高频电子线路第1章.ppt

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1、高频电子线路课课程程又又称称：通通信信电电子子线线路路、非非线性电子线路线性电子线路主主要要内内容容：无无线线电电通通信信设设备备中中基本功能电路的原理与分析基本功能电路的原理与分析先先修修课课程程：电电路路分分析析、模模拟拟电电子技术、信号与系统子技术、信号与系统课程基本信息v课程性质：必修课，是电子信息工程、通信工程、物联网、信息对抗及相近专业的主干技术基础课程v学分：3v学时：理论课48、实验16考核方式 v本课程为考试课。采取结构评分方式，总成绩平时成绩+期末考试成绩。v期末考试成绩：70v平时成绩：30 包括作业完成情况和到课率v每两章交一次作业教师与答疑时间v主讲教师：邹传云 教授

2、v电话：6088689，13981180305vEmail:v答疑地点：综合实验楼3-7v答疑时间：周3第五讲v课件和参考习题答案下载邮箱：(密码：666666)v教教 材：材：邹传云等邹传云等高频电子线路高频电子线路清华清华大学出版社大学出版社v主要参考书：主要参考书：沈伟慈通信电路西安电子科技大学出版社沈伟慈通信电路西安电子科技大学出版社杜武林高频电子线路高等教育出版杜武林高频电子线路高等教育出版谢家奎电子线路谢家奎电子线路-非线性部分高等教育出版社非线性部分高等教育出版社曾兴雯等曾兴雯等高频电子线路辅导高频电子线路辅导西安电子科技大西安电子科技大学出版社学出版社v参考软件：参考软件：El

3、ecteonics Workbench EDA 5.0；课程特点高频电子线路课程是电子信息类专业重要的专业基础课，是培养工程师开发无线电频谱资源能力的入门基本课程，是十分强调应用实践的工程性质的课程。与其它专业基础课的不同：与电路分析、信号与系统重理想模型偏理论相比，高频电子线路重实际模型偏工程应用。与模拟（低频）电子线路分析模型的静态不变性比较，高频电子线路分析模型是变化的（随信号强度和工作频率而变）。学习本课程的方法学习本课程的方法大处着眼大处着眼始终把握每讲内容在整体课程的地位。始终把握每讲内容在整体课程的地位。始终把握各种功能电路在无线通信系统的地位始终把握各种功能电路在无线通信系统的

4、地位从原理上掌握各单元电路的功能、作用和分析方法从原理上掌握各单元电路的功能、作用和分析方法小处着手小处着手熟练掌握电路模型的等效转换、近似、数学推导、计算熟练掌握电路模型的等效转换、近似、数学推导、计算熟悉各功能电路的设计过程，完成典型电路的设计熟悉各功能电路的设计过程，完成典型电路的设计重视实验环节，坚持理论联系实际，在实践中重视实验环节，坚持理论联系实际，在实践中 积累丰富积累丰富的经验。的经验。学习要求学习要求预习教材预习教材听课听课复习、总结课程复习、总结课程认真完成习题和实验认真完成习题和实验v本课程主要分析高频电波信号的产生、放大和接收的电路，因此称为“高频电子线路”。v广义的“

5、高频”指的是射频(Radio Frequency，RF)，它是指适合无线电发射和传播的频率，其频率范围非常宽。v只要电路尺寸比工作波长小得多，可用集总参数来分析实现。v当电路尺寸大于工作波长或相当时，应采用分布参数的方法来分析实现。v本课程的第17章讨论可用集中参数描述的高频电路，而分布参数分析法在第8章介绍。本课程学习哪些内容？本课程学习哪些内容？v第1章 系统基础知识v第2章 小信号选频放大电路v第3章 高频功率放大电路v第4章 正弦波振荡电路v第5章 振幅调制、解调与混频电路v第6章 角度调制与解调电路v第7章 反馈控制电路v第8章 高频电路的分布参数分析v第9章 高频电路的集成与EDA

6、技术简介v无线电报的发明开始了无线电通信的时代，并逐步涉及陆地、海洋、航空、航天等固定和移动无线通信领域，从1920年的无线电广播、1930年的电视传输，直到1980年的移动电话和1990年的全球定位系统及当今的移动通信和无线局域网，无线通信市场还在飞速发展，移动通信手机、有线电视调制解调器以及射频标签的电信产品迅速地渗入我们的生活，变成大众不可缺少的工具。v高频电子线路的发展推动了无线通信技术的发展，是当代无线通信的基础，是无线通信设备的重要组成部分。学习本课程有何意义？学习本课程有何意义？第1章 系统基础知识v无线电频段是如何划分的？无线通信为何要用高频电磁波？v高频电子线路有什么特点？v

7、无线通信系统究竟包括哪些电路？它们都有什么功用？v表征高频电路(系统)性能的参数有哪些？1.1 无线通信系统概述v为了便于分析和应用，人们对电磁波按频率或波长进行分段，分别称为频段或波段。各种频率的电磁波都是不可再生的重要资源，国际社会和任何国家都必须对它进行科学规划、严格管理。v无线通信系统电路的基本组成，由工作频率的高低可分为射频级、中频级和基带级三级电路，射频级和中频级属于本书高频电路的研究范畴，它们的基本功能电路应该包括：滤波器、放大器、高频振荡器、混频或变频器、调制与解调器。1.1.1 电磁波频段的划分与应用 极低频（ELF)军事潜艇通信 甚低频（VLF)导航、声纳、航空 低频（LF

8、)航海与航空导航信标、航空导航 中频（MF)中波广播、航海与航空导航信标 高频（HF)短波广播、业余无线电甚高频（VHF)电视与调频广播、无线寻呼、地面移动通信 超高频（UHF)电视与调频广播、无绳电话、个人无线电 特高频（SHF)微波链路、卫星通信 极高频（EHF)雷达、射电天文学 太赫兹 红外光 300kHz30MHz3000MHz300GHz3kHz频率远程探测、激光通信、光空间通信 电电波波利利用用电电离离层层的的折折射射、反反射射和和散散射射作用进行传播的方式称为天波作用进行传播的方式称为天波 沿沿地地球球表表面面进进行行传传播播的的电电波波传传播播模模式式称称为为地地表表面波。面波

9、。在在对对流流层层中中进进行行的的电电波波传传播方式称为空间波播方式称为空间波电磁波在地面上远距离传播的方式电磁波在地面上远距离传播的方式1.1.2 无线通信系统的基本组成模拟无线通信系统模拟无线通信系统数字无线通信系统数字无线通信系统1.2 高频电路中的元器件与分析模型v无源元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器)，它们都属于线性元件，在高频电路中通常起滤波、阻抗匹配、旁路、耦合、去耦、移相等作用。v有源器件主要是半导体二极管、三极管和集成电路，它们本质上都属于非线性器件，在高频电路中完成信号的放大、非线性变换等功能。1.2.1 高频无源元件电阻器、电容器和电感器的高频等效模型电阻器、电

10、容器和电感器的高频等效模型1.2.2 高频有源器件半导体二极管伏安特性半导体二极管伏安特性双极型晶体管的大信号双极型晶体管的大信号E-M电路模型电路模型双极型晶体管的线性电路模型双极型晶体管的线性电路模型晶体管高频共发射极混合晶体管高频共发射极混合形等效电路形等效电路当输出端短路后，当输出端短路后，rbe、Cbe和和Cbc三者并联，此时三者并联，此时在小信号的条件下，常用线性电路模型分析电路在小信号的条件下，常用线性电路模型分析电路特征频率特征频率fT和最大振荡频率和最大振荡频率fmax电流增益降至电流增益降至1时的频率时的频率功率增益降至功率增益降至1时的频率时的频率模拟乘法器模拟乘法器模拟

11、乘法器是一种理想的线性频谱搬移电路模拟乘法器是一种理想的线性频谱搬移电路第1章 系统基础知识v无线电频段是如何划分的？无线通信为何要用高频电磁波？v无线通信系统究竟包括哪些电路？它们都有什么功用？v高频电子线路有什么特点？v表征高频电路(系统)性能的参数有哪些？1.3 系统性能指标v增益、噪声、非线性、灵敏度和动态范围是描述高频电路最常用的指标v接收机所能接收的最低信号电平直接受到其固有噪声的限制，而它能接收的最高电平又受到非线性失真的限制1.3.1 增益电压增益：电压增益：无载电压增益无载电压增益(有载有载)电压增益电压增益当当 时电压增益接近最大值时电压增益接近最大值在在高高频频时时，电电

12、路路阻阻抗抗比比直直流流或或低低频频的的值值小小，常常用用功功率率增增益益来来量量度度系系统统的的放大能力放大能力定义几种类型的功率定义几种类型的功率系统吸收系统吸收(输入输入)的功率的功率源的额定输出功率源的额定输出功率负载消耗的功率负载消耗的功率系统的额定输出功率系统的额定输出功率基于上面四种类型的功率，可以定义下面四种功率增益基于上面四种类型的功率，可以定义下面四种功率增益四种功率增益四种功率增益转化功率增益转化功率增益(传递传递)功率增益功率增益额定额定(资用资用)功率增益功率增益最大功率增益最大功率增益Gp是是人人们们常常用用的的功功率率增增益益，也也称称为为工工作作功功率率增增益益

13、，它它表表示示系系统统实实际际输输出出功功率与输入功率之比率与输入功率之比分析和计算噪声问题时，用额定功率和额定功率增益分析和计算噪声问题时，用额定功率和额定功率增益用对数形式用对数形式dB(分贝分贝)值来表示比值值来表示比值功率增益的功率增益的dB值定义值定义电压增益的电压增益的dB值定义值定义dBm(分分贝贝毫瓦毫瓦)定定义义：P(dBm)=10lgP(mW)/1mWdBW(分分贝贝瓦瓦)定定义义：P(dBW)=10lgP(W)/1WdBV(分分贝贝微伏微伏)定定义义：U(dB V)=20lgU(V)/1 VdBV(分分贝贝伏伏)定定义义：U(dBV)=20lg U(V)/1V注注意意：两

14、两个个dBm(dBV)相相减减，结结果果为为dB。dBm(dBV)与与dB之之间间可可以以加加、减，减，结结果仍果仍为为dBm(dBV)在在50系统中，功率与电压单位对应关系系统中，功率与电压单位对应关系P1W10mW1mW0.1mW1011mW0dBW,30dBm10dBm0dBm10dBm110dBmUm 10V1.0V 0.316V0.1V1V 20dBV0dBV,120dBV-10dBV,110dBV100dBV0dBV1.3.2 噪声和噪声系数1噪声来源：噪声来源：电阻热噪声和半导体管噪声电阻热噪声和半导体管噪声电阻热噪声等效电路电阻热噪声等效电路电阻电阻R的噪声额定功率的噪声额定功

15、率电电阻阻的的噪噪声声额额定定功功率率只只与与温温度度及及通通频频带带有有关关，而而与与本本身身阻阻值值和和负负载载无无关关(注注意意，实际功率是与负载有关的实际功率是与负载有关的)。这这一一结结论论可可以以推推广广到到任任何何无源二端网络。无源二端网络。波尔兹曼常数：波尔兹曼常数：k=1.380650510-23J/K有有源源器器件件和和系系统统的的噪噪声声来来源源比比较较复复杂杂，系系统统设设计计师师为为了了衡衡量量其其噪噪声声性性能能的的好好坏，提出了噪声系数这一性能指标。坏，提出了噪声系数这一性能指标。2噪声系数噪声系数噪声系数噪声系数(Noise Figure，NF)定义定义信噪比信

16、噪比SNR定义定义标准噪声系数标准噪声系数T0=290KPnoa：输出噪声额定功率：输出噪声额定功率Pnia：输入噪声额定功率输入噪声额定功率噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。如果系统是无噪的，相应的噪声系数为如果系统是无噪的，相应的噪声系数为1。有噪系统的噪声系数均大于有噪系统的噪声系数均大于1。系统内部噪声产生的输出功率系统内部噪声产生的输出功率放大器级联的噪声放大器级联的噪声对于对于n级放大器级放大器为为了了减减小小多多级级放放大大器器的的噪噪声声系系数数，必必须须降降低低前前级级放放大大器器(

17、尤尤其其是是第第一一级级)的噪声系数，而且增大前级放大器的噪声系数，而且增大前级放大器(尤其是第一级尤其是第一级)的额定功率增益。的额定功率增益。3等效输入噪声温度等效输入噪声温度噪声温度与噪声系数的等效关系噪声温度与噪声系数的等效关系级联系统的等效噪声温度级联系统的等效噪声温度低噪声时采用噪声温度比采用噪声系数更容易和更方便显示其噪声性能的差别。低噪声时采用噪声温度比采用噪声系数更容易和更方便显示其噪声性能的差别。【例例1.1】某某接接收收机机由由高高放放、混混频频、中中放放三三级级电电路路组组成成。已已知知混混频频器器的的额额定定功功率率增增益益Ga2=0.2，噪噪声声系系数数NF2=10

18、dB，中中放放噪噪声声系系数数NF3=6dB，高高放放噪噪声声系系数数NF1=3dB。如如要要求求加加入入高高放放后后使使整整个个接接收收机机总总噪噪声声系系数数降降低低为为加加入入前前的的1/10，则则高高放放的的额额定定功功率率增增益益Ga1应应为为多多少少？高高放放和和混混频频两两级级的等效噪声温度为多少？的等效噪声温度为多少？解：先将噪声系数分贝数进行转换，解：先将噪声系数分贝数进行转换，3dB、10dB、6dB分别对应为分别对应为2、10、4。因为未加高放时接收机噪声系数为因为未加高放时接收机噪声系数为所以，加高放后接收机噪声系数应为所以，加高放后接收机噪声系数应为又由于又由于因此有

19、因此有高放和混频两级的等效噪声温度为高放和混频两级的等效噪声温度为1.3.3 非线性失真v在由各种有源器件构成的线性放大器中，由于有源器件的特性是非线性的，在放大过程中总会产生各种各样的失真，因此，必须限制信号的大小，使失真限制在允许的范围内，才能实现线性放大。v但在诸如混频、调制和解调等频谱搬移电路中，有源器件的非线性又正是实现这些功能电路所必需的。1非线性器件的描述方法非线性器件的描述方法一个非线性电路系统的输入一个非线性电路系统的输入x(t)和输出和输出y(t)可以描述成可以描述成该法称为幂级数展开法该法称为幂级数展开法其它还有解析函数和折线表示法其它还有解析函数和折线表示法2谐波谐波当

20、输入信号为当输入信号为x(t)=Acos t时，输出信号为时，输出信号为含输入频率含输入频率的项称为的项称为“基频基频”，高阶项，高阶项n称为称为“谐波谐波”(Harmonics)3增益压缩增益压缩输出基波信号为输出基波信号为如如果果1和和3的的符符号号相相反反，则则信信号号增增益益将将随随幅幅度度A的的增增大大而而减减小小，此此现现象称为增益压缩。象称为增益压缩。常常用用1dB压压缩缩点点(1-dB compression point，输输入入Pi1dB、输输出出Po1dB)来度量放大器的线性来度量放大器的线性1dB压压缩缩点点处处的的输输入入信信号号幅度为幅度为4大信号阻塞大信号阻塞如果电

21、路同时接收到一个有用信号如果电路同时接收到一个有用信号A1cos1t和一个干扰信号和一个干扰信号A2cos2t，即，即则输出信号基波分量为则输出信号基波分量为当当A2A1时，上式可简化为时，上式可简化为如如果果1和和3的的符符号号相相反反，有有用用信信号号所所得得到到的的增增益益将将远远小小于于1，即即有有用用信信号号被被大大干干扰扰信信号号阻阻塞塞了了，或或者者称称为为“减减敏敏”(Desensitization)，即即放放大大器器或或接接收收器器的的灵敏度降低了。灵敏度降低了。5交调失真交调失真如果干扰信号含有调幅成分如果干扰信号含有调幅成分干扰调幅信号会通过非线性转移到有用信号上：干扰调

22、幅信号会通过非线性转移到有用信号上：如如果果有有用用信信号号也也为为幅幅度度调调制制信信号号，则则解解调调后后的的信信号号含含有有干干扰扰信信号号，产产生生了了交交叉调制叉调制。交调失真是由非线性器件的三次方项产生的。交调失真是由非线性器件的三次方项产生的。6互调失真互调失真两两个个频频率率不不同同的的正正弦弦波波通通过过非非线线性性系系统统后后输输出出信信号号的的频频率率分分量量o=m1+n2(m和和n 不为不为0)称为称为(m+n)阶互调分量阶互调分量由由三三阶阶失失真真引引起起的的互互调调分分量量称称为为三三阶阶互互调调分分量量(IM3)，如如果果1和和2差差别别很很小小，需需要要重重点

23、点考考虑虑的的是是212和和221这这两两项项，因因为为它它们们就就在在基基波波分分量附近量附近如果两个输入信号的幅度相等如果两个输入信号的幅度相等A1=A2=A，三阶互调分量为，三阶互调分量为用用来来衡衡量量互互调调失失真真程程度度的的参参数数主主要要是是三三阶阶互互调调截截点点 IP3(Third-order Intercept Point，对对应应的的输输入入功率值称为功率值称为IIP3，而输出功率值则称为，而输出功率值则称为OIP3)三三阶阶互互调调截截点点处处的的输输入入信号幅度为信号幅度为1dB压缩点和压缩点和IP3的关系的关系IIP3 的简单测量：的简单测量：对数对数(dBm)域

24、中：域中：在在W或或mW域中：域中：IM3功率功率基波功率基波功率级联电路的等效级联电路的等效IIP3：最最后后（第第2级级）输输出出的的IM3分分量量功功率率P3o由由两两部部分分组组成成：第第1级级输输出出的的IM3分分量量通通过过第第2级级直直接接放放大大的的输输出出功功率率P3o1，第第1级级输输出出基基波波分分量量通通过过第第2级级非非线线性性产产生生的的IM3分量功率分量功率P3o2，它们分别为，它们分别为得两级系统的得两级系统的IIP3 为为功率单位是功率单位是W或或mW1.3.4 灵敏度与动态范围1灵敏度灵敏度接接收收机机的的一一个个很很重重要要的的指指标标是是灵灵敏敏度度(S

25、ensitivity)，它它定定义义为为：在在给给定定要要求求的的输输出出信信噪噪比比的的条条件件下下，接接收收机机所能检测的最低输入信号电平。所能检测的最低输入信号电平。要要求求接接收收机机输输出出最最小小额额定定信信噪噪比比为为SNRo,min，则则最最低低的可检测输入功率电平为：的可检测输入功率电平为：Fr称作基底噪声称作基底噪声(Noise Floor)Ta:天线等效噪声温度天线等效噪声温度Te:接收机等效噪声温度接收机等效噪声温度1.3.4 灵敏度与动态范围1灵敏度灵敏度在在T0=290K室温下，室温下，最小可检测输入信号电压最小可检测输入信号电压2动态范围动态范围线性动态范围：线性

26、动态范围：Psi,max定定义为产义为产生生1 dB压缩压缩点的点的输输入信号入信号电电平平Pi1dBPsi,max有两种不同的取值，定义两种动态范围：有两种不同的取值，定义两种动态范围：2动态范围动态范围无杂散动态范围无杂散动态范围Psi,max定义为在输出端产生的三阶互调输出折合到输定义为在输出端产生的三阶互调输出折合到输入端等于噪声基底的最大输入电平入端等于噪声基底的最大输入电平即图中即图中 Pin=Psi,max时，时，P3o=Fr+Gp，而而P1o=Psi,max+Gp由式由式(1.47)可得可得【例例1.2】如如果果一一个个接接收收器器的的NF=9dB，IIP3=-15dBm，且且

27、BW=200kHz，若若要要求求SNRo,min=12dB，那那么么它它的的无无杂杂散散动态范围动态范围DRf为多少？为多少？解：解：DRf约为约为53dB。本 章 小 结v人们按频率或波长对电磁波进行分段，分别称为频段或波段。v不同频段电波的传播方式和能力不同，因而它们的应用范围也不同。高频适于天线辐射和无线传播。v无线通信系统由工作频率的高低可分为射频级、中频级和基带级三级电路。它们的基本功能电路包括滤波器、放大器、高频振荡器、混频或变频器和调制与解调器。v各功能电路由各种有源器件、无源元件构成。实际器件存在杂散寄生的不良电容、电感和电阻。v在小信号的条件下，常用线性电路模型(如型等效电路

28、)来分析电路。v由于二极管和晶体管的非线性特性，会产生增益压缩、交叉调制和互相调制等一系列非线性失真。v接收机所能接收的最低信号电平受其固有噪声的限制，而它能接收的最高电平受非线性失真的限制。v应理解电路指标的各种单位和参数(dB、dBm、dBV、噪声系数、1dB压缩点、三阶互调截点、灵敏度与动态范围)的意义和计算。作业v7，12，17，20，25练习13、将将下下列列对对数数值值功功率率增增益益：3dB、100dB、-20dB，转转换换为为非非对对数数值值。将将下下列列电电压压增增益益：2、1000、0.2，转转换换为为对对数值数值dB。解：功率增益：解：功率增益：100.3=2、1010、

29、10-2=0.01；电压增益：电压增益：20lg2=6dB、20lg1000=60 dB、20lg0.2=-14 dB15、试求题图、试求题图1.19所示虚线框内电阻网络的噪声系数。所示虚线框内电阻网络的噪声系数。解：解：对无源网络对无源网络19、接接收收机机带带宽宽为为3kHz，输输人人阻阻抗抗为为70，噪噪声声系系数数为为6dB，用用一一总总衰衰减减为为6dB，噪噪声声系系数数为为3dB的的电电缆缆连连接接到到天天线线。设设各各接接口口均均已已匹匹配配，则则为为使使接接收收机机输输出出信信噪噪比比为为10dB，其其最最小小输输人人信信号号应应为为多多少少?如如果果天天线线噪噪声声温温度度为

30、为3000K，若若仍仍要获得相同的输出信噪比，其最小输人信号又该为多少要获得相同的输出信噪比，其最小输人信号又该为多少?解：解：G1=6dBNF1=3dBB=3KHzNF2=6dBRa系统的总噪声系数为系统的总噪声系数为（1）当天线噪声温度为）当天线噪声温度为系统基底噪声为系统基底噪声为接收机最低输入功率为：接收机最低输入功率为：（2）当天线噪声温度为）当天线噪声温度为24、放放大大器器的的噪噪声声带带宽宽为为100kHz，NF=3dB，求求噪噪声声底底数数。若若1 dB压压缩缩点点的的输输人人功功率率为为-10dBm，此此接接收收机机的的线线性性动动态态范围是多少范围是多少(若要求输出信噪比若要求输出信噪比SNRo,min=20dB)灵敏度灵敏度线性动态范围线性动态范围本章导读v无线电频段是如何划分的？无线通信为何要用高频电磁波？v高频电子线路有什么特点？v无线通信系统究竟包括哪些电路？它们都有什么功用？v表征高频电路(系统)性能的参数有哪些？知识要点v不同频段电波的传播特点。v高频发射机和接收机的组成结构图。v各功能电路（小信号放大电路、高频功率放大电路、正弦波振荡电路、调制和解调电路、倍频电路、混频电路）在系统中的作用。v增益、噪声系数、1-dB压缩点、3阶截点的计算和意义。