射频电路绪论.pptx

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1、会计学1射频电路绪论射频电路绪论射频电路所涉及的领域射频电路所涉及的领域n n通信工程：无线通信、移动通信、卫星通信等等n n信息工程：信息获取-传感器、测量技术n n生物医学工程：检测、杀菌消毒、治疗等n n工农业及日常生活：加热、检测、生物灭杀等n n特别在宇宙探索领域第1页/共60页课程的组织课程的组织n n无源电路（包括射频技术最基本的原理、工具）n n有源电路（包括射频电路的性能分析和综合）n n问题发现、实验与讨论第2页/共60页请同学们回答问题：请同学们回答问题：当，不考虑导线的电阻损耗时：n n若把你的手电筒电路尺寸简单放大到一个篮球场那么大，它的电路功能还能正常吗？n n若把

2、你的手机电路板尺寸简单放大到一个篮球场那么大，它的电路功能还能正常吗？第3页/共60页学习射频电路课程的基本要求：学习射频电路课程的基本要求：n n了解电路的工作频率与电路实际尺寸大小存在着的约束关系；n n引入“集中参数”和“分布参数（场）”的概念；n n掌握“分布参数理论”这种思想方法；n n应用分布参数理论工具来分析、设计RF电路问题。第4页/共60页射频电路所处的技术地位射频电路所处的技术地位思考问题：思考问题：“场场”和和“路路”，哪个概念更基础？，哪个概念更基础？第5页/共60页射频电路的功能射频电路的功能n n信号源（常是：载波源、功率源）的产生；n n信号频谱的搬移；n n信号

3、频谱的变换；n n信号电功率能量与信号电功率能量与“场场”能量之间的互换。能量之间的互换。第6页/共60页为了全人类为了全人类纪念人类1969年7月16日首次登月.记录片视频来源同名记录片.射频技术在其中起着巨大作用.第7页/共60页第第1章章 射频电路绪论射频电路绪论一、射频电路的作用：射频信号(也称:无线电信号）：凡可通过天线向空间进行电磁波能量辐射和接收的信号.RF电路作用：在射频频率条件下工作，并实现一定的电路功能.射频频率:射频信号相应的频率.第8页/共60页通信和信息系统中常见的射频电路通信和信息系统中常见的射频电路通信和信息系统中常见的射频电路通信和信息系统中常见的射频电路：n

4、n1。有源射频电路：RF放大器*（包括：LNA、HPA）、RF振荡器*、变频器*、调制/解调器、有源天线、有源滤波器等等。n n2。无源射频电路：RF滤波器*、RF衰减器*、RF幅度均衡器和相位均衡器*、RF功率分配器*、RF功率合成器*、定向耦合器、隔离器、混合器*、分波器*、负载、天线等等。带*内容为本次课程重点介绍的电路！第9页/共60页二、无线电射频频谱与波长二、无线电射频频谱与波长波长频率超长波30KHZ10KM30MHZ10M中长短波300MHZ1M3THZ100nM微波超短波广播、通信电视、卫星第10页/共60页三、无源电路元件的射频特性三、无源电路元件的射频特性n n无源元件在

5、工作频率很低条件下，能呈现较为理想无源元件在工作频率很低条件下，能呈现较为理想的本征特性（电阻器呈现纯的电阻性，电容器呈纯的本征特性（电阻器呈现纯的电阻性，电容器呈纯电容性，电感器呈纯电感性）；而当工作频率很高电容性，电感器呈纯电感性）；而当工作频率很高时，无源元件的本征特性就发生了很大的变化。时，无源元件的本征特性就发生了很大的变化。第11页/共60页1、一段实心导线的归一化交流电流密度的频率、一段实心导线的归一化交流电流密度的频率特性特性r(mm)r=0处是导体截面中心位置r(mm)导体截面半径0120.2归一化电流密度JZ/JZ0导体中心0.51.0导体表面1KHZ10KHZ1GHZ1M

6、HZ100KHZ导体截面-a0a一段半径a=1mm铜导线的归一化交流电流密度的频率特性第12页/共60页结论：结论：n nf f较小时，较小时，J JZ Z/J/JZ0Z0的值，随的值，随r r的变化不大的变化不大.n nf f中等时，中等时，J JZ Z/J/JZ0Z0的值，随的值，随r r的变化显著的变化显著.n nf f较大时，较大时，J JZ Z/J/JZ0Z0在近在近r=1r=1处存在，此时电流密度主要处存在，此时电流密度主要分布趋于在导体表面分布趋于在导体表面.第13页/共60页2、金属膜电阻的阻抗模值与频率的关系、金属膜电阻的阻抗模值与频率的关系500理想电阻电容效应电感效应一个

7、500金属模电阻的阻抗模与频率的关系Z（）f(HZ)1061012第14页/共60页3、高频电容器的阻抗模与频率的、高频电容器的阻抗模与频率的关系关系Z（）f(HZ)108101110010-2102理想电容实际电容第15页/共60页4、高频电感器的阻抗模与频率的关系高频电感器的阻抗模与频率的关系高频电感器的阻抗模与频率的关系高频电感器的阻抗模与频率的关系Z（）f(HZ)1081011103101105理想电感实际电感第16页/共60页5、由电路结构形成的、由电路结构形成的L或或C器件器件第17页/共60页四、集总参数电路四、集总参数电路n n频率低、波长大、电路尺寸与工作波长相比很小，可近似

8、认为处在一点位置；整个电路的电场能集中在电路的电容器中，磁场能集中在电路的电感器中，而损耗集中在电路的电阻器上.。第18页/共60页五、分布参数电路五、分布参数电路n n频率高、波长小、电路尺寸与工作波长可比拟，电磁能量不仅随时间变化，而且同时随空间位置变化。电磁波在电路中的传播有显著的滞后效应。第19页/共60页六、传输线（长线）六、传输线（长线）n n当传输信息能量的线长度与其信号工作波长可以比拟时，这段线就称作为长线（或传传输线）。否则就是导线!第20页/共60页n n本课程主要涉及是“TEM波”传输线n nTEM波与普通电路“成回路”做功的关系第21页/共60页如：一段平衡传输线如：一

9、段平衡传输线d Lr介质两导体d L段等效GCRRLL第22页/共60页传输线的特性参数：传输线的特性参数：n n1.1.传输线的特性阻抗（描述传输线本传输线的特性阻抗（描述传输线本身的阻抗特性，与外加信号无关）身的阻抗特性，与外加信号无关）:定义：传输线上任意位置处的入射波定义：传输线上任意位置处的入射波电压与入射波电流之比（或反射波电电压与入射波电流之比（或反射波电压与反射波电流之比的负值）为传输压与反射波电流之比的负值）为传输线的特性阻抗。线的特性阻抗。即：即：（与位置无关）（与位置无关）第23页/共60页n n从电路参数的角度从电路参数的角度:n n对于无耗线：对于无耗线：当当R R、

10、GG趋于趋于0 0时，则为无耗传输线时，则为无耗传输线,其特性阻抗：其特性阻抗：为实数，与为实数，与 无关，只取决于线的结构。无关，只取决于线的结构。n n在实际应用中，当在实际应用中，当R R远远小于远远小于 L L，GG远远小于远远小于 C C时时 ，就认为该传输线的特性阻抗为就认为该传输线的特性阻抗为:第24页/共60页常用的常用的TEM波传输线的特性阻抗波传输线的特性阻抗n n平行双线：平行双线：n n同轴电缆：同轴电缆：第25页/共60页微带线特性阻抗：微带线特性阻抗：n n1).1).窄线，当窄线，当w/hw/h1 1时时 有效介电常数有效介电常数:第26页/共60页n n2).2

11、).宽带：当宽带：当w/hw/h1 1时时有效介电常数有效介电常数:第27页/共60页2、传输线上的相速、传输线上的相速Vp：指行波等相位面移动的速度。指行波等相位面移动的速度。n n对于实用的无耗线：对于实用的无耗线：当当=o o（介质使波速变慢了）（介质使波速变慢了）第28页/共60页3、传输线上的波长、传输线上的波长g：波在一个周期内沿线所传播的距离波在一个周期内沿线所传播的距离.n n对于实用的微波传输线：对于实用的微波传输线：(介质使波长变短了介质使波长变短了)第29页/共60页4、相移常数、相移常数：单位长度上行波的相位变化。单位长度上行波的相位变化。单位长度上行波的相位变化。单位

12、长度上行波的相位变化。第30页/共60页5、反射系数(1)反射系数的定义：任意位置d处的反射电压与入射电压之比(2)负载ZL处反射系数：第31页/共60页6、电压驻波系数、电压驻波系数VSWR：描述传输线系统匹配性能好坏描述传输线系统匹配性能好坏描述传输线系统匹配性能好坏描述传输线系统匹配性能好坏（V VSWRSWR1,1,理想时为理想时为理想时为理想时为1 1）:n n系统确定了后，其匹配程度就确定了，系统确定了后，其匹配程度就确定了，V VSWRSWR就不变了，反射系数的就不变了，反射系数的 n n模就不变了。模就不变了。第32页/共60页7、传输线系统等效输入阻抗、传输线系统等效输入阻抗

13、Zin：从传输线系统上某平面位置向负载方向从传输线系统上某平面位置向负载方向从传输线系统上某平面位置向负载方向从传输线系统上某平面位置向负载方向看去的等效阻抗（可以理解为该等效器看去的等效阻抗（可以理解为该等效器看去的等效阻抗（可以理解为该等效器看去的等效阻抗（可以理解为该等效器件的阻抗值）。件的阻抗值）。件的阻抗值）。件的阻抗值）。ZLZ0Zin0Ld第33页/共60页Zin与反射系数关系与反射系数关系线上任意位置线上任意位置d d处反射系数：处反射系数：当:d=L时,第34页/共60页n nZin特点：n n Z Zin in的值随线长度的值随线长度d d的变化呈周期性的变的变化呈周期性的

14、变化化.n n周期为：周期为：只要系统不是匹配的，无论所接负载只要系统不是匹配的，无论所接负载是容性或感性或纯电阻性的，从输入是容性或感性或纯电阻性的，从输入端来看，其系统的输入阻抗沿线端来看，其系统的输入阻抗沿线(空间空间位置上位置上)是呈容性、纯电阻性、感性之是呈容性、纯电阻性、感性之间作周期性的变化。间作周期性的变化。第35页/共60页8.几种特殊情况的传输线输入阻抗几种特殊情况的传输线输入阻抗:n n1).短路线(Z L L趋于0):当L=g/4时,Zin趋于(呈开路特性)当L=g/2时,Zin趋于0(呈短路特性)当Lg/4时,(呈电感性)当g/4Lg/2时,(呈电容性)第36页/共6

15、0页2).2).开路线开路线开路线开路线(Z ZL L趋于趋于趋于趋于 ):n n当L=g/4时,Zin趋于0(呈短路特性)n n当L=g/2时,Zin趋于(呈开路特性)n n当Lg/4时,(呈电容性)n n当g/4 Lg/2时,(呈电感性)第37页/共60页n ng/2g/2线：阻抗不变，相位相反（倒相作用）线：阻抗不变，相位相反（倒相作用）n ng/4g/4线阻抗匹配作用（用于实数源阻抗和实数负线阻抗匹配作用（用于实数源阻抗和实数负载阻抗之间匹配）载阻抗之间匹配）ZLZ0Zing/4g/4ba9.其他特殊情况传输线的用途其他特殊情况传输线的用途:第38页/共60页例例例例:一发射机输出阻抗

16、为一发射机输出阻抗为一发射机输出阻抗为一发射机输出阻抗为50,50,发射天线的阻抗发射天线的阻抗发射天线的阻抗发射天线的阻抗为为为为73.1,73.1,如何用同轴电缆进行匹配如何用同轴电缆进行匹配如何用同轴电缆进行匹配如何用同轴电缆进行匹配?(?(传输线介传输线介传输线介传输线介质为空气质为空气质为空气质为空气),),外导体允许尺寸外导体允许尺寸外导体允许尺寸外导体允许尺寸:10cm(:10cm(外导体最外导体最外导体最外导体最大内径大内径大内径大内径),),信号频率为信号频率为信号频率为信号频率为600MHz.600MHz.解解:有同轴电缆有同轴电缆Z Z0 0公式公式,取取:2b=8cm,

17、:2b=8cm,得得a=1.46cm.a=1.46cm.同轴线长同轴线长:r r=1,=1,L=L=0 0/4=12.5cm/4=12.5cmZL第39页/共60页史密斯园图史密斯园图n n在传输线理论中，线上阻抗（或导纳）及反射系数的分析计算常常很复杂，而且涉及不少超越方程。所以，为简化传输线上各位置处的阻抗（或导纳）、反射系数的计算，将传输线、反射系数等公式转化为图形的变化关系。因此，引出一种新工具：史密斯园图。由一系列园构成。第40页/共60页园图园图n n阻抗园图：由阻抗特性、反射系数、电长度（传输线上行进长度）构成。常用于串联系统。n n导纳园图：由导纳特性、反射系数特性、电长度构成

18、。常用于并联系统。第41页/共60页圆图的基本原理圆图的基本原理n n将传输线输入阻抗或输入导纳，以及反射系将传输线输入阻抗或输入导纳，以及反射系数等原理、关系式通过函数图形复合成一体。数等原理、关系式通过函数图形复合成一体。n n传输线输入阻抗传输线输入阻抗:ZLZ0Zin0Ld第42页/共60页圆图上各种圆系圆图上各种圆系:n n阻抗园圆（图上各点阻抗是对阻抗园圆（图上各点阻抗是对ZoZo的归一化值）的归一化值）1 1。等反射系数：。等反射系数：ujv0ab单位圆原点反射系数为0第43页/共60页圆图上各种圆系圆图上各种圆系:n n导纳园圆（图上各点导纳是对导纳园圆（图上各点导纳是对YoY

19、o的归一化值）的归一化值）1 1。等反射系数：。等反射系数：uJv0ab单位圆原点反射系数为0+u+Jv第44页/共60页等电阻圆系等电阻圆系ja0b单位圆：纯电抗圆单位圆：纯电抗圆（圆上不同的位置就是不同的电抗值）（圆上不同的位置就是不同的电抗值）第45页/共60页等电导圆系等电导圆系uJv单位圆：纯电纳圆单位圆：纯电纳圆（圆上不同的位置，就是不同的电纳（圆上不同的位置，就是不同的电纳值）值）第46页/共60页等电抗圆系等电抗圆系uj0a1X0X 0第47页/共60页等电纳圆系等电纳圆系第48页/共60页阻抗圆图阻抗圆图j0ab （由前述各阻抗量纲圆族与反射系数圆族、电长度圆等构成）（由前述

20、各阻抗量纲圆族与反射系数圆族、电长度圆等构成）（由前述各阻抗量纲圆族与反射系数圆族、电长度圆等构成）（由前述各阻抗量纲圆族与反射系数圆族、电长度圆等构成）同理：由前述各导纳量纲圆族与反射系数圆族、电长度圆由前述各导纳量纲圆族与反射系数圆族、电长度圆由前述各导纳量纲圆族与反射系数圆族、电长度圆由前述各导纳量纲圆族与反射系数圆族、电长度圆等构成等构成等构成等构成导纳圆图。导纳圆图。导纳圆图。导纳圆图。第49页/共60页阻抗圆图（红色）阻抗圆图（红色）和导纳圆图（绿色）和导纳圆图（绿色）阻抗圆图和导纳圆图的复合（阻抗圆图和导纳圆图的复合（SMITH圆图）圆图）例：阻抗例：阻抗Z=30+j25，系统特

21、性阻抗为，系统特性阻抗为50时，则归一化阻抗值为时，则归一化阻抗值为z=0.6+j0.5z=0.6+j0.5Smith圆图圆图（上述各圆系在统一的坐标系中复合而成）（上述各圆系在统一的坐标系中复合而成）（上述各圆系在统一的坐标系中复合而成）（上述各圆系在统一的坐标系中复合而成）第50页/共60页实际的实际的SMITH圆圆图图第51页/共60页归一化园图上的一些特殊意义：归一化园图上的一些特殊意义：n n在园图上，水平直线为实部线，表示纯电阻线（阻抗园图）或表在园图上，水平直线为实部线，表示纯电阻线（阻抗园图）或表示纯电导线（导纳园图）示纯电导线（导纳园图）。n n在园图上，中心在园图上，中心O

22、O点（原点）为与传输线特性阻抗共轭匹配的点点（原点）为与传输线特性阻抗共轭匹配的点(阻抗或导纳平面坐标阻抗或导纳平面坐标:1+j0):1+j0)；a a点为开路点；点为开路点；b b点为短路点。点为短路点。n n在园图上，单位园（最大园）为在园图上，单位园（最大园）为:纯电抗园（阻抗园图中）；或为纯电抗园（阻抗园图中）；或为:纯电纳园（导纳园图中）。纯电纳园（导纳园图中）。n n在园图上，关于在园图上，关于u u轴对称的点为共轭阻抗（或共轭导纳）点。轴对称的点为共轭阻抗（或共轭导纳）点。n n在园图上，关于原点对称的点互为倒数关系，数值上为阻抗与导在园图上，关于原点对称的点互为倒数关系，数值上

23、为阻抗与导纳相互转换。纳相互转换。第52页/共60页反射系数的相角变化量：反射系数的相角变化量：n n在园图上：由负载向传输线始端方向为“+L”方向，但园图上相角向顺时针方向转；由传输线始端向负载方向为“-L”方向，但园图上相角向逆时针方向转；n n无论阻抗圆图或导纳圆图怎么放置,反射系数相角的始边和正角的参考,一定是反射系数平面的正实轴.第53页/共60页n n串联电容：在阻抗园图上：沿等r园,向逆时针旋转，正电抗值减小（负电抗值增大），此过程是：串联电容，电抗刻度的变化量就是串联电容的电抗值；n n串联电感：在阻抗园图上：沿等r园,向顺时针旋转，正电抗值增大（负电抗值减小），此过程是：串联

24、电感，电抗刻度的变化量就是串联电感的电抗值.第54页/共60页n n并联电容：在导纳园图上：沿等g园，向顺时针方向旋转，正电纳值变大（负电纳值变小），此过程是：并联电容，电纳刻度的变化量就是并联电容的电纳值；n n并联电感：在导纳园图上：沿等g园，向逆时针方向旋转，正电纳值变小（负电纳值变大），此过程是：并联电感，电纳刻度的变化量就是并联电感的电纳值.第55页/共60页本章小结及讨论本章小结及讨论n n小结：分布参数意义；无源器件在射频条件时的模型；传输线理论及在射频电路中的应用；圆图工具。第56页/共60页精品课件精品课件！第57页/共60页精品课件精品课件！第58页/共60页n n讨论：1。回答本章开始问题结果的“原因”。2。同学们思考问题，提问题，讨论问题。第59页/共60页