高频电路基础第1章-高频无源网络课件.ppt
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1、第第 1 章章高频无源网络高频无源网络高频电路基础无源器件集总参数器件分布参数器件传输线波 导电阻电容电感适用频率高适用频率低2023/2/201高频电路基础集总参数无源器件的高频电特性l一个实际的电阻器、电容器或电感器,在低频时主要表现为电阻、电容或电感特性(标称特性)。l在高频使用时,由于分布参数的影响,这些器件不仅标称特性的参数会发生变化,而且还表现出标称特性所没有的阻抗特性。l这些由分布参数反映的特性就是器件的高频特性。2023/2/202高频电路基础趋肤效应在高频情况下,导线中的交流电流向导线表面集中,这一现象称为“趋肤效应”。当频率很高时,导线中心部位几乎完全没有电流流过,这相当于
2、把圆导线的横截面积减小为圆环面积,所以信号频率越高,导线的等效电阻就越大。例如,圆导线的趋肤深度为其中:m 为磁导率(空气=4p10-7),s 为电导率。2023/2/203高频电路基础分布电容任何两个相邻的导体都具有分布电容。典型的分布电容值可用平板电容器近似:其中:e=e0er为介电常数(e0=8.8510-12),S 为极板面积,d 为极板之间的距离,k 为考虑极板边缘效应的修正系数。2023/2/205高频电路基础分布电感任何导体都具有分布电感。l近似估计 (全部用国际单位制)其中 m0=4p10-7。l精确一些的估计 其中:d 为导线直径,D为圆环直径,x、y 为矩形边长(均为mm)
3、。2023/2/206高频电路基础例:导线环,导线直径0.5mm,环直径20mm。在低频情况下(假设 f=1kHz):在高频情况下(假设 f=100MHz):2023/2/207高频电路基础电感器(线圈)的高频特性电感器(线圈)在高频频段除表现出电感 L 的特性外,还具有一定的损耗电阻 r 和分布电容C。与实际电容器的特性类似,由于分布电容的影响,在极高频率下其阻抗反而随频率上升而下降。同样,当频率不是特别高时,通常可以忽略分布电容的影响,此时可等效为电感 L 和电阻 r 串联。2023/2/209高频电路基础电阻器的高频特性一个实际电阻器的两个端点之间存在分布电容,引线具有分布电感,所以其高
4、频等效电路如下图所示,其中C为分布电容,L为分布电感,R为电阻。2023/2/2010高频电路基础电容器和电感线圈的Q值l品质因数(Q 值)的定义:无功功率与有功功率之比,即l只考虑电容器C 的损耗电阻R 时,其Q 值为:l只考虑电感线圈的损耗电阻r 时,其Q 值为:l通常情况下,电容器的Q值远高于电感线圈的Q值。2023/2/2012高频电路基础互感电路的阻抗其中:L1 和 L2 分别是互感电路原边和副边的线圈电感量(自感);M是互感电路原边和副边之间的互感量。节点方程(忽略电感的损耗电阻):2023/2/2014高频电路基础解方程,从原边看进去的阻抗或导纳为:其中:Z11 或 Y11 是变
5、压器原边电感的电抗或电纳,Z12 或 Y12 是变压器副边电感和负载阻抗反射到原边的阻抗或导纳。其中反射阻抗Z12 与原边电感构成串联形式,反射导纳Y12与原边电感构成并联形式。2023/2/2015高频电路基础例互感式耦合电路如图所示。已知:激励信号的频率f=1MHz;初级电感L1=160mH,Q1=100;次级电感L2=160mH,损耗电阻已经折合到负载中;互感M=3.2mH;负载电容C2=180pF,电阻R2=70W。求:反射到初级的负载阻抗,它呈容性还是感性?并据此确定初级回路两端的等效总阻抗Z1。2023/2/2017高频电路基础解:2023/2/2018高频电路基础选频网络作用:选
6、出需要的频率分量,滤除不需要的频率分量。一般还兼有阻抗变换的作用。结构:在高频电子线路中,选频网络通常由无源器件构成,常用的选频网络有:lLC谐振回路(也称调谐回路)根据电容、电感以及激励信号三者关系,可分为串联谐振回路和并联谐振回路;根据谐振回路的个数,可分为单调谐回路和耦合谐振回路(双调谐回路)。2023/2/2019高频电路基础l固体滤波器由具有谐振性质的固体材料制成,如石英晶体滤波器,陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。上述两种滤波器都是集中参数滤波器。l传输线滤波网络可以全部由传输线构成(分布参数滤波网络),也可以由传输线加上部分电容、电感构成混合结构的滤波网络。2023/2/2020高频
7、电路基础LC谐振电路lLC谐振回路是高频电路的一个重要组成部分,在高频小信号放大器、高频振荡电路、高频功率放大器、各种调制和解调电路中都会用到。lLC谐振回路的重要特性包括它的谐振频率、品质因数、以及在谐振频率附近的伏安特性等。l通常在高频电路中的LC谐振回路总是工作在它的谐振频率附近,或者利用它的谐振特性从包含多个频率的信号中选出所需要的频率。在这个意义上,LC谐振电路可以看成一个选频网络。2023/2/2021高频电路基础LC谐振回路的谐振状态l若回路总导纳为纯电导时,称回路谐振,此条件就是:l谐振角频率:l回路特征阻抗:2023/2/2023高频电路基础LC并联谐振回路谐振时的电压与电流
8、l谐振时流过电感和电容的电流方向相反。若源电流为iS,则 iC 比 iS 超前90,iL 比 iS 落后 90。l谐振时并联谐振回路两端的电压 。l所以iCiLiSv02023/2/2024高频电路基础LC谐振回路的品质因数谐振回路的品质因数(Q 值)为无功功率与有功功率之比。对于LC并联谐振回路,品质因数(Q 值)为:流过电感和电容的电流可以写为:并联谐振回路在谐振状态下,流过L、C的电流方向相反,大小是源电流的Q倍2023/2/2025高频电路基础LC并联谐振回路的幅频特性(谐振频率附近)归一化幅频特性:定义归一化幅频特性之幅度下降到0.707(-3dB)的频率范围为3分贝带宽(BW),亦
9、称通频带。2023/2/2027高频电路基础理想的矩形系数1,实际的矩形系数 1矩形系数矩形系数:LC谐振回路(单调谐回路)的矩形系数与 Q 值无关通频带通频带:2023/2/2028高频电路基础LC并联谐振回路的阻抗特性感性失谐,电压超前于电流容性失谐,电压落后于电流纯电阻2023/2/2030高频电路基础例2023/2/2031高频电路基础实际的LC并联谐振回路并联谐振回路的实际等效电路与理论分析用的标准形式有区别下图是在忽略电容损耗情况下的两种电路形式的比较两种形式可以转换实际形式,rL是电感的损耗电阻理论分析用的标准形式2023/2/2032高频电路基础实际等效电路的导纳:通常,集中参
10、数元件的LC谐振回路的Q值都比较高。若满足高Q 条件(wL rL),有注意:若不满足高Q条件不能应用这些关系即:2023/2/2033高频电路基础例已知LC并联谐振回路的谐振频率为10.7MHz,其中电感参数为L=10mH,Q0=80,电容的损耗不计。试求电感线圈的串联损耗电阻、谐振回路的谐振电导以及通频带。2023/2/2034高频电路基础l负载阻抗并联在谐振回路两端,可以合并相同性质的阻抗l总谐振电导总谐振电导:l总有载品质因数总有载品质因数:l谐振频率与特征阻抗谐振频率与特征阻抗:带负载的并联谐振回路2023/2/2035高频电路基础例2023/2/2036高频电路基础LC串联谐振回路并
11、联谐振回路要求并联谐振回路要求 高的负载电阻和信号源内阻高的负载电阻和信号源内阻串联谐振回路要求串联谐振回路要求 低的负载电阻和信号源内阻低的负载电阻和信号源内阻2023/2/2037高频电路基础LC耦合谐振回路(双调谐回路)在实际电路中,初次级常取对称情况,即 L1=L2=L,C1=C2=C,G1=G2=G另外,一般在耦合电路中有,Cm C,M1,过耦合:h 1的条件下,可以进行下面的近似等效:接入系数等效负载电阻全部电压(即LC回路两端的电压)接入部分的电压(即RL两端的电压)注意:1.上述做法只适用于高Q情况 2.若部分接入的负载中包含电抗,可以作为复负载阻抗直接进行上述等效,也可以先将
12、负载中的电抗和LC回路中相同性质的电抗合并以后再计算接入系数和等效负载电阻。2023/2/2073高频电路基础例2023/2/2074高频电路基础2023/2/2075高频电路基础自耦变压器式耦合电路一般是在同一个线圈上进行抽头,耦合很紧,所以既可以按变压器式耦合电路计算,也可以按分压式耦合电路计算。通常按变压器式耦合电路计算比较方便。2023/2/2076高频电路基础信号源部分接入的并联谐振回路l信号源采用部分接入方式时,也可以折合到整个谐振回路。l电压源的折合:l电流源的折合:下标 T 表示等效到整个谐振回路。电容分压式部分接入变压器分压式部分接入2023/2/2077高频电路基础LC梯形
13、结构的阻抗变换网络 利用LC梯形网络结构进行阻抗变换时,谐振匹配网络的有载品质因数QL值一般比较小2023/2/2078高频电路基础预备知识:阻抗的串联-并联等效变换 高Q条件下的近似(前面已经看到过)一般条件下的变换2023/2/2079高频电路基础L-1形网络要求回路谐振在w0,即等等效效2023/2/2080高频电路基础L-2形网络要求回路谐振在w0,即等等效效2023/2/2081高频电路基础例解:因为 RL Re,所以采用L-2形匹配网络。试设计一个阻抗匹配网络。将负载阻抗50W变换为等效阻抗200W。已知 f0=47MHz。50W200W2023/2/2082高频电路基础2023/
14、2/2083高频电路基础L形匹配网络的归一化传输特性低通型 高通型图中P(f)为归一化功率传输特性,q(f)为相频特性2023/2/2084高频电路基础L形匹配网络的特点l简单l满足阻抗匹配条件下,回路Q值一定l当阻抗变换比不大时,Q值较低;尤其是负载阻抗等于要求的匹配阻抗时,无法实现l无论是高通型或低通型,均无法获得良好的选频特性2023/2/2085高频电路基础形网络l可转化为两个L型网络的串联l指定一个较小的中间串联电阻Rs,可以得到较大的回路Q值l回路的总Q值大致等于两个Q值中较大者2023/2/2086高频电路基础设计步骤l由于P形网络相当于两个L形网络级联,而一般在设计阻抗匹配网络
15、时的已知参数只有两端的阻抗,所以在设计中通常要指定一个参数l常常可以指定的参数有:网络的Q值(通常是其中某个L形网络的Q值);两个L形网络中间的等效电阻;或者直接指定其中某个电容或电感的值l根据指定值的不同,具体的设计过程略有差异2023/2/2087高频电路基础指定中间串联电阻Rs的设计步骤l将RL转换为Rs(L-1形网络)l将Rs转换为Re(L-2形网络)l结果:2023/2/2088高频电路基础指定网络Q值的设计步骤l根据要求的Q值确定中间电阻Rsl确定Rs后,按照上一页的方法继续进行依据公式所以Re和RL中较大的那个决定网络Q值因为回路的总Q值大致等于两个Q值中较大者可据此确定Rs20
16、23/2/2089高频电路基础T形网络:l可转化为两个L形网络的串联l指定一个较大的中间并联电阻Rp,可以得到较大的回路Q值l回路的总Q值大致等于两个Q值中较大者2023/2/2090高频电路基础设计步骤l指定中间并联电阻Rp(若指定Q值的先转化为Rp)l将RL转换为Rp(L-2形网络)l将Rp转换为Re(L-1形网络)l结果:2023/2/2091高频电路基础例某谐振放大器,工作频率为27MHz,在此频率上晶体管输出阻抗为(2-j1.5)W。已知负载阻抗为50W,试设计一个T形阻抗匹配网络,要求Q值近似等于10。解:晶体管输出阻抗为(2-j1.5)W,视为一个2W电阻与一个电容Co串联,Co
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