是Q倍。谐振时成立第2章 高频电路基础37 例例2 2：如如图图2-11，抽抽头头回回路路由由电电流流源源激激励励,忽忽略略回回路路本本身身的固有损耗的固有损耗,试求回路两端电压试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。的表示式及回路带宽。图 2-11 例2的抽头回路 第2章 高频电路基础38 解解由由于于忽忽略略了了回回路路本本身身的的固固有有损损耗耗,因因此此可可以以认认为为空空载载Q。由图可知由图可知,回路电容为回路电容为 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 第2章 高频电路基础39回路两端电压回路两端电压u(t)与与i(t)同相同相,电压振幅电压振幅U=I*R=2V,故故输出电压为 回路有载品质因数 回路带宽 第2章 高频电路基础403、耦合振荡回路、耦合振荡回路在在高高频频电电路路中中,有有时时用用到到两两个个互互相相耦耦合合的的振振荡荡回回路路,也也称称为为双双调调谐谐回回路路。把把接接有有激激励励信信号号源源的的回回路路称称为为初初级级回回路路,把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。在在高高频频电电路路中中，耦耦合合振振荡荡回回路路主主要要完完成成以以下下两两方方面面的的功能：功能：A、阻抗变换、阻抗变换B、提供比简单谐振回路更好的频率特性。、提供比简单谐振回路更好的频率特性。图图2-10是是两两种种常常见见的的耦耦合合回回路路。图图2-10（a）是是互互感感耦合电路耦合电路,图图2-10(b)是电容耦合回路。是电容耦合回路。第2章 高频电路基础41 图 2-10 两种常见的耦合回路及其等效电路 第2章 高频电路基础42（2-24）对于图 2-10（b）电路,耦合系数为（2-25）1）耦耦合合系系数数k：是是指指耦耦合合电电路路中中的的耦耦合合电电抗抗Zm与与初初次次级级中和中和Zm同性质两电抗的几何平均值之比。同性质两电抗的几何平均值之比。对于图 2-10（a）电路,耦合系数为一般一般C1=C2=C：通常通常 CMC：k1第2章 高频电路基础43 （2-26）电流 ，次级必然又会对初级产生反作用(即 要在初级产生反电动势）。或2）反反映映（射射）阻阻抗抗Zf：是是指指由由于于次次级级回回路路的的存存在在而而对对初初级级回回路路的的影影响响，这这种种影影响响相相当当于于在在初初级级回回路路接接一一反反映映（射）阻抗（射）阻抗Zf。设有激励时，初级电流为 ，将会在次级回路形成一感应电动势 ，设次级回路阻抗为Z2，从而形成次级第2章 高频电路基础44（2-27）（2-28）耦合因子定义为耦合因子定义为：根据图2-10(c)容易求得，初次级串联阻抗可分别表示为 耦合阻抗为：耦合阻抗为：3)耦合因子与转移阻抗耦合因子与转移阻抗 设初、次级回路的参数相同，均为C、L、Q，其广义失谐为第2章 高频电路基础45由图2-10(c)等效电路,转移阻抗为(2-29)由次级感应电势 产生,有考虑次级的反映阻抗,则初级总电压 将上两式代入式(2-29),再考虑其它关系,经简化得 第2章 高频电路基础46(2-30)根据同样的方法可以得到电容耦合回路的电容耦合回路的转移阻抗转移阻抗特性特性为 （2-31）（2-32）以广义失谐 为变量，对转移阻抗Z21求极值可知：当A1时有两个极大值，且在 处有凹点，通通常常将将A1的的情情况况成成为为临临界界耦耦合合，此时的转移阻抗用|Z21|max表示。有第2章 高频电路基础47（2-35）（2-33）（2-34）式（2-32）与频率的关系称为耦合回路的频率特性见图2-11。在临界耦合时（A1）有：我们将将A1（k1（kKc)的情况成为的情况成为过耦合过耦合。类似单谐振回路，可以求出回路带宽（当 时）：通频带通频带：第2章 高频电路基础48 图 2-11 耦合回路的频率特性 第2章 高频电路基础49在在临临界界耦耦合合时时，其其矩矩形形系系数数为为3.15，显显然然比比简简单单谐谐振振回路小的多。回路小的多。二、二、高频变压器和传输线变压器1、高频变压器、高频变压器1）功能：）功能：高频变压器通常工作在几十兆赫兹的高频电路中，高频变压器通常工作在几十兆赫兹的高频电路中，用于传输信号、隔绝直流和阻抗变换等。用于传输信号、隔绝直流和阻抗变换等。矩形系数矩形系数第2章 高频电路基础502）结构特点）结构特点高频变压器的基本原理与低频变压器相同，也是靠磁高频变压器的基本原理与低频变压器相同，也是靠磁通交链通交链,或者说是靠互感进行耦合的。或者说是靠互感进行耦合的。(1)为了减少损耗为了减少损耗,高频变压器常用导磁率高频变压器常用导磁率高、高、高频高频损耗小的软磁材料作磁芯，如铁氧体。损耗小的软磁材料作磁芯，如铁氧体。(2)常用高频变压器的磁心结构如图常用高频变压器的磁心结构如图2-12所示。所示。(3)高频变压器一般用于小信号场合高频变压器一般用于小信号场合,尺寸小尺寸小,线圈的线圈的匝数较少。匝数较少。3）等效电路）等效电路高频变压器的等效电路如图高频变压器的等效电路如图2-13(b)所示，其中所示，其中Ls为漏为漏感，感，Cs为分布电容。为分布电容。第2章 高频电路基础51 图 2-12 高频变压器的磁芯结构（a）环形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)双孔磁芯 图 2-13 高频变压器及其等效电路 (a)电路符号;(b)等效电路第2章 高频电路基础524）带抽头高频变压器）带抽头高频变压器图图2-14(a)是是一一中中心心抽抽头头变变压压器器的的示示意意图图。初初级级为为两两个个等等匝匝数数的的线线圈圈串串联联,极极性性相相同同，设设初初次次级级匝匝比比n=N1/N2。作作为为理理想变压器看待想变压器看待,线圈间的电压和电流关系分别为：线圈间的电压和电流关系分别为：(2-37)(2-36)图 2-14 中心抽头变压器电路 （a）中心抽头变压器电路;（b）作四端口器件应用 第2章 高频电路基础532、传输线变压器、传输线变压器传传输输线线变变压压器器就就是是利利用用绕绕制制在在磁磁环环上上的的传传输输线线而而构构成成的的高高频频变变压压器器，它它是是一一种种集集中中参参数数与与分分布布参参数数相相结结合合的的组组件件。图图2-15为其典型的结构和电路图。为其典型的结构和电路图。1）结构结构图 2-15 传输线变压器的典型结构和电路 (a)结构示意图;（b）电路 第2章 高频电路基础54 图 2-16 传输线变压器的工作方式(a)传输线方式;(b)变压器方式 2）工作方式（模式）工作方式（模式）有两种工作模式：传传输输线线方方式式和变变压压器器方方式式，不同方式决定于不同的激励模式。如下图第2章 高频电路基础如果传输线不绕在磁芯上，它就相当于两根短导线，输入信号如果传输线不绕在磁芯上，它就相当于两根短导线，输入信号就会就会1、2短路，无法加到短路，无法加到1、3端，负载也会被端，负载也会被3、4短路。只有把他短路。只有把他们绕在磁芯上输入构成变压器，通过线圈的磁耦合完成初级、次级们绕在磁芯上输入构成变压器，通过线圈的磁耦合完成初级、次级间的能量传输。因此说，传输线变压器是传输线原理与变压器原理间的能量传输。因此说，传输线变压器是传输线原理与变压器原理的完美结合的产物。的完美结合的产物。第2章 高频电路基础在许多电子线路中，连接各器件的电线的长度是基本可以被忽略的。也就是说在电线各点同一时刻的电压可以认为是相同的。但是，当电压的变化和信号沿电线传播下去的时间可以比拟时，电线的长度变得重要了，这时电线就必须被处理成传输线。换言之，当信号所包含的频率分量的相应的波长较之电线长度小或二者可以比拟的时候，电线的长度是很重要的。常见的经验方法认为如果电缆或者电线的长度大于波长的1/10，则需被作为传输线处理。在这个长度下相位延迟和线中的反射干扰非常显著，那么没有用传输线理论仔细研究设计过的系统就会出现一些不可预知行为。第2章 高频电路基础57 传传输输线线的的原原理理特特点点：是利用两导线间（或同轴线内外导体间）的分布电容和分布电感形成一电电磁磁波波的的传传输输系系统统。它传输的频率范围很宽，可达及千兆赫。当传输线端接的负负载载电电阻阻与与特特性性阻阻抗抗（）相等相等时，传输线上传输行波，此时有最大的传输带宽有最大的传输带宽。行波的特点行波的特点：(1)传输线上任一点上，两导线上流过的电流大小相等、方向相反;(2)两导线上电流所产生的磁通只存在于两导线间，磁心中没有磁通和耗损；(3)两导线间的电压（振幅）沿导线均匀分布。第2章 高频电路基础58（2-38）（2-39）3）主要参数）主要参数波速波长其中 为传输线的相对介电常数相对介电常数，总是大于1的（一般24）。第2章 高频电路基础59 图 2-17传输线变压器的应用举例 （a）高频反相器;（b）不平衡平衡变换器;（c）14 阻抗变换器;(d)3 分贝耦合器 第2章 高频电路基础阻抗变换阻抗变换1：4阻抗变换：4：1阻抗变换：第2章 高频电路基础 把不平衡的输入电阻转换为4倍的平衡的负载电阻。9：1阻抗变换器第2章 高频电路基础若用若用n个个1:1传输线变压器传输线变压器,则可得则可得到到(n+1)2:1的阻抗变换器的阻抗变换器.第2章 高频电路基础功率合成技术功率合成技术在高频功率放大电路中，受高频功放管的极限参数限制，单个高频功在高频功率放大电路中，受高频功放管的极限参数限制，单个高频功放管的输出功率还比较小，当发射机输出功率超过单管输出功率时，可以放管的输出功率还比较小，当发射机输出功率超过单管输出功率时，可以采用几个小功率晶体管输出功率叠加起来以获得足够大的输出功率，这就采用几个小功率晶体管输出功率叠加起来以获得足够大的输出功率，这就是功率合成技术。是功率合成技术。第2章 高频电路基础 有了 N 只特性相同的功率单元之后，要研究的是如何用一个激励源分别推动它们，以及如何将它们各自的输出合成为 N 倍功率。理想的功率合成系统应满足下列条件：互相无关条件：互相无关条件：功率合成器的各放大单元电路应是彼此隔离、各自独立的。任何一个放大单元发生故障不应影响其它放大单元的正常工作。功率合成条件：功率合成条件：若每个单元的额定输出功率为 Pi，则合成后的总功率应为 N*Pi。这就要求各单元有相同的电路、相同的增益和相同的相位特性。第2章 高频电路基础用于功率分配与合成的网络有高频变压器、用于功率分配与合成的网络有高频变压器、3dB定向定向耦合器和传输线变压器等。在耦合器和传输线变压器等。在HF频段主要是使用后频段主要是使用后者。现将其原理简述于下：者。现将其原理简述于下：传输线变压器是由两根等长的传输线传输线变压器是由两根等长的传输线(平行导线、扭平行导线、扭绞线、带状线或同轴线等绞线、带状线或同轴线等)穿绕在一个高频、高导磁率穿绕在一个高频、高导磁率的闭合磁环上而构成的。传输线的两个线圈中，流过的闭合磁环上而构成的。传输线的两个线圈中，流过大小相等、方向相反的电流，因此，磁芯中的磁场相大小相等、方向相反的电流，因此，磁芯中的磁场相互抵消，磁芯中无功率损耗，对传输不产生影响，这互抵消，磁芯中无功率损耗，对传输不产生影响，这是与变压器工作方式最重要的区别之一。是与变压器工作方式最重要的区别之一。第2章 高频电路基础传输线变压器的磁芯并不是用来传输功率，用磁芯的目的传输线变压器的磁芯并不是用来传输功率，用磁芯的目的是用来增大线圈电感，以便改善和扩展低频响应。因不传是用来增大线圈电感，以便改善和扩展低频响应。因不传输功率，就不存在磁饱和、发热，不需较大的截面积和尺输功率，就不存在磁饱和、发热，不需较大的截面积和尺寸。寸。传输线变压器的结构简单成本低、体积小、频带宽、传传输线变压器的结构简单成本低、体积小、频带宽、传输功率大。其频带可宽至数百兆赫、甚至超过千兆赫。传输功率大。其频带可宽至数百兆赫、甚至超过千兆赫。传输线变压器在高频电路中具有重要用途，如阻抗变换器、输线变压器在高频电路中具有重要用途，如阻抗变换器、平衡平衡-不平衡变换器、分相器、功率分配及合成等，一台收不平衡变换器、分相器、功率分配及合成等，一台收发信机中，不知有多少个大大小小的传输线变压器。发信机中，不知有多少个大大小小的传输线变压器。在功率分配与合成电路中，使用的是在功率分配与合成电路中，使用的是1:4传输线阻抗变换器，传输线阻抗变换器，因此我们先要讨论一下这种电路：因此我们先要讨论一下这种电路：第2章 高频电路基础 若将信号源与负载互换为 4:1 阻抗变换器第2章 高频电路基础传输线变压器与普通变压器传输线变压器与普通变压器有共同之处，可以用两个绕有共同之处，可以用两个绕组相同的自耦变压器来理解组相同的自耦变压器来理解它，如图它，如图(A)为二倍升压自为二倍升压自耦变压器，相当于耦变压器，相当于1:4传输传输线变压器；线变压器；(B)为为1/2降压降压自耦变压器，相当于自耦变压器，相当于4:1传传输线变压器。输线变压器。了解了阻抗变换器原理之后，对理解功率分配与合成网络很有帮助!第2章 高频电路基础传输线分配及合成网络的基本电路，其中传输线分配及合成网络的基本电路，其中(A)为传输线形式，为传输线形式，(B)为用变压器方式的表示。为用变压器方式的表示。第2章 高频电路基础功率合成网络功率合成网络 在A点 在B点 RC上所获得的功率为PC=0，RD上所获得的功率为PD=IA(2V)=2V*IA而A、B两端输出功率为PA=PB=V*IA所以 PD=PA+PB=2PA由此可见，RD上所获得的功率为A、B两端输出功率之和，而RC上没有消耗功率。根据基尔霍夫定理：根据基尔霍夫定理：在在A点点I=I1+I2在在B点点I2=I1+I故故I1=0，I2=I，PC=0，则则PD=(1/2)(2U)I=UI而而PA=PB=(1/2)UI即即PD=PA+PB（1 1）功率合成原理功率合成原理功率合成原理功率合成原理：在在A、B端加有信号，则端加有信号，则C或或D端有相加功率输出端有相加功率输出反相功率合成反相功率合成 A、B 端端加加有有反反相相激激励励电电压压,则则D端有合成功率输出端有合成功率输出,而而C 端无输出端无输出.RC=(1/4)RD为满足功率合成条件，混合网络中的四个电阻应为：为满足功率合成条件，混合网络中的四个电阻应为：RA=RB=2RC隔离条件隔离条件 Zc 为传输线变压器的特性阻抗，由于 RD=4Rc，故为 1:4 阻抗变换器。RA=RB=ZcA、B端隔离（互不影响）端隔离（互不影响）当只有 A 端激励时，C、D端有相等的功率输出，而 B 端无输出。传输线变压器的特征阻抗传输线变压器的特征阻抗ZC=（U）/I1=（U）/（I）=U/I=R同理可证同理可证 A、B 端加有同相激励电压端加有同相激励电压,则则C 端端有合成功率输出有合成功率输出,而而D 端无输出端无输出.同相功率合成同相功率合成（2 2）功率分配原理功率分配原理功率分配原理功率分配原理C端激励端激励PA=PB，PD=0D端激励端激励PA=-PB，Pc=0同相功率分配同相功率分配同相功率分配同相功率分配反相功率分配反相功率分配反相功率分配反相功率分配1（3 3）小结小结小结小结234匹配及隔离条件：匹配及隔离条件：RC=()RD，RA=RB=2RC=RDA、B反相激励，反相激励，C端无输出，端无输出，D有合成功率输出。有合成功率输出。A、B同相激励，同相激励，D端无输出，端无输出，C有合成功率输出。有合成功率输出。D端激励，端激励，C端无输出，端无输出，A、B端有相等的反相功端有相等的反相功率输出。率输出。C端激励，端激励，D端无输出，端无输出，A、B端有相等的同相功率端有相等的同相功率输出。输出。第2章 高频电路基础77三、石英晶体谐振器1、物理特性、物理特性石英晶体是石英晶体是SiO2的结晶体，在自然界中是以六角锥体的结晶体，在自然界中是以六角锥体出现，有三个对称轴：出现，有三个对称轴：z轴（光轴）、轴（光轴）、x轴（电轴）和轴（电轴）和y轴轴（机械轴）。石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英（机械轴）。石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成。晶体切片制成。正压电效应正压电效应：是指当晶体受外力作用而变形时，将在：是指当晶体受外力作用而变形时，将在它对应的表面产生正、负电荷，形成电压的现象。它对应的表面产生正、负电荷，形成电压的现象。负压电效应负压电效应：是指当在晶体两表面加以一定电压时，：是指当在晶体两表面加以一定电压时，晶体又会产生机械变形的现象。晶体又会产生机械变形的现象。第2章 高频电路基础7818第2章 高频电路基础7919第2章 高频电路基础802、等效电路及阻抗特性、等效电路及阻抗特性由图由图2-20(b)可看出可看出,晶体谐振器是一串并联的振荡回路晶体谐振器是一串并联的振荡回路,其其串联谐振频率串联谐振频率fq和并联谐振频率和并联谐振频率f0分别为分别为(2-41)(2-42)(a)包括泛音在内的等效电路;(b)谐振频率附近的等效电路 第2章 高频电路基础81（2-43）图图2-22(b)所示的所示的等效电路的阻抗的一般表示式等效电路的阻抗的一般表示式为为 在忽略在忽略rq后后,上式可化简为上式可化简为 （2-44）或或第2章 高频电路基础82图 2-21 晶体谐振器的电抗曲线（2-46）第2章 高频电路基础83总之，晶体谐振器与一般谐振回路比较，总之，晶体谐振器与一般谐振回路比较，有以下特点有以下特点：(1)晶体的晶体的谐振频率谐振频率fq和和f0非常稳定非常稳定，这是由晶体的物理特，这是由晶体的物理特性决定的，受外界影响很小。性决定的，受外界影响很小。(2)有非常高的品质因有非常高的品质因数数（一般（一般Q值可上万，而普通谐振回值可上万，而普通谐振回路路Q值只能达到值只能达到100200）。）。(3)接入系数非常小接入系数非常小，一般为，一般为10-3数量级，甚至更小。数量级，甚至更小。(4)晶体在工作频率附近阻抗变化非常大，有晶体在工作频率附近阻抗变化非常大，有很高的并联谐很高的并联谐振阻抗振阻抗。第2章 高频电路基础84图 2-24 晶体滤波器的电路与衰减特性（a）滤波器电路;（b）衰减特性 3、晶体谐振器的应用、晶体谐振器的应用(1)晶体振荡器晶体振荡器(2)高频窄带滤波器高频窄带滤波器第2章 高频电路基础85四、四、集中滤波器集中滤波器的引入：集中滤波器的引入：集集中中滤滤波波器器的的常常见见类类型型：LC式式集集中中选选择择滤滤波波器器、晶晶体体滤波器滤波器、陶瓷滤波器陶瓷滤波器和和声表面波滤波器声表面波滤波器。1、陶瓷滤波器、陶瓷滤波器压压电电陶陶瓷瓷：某某些些经经过过特特殊殊处处理理（经经高高压压电电场场极极化化）后后的的陶陶瓷瓷具具有有与与石石英英晶晶体体类类似似的的压压电电效效应应，这这种种陶陶瓷瓷称称为为压压电陶瓷。压电陶瓷的等效电路与石英晶体类似。电陶瓷。压电陶瓷的等效电路与石英晶体类似。第2章 高频电路基础86压电陶瓷的特性压电陶瓷的特性：Q值：远大于值：远大于LC回路，远小于石英晶体回路，远小于石英晶体；带宽：小于带宽：小于LC回路，大于石英晶体回路，大于石英晶体；工作频率：工作频率：1100MHz相对带宽：相对带宽：0.1%10%图 2-25 陶瓷滤波器电路 第2章 高频电路基础872、声表面波滤波器、声表面波滤波器(1)声声表表面面波波(SAW)：是是在在压压电电固固体体材材料料表表面面产产生生和和传传播播、且且振振幅幅随随深深入入固固体体材材料料的的深深度度增增加加而而迅迅速速减减小小的的弹弹性波。性波。(2)声声表表面面波波的的特特点点：A、能能量量密密度度高高，其其中中90%的的能能量集中在厚度等于一个波长的表面薄层中；量集中在厚度等于一个波长的表面薄层中；B、传传输输速速度度慢慢，约约为为纵纵波波速速度度的的45%，是横波速度的，是横波速度的90%。(3)声声表表面面波波器器件件：是是一一种种利利用用沿沿弹弹性性固固