高频电路基础教学ppt课件

第第2章章 高频电路根底高频电路根底 2.1 高频电路中的元件、器件和组件高频电路中的元件、器件和组件2.2 电子噪声电子噪声2.12.1高频电路中的元器件高频电路中的元器件 根本元件根本元件有源器件二极管、晶体管和集成电路有源器件二极管、晶体管和集成电路无源元件无源元件 电阻、电容和电感电阻、电容和电感无源网络无源网络 高频谐振回路、高频变压器、高频谐振回路、高频变压器、谐振器谐振器 与滤波器等与滤波器等 高频电路中运用的元器件与在低频电路中运用的元高频电路中运用的元器件与在低频电路中运用的元器件根本一样，但是留意它们在高频运用时的高频特性。器件根本一样，但是留意它们在高频运用时的高频特性。主要作用主要作用:有源器件有源器件 完成信号的放大，非线性变换等功能。完成信号的放大，非线性变换等功能。无源网络无源网络 完成信号的传输，阻抗变换、选频等功能。完成信号的传输，阻抗变换、选频等功能。2.1.12.1.1高频电路中的元件高频电路中的元件 1.1.电阻器电阻器 一个实践的电阻器，在低频时主要表现为一个实践的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性，但在高频运用时不仅表现有电阻特性的电阻特性，但在高频运用时不仅表现有电阻特性的一面，而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电一面，而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。抗特性反映的就是高频特性。一个电阻一个电阻R的高频等效电路如下图，其中的高频等效电路如下图，其中CR为为分布电容，分布电容，LR为引线电感，为引线电感，R为电阻。为电阻。电阻的高频等效电路电阻的高频等效电路CRRLR 2.2.电感线圈的高频特性电感线圈的高频特性 电感线圈在高频频段除表现出电感电感线圈在高频频段除表现出电感L L的特性的特性外，还具有一定的损耗电阻外，还具有一定的损耗电阻r r和分布电容。在分析普和分布电容。在分析普通长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电容的通长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电容的影响。因此，电感线圈的等效电路可以表示为电感影响。因此，电感线圈的等效电路可以表示为电感L L和电阻和电阻r r串联，如下图。串联，如下图。电感线圈的串联等效电路电感线圈的串联等效电路rL电阻电阻r随频率增高而添加，这主要是集肤效应的影响。随频率增高而添加，这主要是集肤效应的影响。所谓集肤效应是指随着任务频率的增高，流过导线的交流电所谓集肤效应是指随着任务频率的增高，流过导线的交流电流导游线外表集中这一景象，当频率很高时，导线中心部位流导游线外表集中这一景象，当频率很高时，导线中心部位几乎完全没有电流流过，这相当于把导线的横截面积减小为几乎完全没有电流流过，这相当于把导线的横截面积减小为导线的圆环面积，导电的有效面积较直流时大为减小，电阻导线的圆环面积，导电的有效面积较直流时大为减小，电阻r增大。任务频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越大。增大。任务频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越大。高频电感器也具有本身谐振频率高频电感器也具有本身谐振频率(SRF)。在在SRF上上,高高频电感的阻抗的幅值最大频电感的阻抗的幅值最大,而相角为零而相角为零,如下图。如下图。阻抗与相角阻抗相角频率 fSRF0 设流过电感线圈的电流为设流过电感线圈的电流为I，那么电感，那么电感L上的无功功率上的无功功率为为I2L，而线圈的损耗功率，即电阻，而线圈的损耗功率，即电阻r的耗费功率为的耗费功率为I2r，故由式故由式2.1.1得到电感的质量因数得到电感的质量因数有功功率无功功率Q(2.1.1)rLrILIQ22(2.1.2)Q值是一个比值，它是感抗值是一个比值，它是感抗L与损耗电阻与损耗电阻r之比，之比，Q值值越高损耗越小，普通情况下越高损耗越小，普通情况下,线圈的线圈的Q值通常在几十到一二值通常在几十到一二百左右。百左右。在无线电技术中通常不是直接用等效电阻在无线电技术中通常不是直接用等效电阻r，而是引入线，而是引入线圈的质量因数这一参数来表示线圈的损耗性能。圈的质量因数这一参数来表示线圈的损耗性能。质量因数定义为无功功率与有功功率之比质量因数定义为无功功率与有功功率之比:3 电容 由介质隔开的两导体即构成电容。一个电容器的等效电路却如图a所示。理想电容器的阻抗1/(jC),如图2 2b虚线所示,其中,f为任务频率,=2f。LCRCC(a)阻抗频率 f(b)0 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 Rc为极间绝缘电阻，为极间绝缘电阻，LC为分布电感或极间电感，小容量电容的引线电感。为分布电感或极间电感，小容量电容的引线电感。高频运用时其阻抗特性实线所示。当工高频运用时其阻抗特性实线所示。当工作频率小于本身谐振频率，呈容性，作频率小于本身谐振频率，呈容性，任务频率大于本身谐振频率，呈感性。任务频率大于本身谐振频率，呈感性。容性容性感性感性在分析普通米波以下频段的谐振回路时，经在分析普通米波以下频段的谐振回路时，经常只思索电容和损耗。常只思索电容和损耗。电容器的等效电路也有两种电容器的等效电路也有两种方式，如下图。方式，如下图。电容器的串、并联等效电路电容器的串、并联等效电路rCRCp2.1.22.1.2高频电路中的组件高频电路中的组件 谐振回路由电感线圈和电容组成，当外界授予一定能谐振回路由电感线圈和电容组成，当外界授予一定能量，电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电量，电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的周期振荡回路。假设该电路在某一频率的交变信号作用流的周期振荡回路。假设该电路在某一频率的交变信号作用下下,能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有谐振特性，故该电路又称谐振回路。具有谐振特性，故该电路又称谐振回路。谐振回路按电路的方式分为：谐振回路按电路的方式分为：1.串联谐振回路串联谐振回路2.并联谐振回路并联谐振回路3.耦合谐振回路耦合谐振回路 高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡谐振回路、谐振回路、高频变压器、高频变压器、谐振器与滤波器等谐振器与滤波器等,它们完它们完成信号的传输、成信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能。频率选择及阻抗变换等功能。用途：用途：1.利用他的选频特性构成各种谐振发大器利用他的选频特性构成各种谐振发大器2.在自激振荡器中充任谐振回路在自激振荡器中充任谐振回路3.在调制、变频、解调充中选频网络在调制、变频、解调充中选频网络 本章讨论各种谐振回路在正弦稳态情况下的谐本章讨论各种谐振回路在正弦稳态情况下的谐 振特性和振特性和频率特性。频率特性。RZso 呈阻性最小RZs0RpLCRSiSRLCRSiS并并联联 LC谐谐振振回回路路 串串联联 LC谐谐振振回回路路CRLRp RLCRSuSRCLRLRQRRoLP221)()(1.串联谐振串联谐振RLCRSuSZS(1)阻抗特性阻抗特性CjLjRZ1s )CL(jR1 jXR SOZ呈阻性RZs00呈感性RZs0X0呈容性RZs0 o SZ容性容性感性感性RRLCRSuSZS0(3)谐振曲线谐振曲线常数svi)(回路电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线。回路电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线。RLCRSuSUiS22)(1100QIISOSCRRLQ001其中其中)(11000RLj)(1100jQRUZUIISSOS.RCLjZRS111幅频特性幅频特性Q2Q1Q1Q20I/I0小失谐小失谐2200011)(11QIISS）（0002020000022）（谐振特性方程通用式谐振特性方程通用式失谐量失谐量0)(00 Q广义失谐量广义失谐量式中式中SOSII)(1100 jQj11NoImagearctys相频特性曲线 的变化曲线随的相角SIarctyRCLarctyRXarctyeZjXRZsjsss1RLCRSuSSZ0S为阻抗角的负值。回路电流的相角设：ssssssjmjmjsj0smjsssssj0smSsmseIeIeZeVeZVZVIeVVtsinVv感性感性容性容性S感性感性容性容性RLCRSuSiS0串联谐振相频特性串联谐振相频特性Q1Q2RLCRSuS物物理理意意义义：谐谐振振条条件件下下，回回路路储储存存能能量量与与消消耗耗能能量量之之比比isRLCRSuS+uC-+uL-is+ui-+uR-电电 感感 端端 电电 压压：电电容容端端电电压压：ioioCscjQuCRujjiu1所所 对对 应应 的的 频频 率率 范范 围围。由由定定义义可可得得：12Qo Q2Bo 或或Qfo 结结论论：Q 值值越越大大频频带带越越窄窄，回回路路损损耗耗越越小小。0SSII o 121211120IIRLCRSiSCj1LjRCj1)LjR(Zp )C1L(jRCL jXRCL ZP2.并联谐振并联谐振RpLCRSiSPOZCRLZpo=pR（呈呈纯纯电电阻阻，且且取取最最大大值值）谐振时谐振时当当LR时时01CLLC101谐振频率谐振频率 o PZRpRLCRSiSCj1LjRCj1)LjR(Zp ZP)1(11cRRLjLRjCRLZP当当LR条件不满足时，条件不满足时，谐振时，谐振时，Z为实数，那么分子中为实数，那么分子中虚部必需与分母中虚部相抵消。虚部必需与分母中虚部相抵消。即即cRRLLR00012220111LrLC1QLC准确并联回路谐振频率准确并联回路谐振频率RpLCRSiSP2io2iR/uL/uQ =LRoP +ui-=p2io2iR/uCu=poCR （请请注注意意：R 与与 RP的的关关系系）CRLRp RLCRSiS opp2jQ1RZ )(RLj1Rooop jXRCLZp )1(1/CLRLjRCL )CL1(RLj1Rp j1Rp pjpeZRLCRSiS021)(1jQRRLjRpooopjXRCLZp )1(1/CLRLjRCL )CL1(RLj1Rp j1Rp pjpeZ 2pp1RZ 1 tgp o PZ电感性电感性电容性电容性Rp0p回回路路电电压压与与工工作作频频率率之之间间的的关关系系常数sIu)(RLCRSiSu)(111)1(00jQRIRCLjRCLICLjRCLIZIUpssss)(jQ11uuURI0000ps回路端电压，则谐振时式中+-2200011)(11QUUarctyarctyQP2P是与外电流相比较而言是与外电流相比较而言Q2Q1Q1Q200UU0p感性感性容性容性电电感感支支路路电电流流：iiopoLjQiiLRjLjui电电容容支支路路电电流流：RpLCRSiSiiiCiRiL+u-210UU令：211 所所 对对 应应 的的 频频 率率 范范 围围。0UU o 121例例 1 设一放大器以简单并联振荡回路为负载设一放大器以简单并联振荡回路为负载,信号信号中心频率中心频率fs=10MHz,回路电容回路电容C=50 pF,(1)试计算所需的线圈电感值。试计算所需的线圈电感值。(2)假设线圈质量因数为假设线圈质量因数为Q=100,试计算回试计算回路谐振电阻及回路带宽。路谐振电阻及回路带宽。(3)假设放大器所需的带宽假设放大器所需的带宽B=0.5 MHz,那那么应在回路上并联多大电阻才干满足放大器所需么应在回路上并联多大电阻才干满足放大器所需带宽要求带宽要求?解解 (1)计算计算L值。值。CfCL20220)2(11将将f0以兆赫兹以兆赫兹(MHz)为单位为单位,以皮法以皮法(pF)为单位为单位,L以以微亨微亨H为单位，为单位，上式可变为一适用计算公式上式可变为一适用计算公式:CfCfL20620225330101)21(将f0=fs=10 MHz代入,得uL07.5 (2)回路谐振电阻和带宽。回路谐振电阻和带宽。kLQR8.311018.31007.510210046700回路带宽为回路带宽为 kHzQfB1000 (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,总的回路有载质量因数为QL。由带宽公式,有200LLQBfQ此时要求的带宽此时要求的带宽B=0.5 MHz,故故回路总电阻为回路总电阻为kRRRkLQRRRRL97.737.637.637.61007.51022000167010102.1.3.LC 2.1.3.LC 阻抗变换网络阻抗变换网络 BX1RXR1AABX2R2等效：电路在同频率任务等效：电路在同频率任务时，从时，从AB端看进去阻抗端看进去阻抗 或导纳相等。或导纳相等。BX1RXR1AABX2R2等效互换的原则：等效互换的原则：等等效效互互换换前前的的电电路路与与等等效效互互换换后后的的电电路路阻阻抗抗相相等等22221X1jXR)jX(RjX)RR(22222222222222XRXRjXRXR 有有：实实部部：2222222X1XRXRRR 虚虚部部：22222221XRXRX 又又回回路路的的品品质质因因数数 222LX111LXRQRRXQ 串串联联电电路路转转换换等等效效成成并并联联电电路路后后，电电抗抗2X的的特特性性与与1X相相同同。当当1LQ较较大大时时，12XX 基基本本不不变变，而而2R比比)RR(X1大大21LQ倍倍。得得结结果果为为：)Q1)(RR(R21LX12 同同理理：)Q11(XX21L12 1221LX12XXQ)RR(RX111LRRXQ 结结果果表表明明：例例 1 1：RCLRRCLRLRQRRoLP11)()(12121LC10 注意：注意：RL1CRSiSL2RpCRSiS3.并联谐振回路的广义方式并联谐振回路的广义方式Z1Z2ZP222111jXRZjXRZ0212211XXRXRX并联谐振时若)()()(221122112121jXRjXRjXRjXRZZZZZP2121RRXXZP21XX谐振时22222221RRXRRXZPR1R2ZPCL20212120)(1)(CRRRRLZP阐明：假设阐明：假设R1和和R2都不很大时，那么以为都不很大时，那么以为R1和和R2都集中在电感之路内都集中在电感之路内2020)(1)(CRRLCRLRP2.1.4.抽头并联振荡电路抽头并联振荡电路L2L1CL2L1CRLC2C1LLC2C1RL2 2 等等效效电电路路：在在电电路路的的定定量量分分析析中中常常把把部部分分接接入入的的外外电电路路等等效效到到并并联联回回路路两两端端。其其中中：2121CCCCC ，有有互互感感无无互互感感M2LLLLL2121iSRSL1C2C1RLiSRSL2L1C2C1RLabbacdcdL2LCRLRS iS LCRLRS iS ababiSRSL2L1C2C1RLacbdiS RS LCRLab LLSSSSRuuRiuuiRuuR1)(1)(1)(12abdbabcb2abcb3 3 等等效效原原则则：等等效效电电路路与与原原电电路路功功率率相相等等 LLSSSSRuRuuiuiRuRu2db2abcbab2cb2abLLSSSsRpRipiRpR22121+ucb-+uab-+udb-+uab-4 4 接接入入系系数数（抽抽头头系系数数）p定定义义：是回路与外电路之间的调理因子是回路与外电路之间的调理因子与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同性与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比。质总电抗之比。回路电压部分接入电压 p11 02221QjRpZpZPT非谐振时非谐振时iSRSL2L1C2C1RLacbd定定 义义：回路电压部分接入电压 p1iS ；iC iR sLpcbabsLcbspababLRsCLabcbpQiiQppQRRuuiiRuiRQuLuiiiiiuu即则及或端电流小于抽头或谐振回路电流根据功率等效21IL接入系数接入系数p越小越小,比值越小比值越小,sLii所以所以 前面分析中假设前面分析中假设 iLiS ；iC iR(即即ILI)当当p较小时将不能满足较小时将不能满足.iSRSL2L1C2C1RLacbdiLiSiCiR2.1.5 2.1.5 耦合回路耦合回路概述概述单振荡回路具有频率选择性和阻抗变换的作用。单振荡回路具有频率选择性和阻抗变换的作用。但是：但是：1 1、选频特性不够理想、选频特性不够理想 2 2、阻抗变换不灵敏、不方便、阻抗变换不灵敏、不方便为了使网络具有矩形选频为了使网络具有矩形选频特性，或者完成阻抗变换特性，或者完成阻抗变换的需求，需求采用耦合振的需求，需求采用耦合振荡回路。荡回路。耦合振荡耦合振荡:耦合回路由两个耦合回路由两个或者两个以上的单振荡回或者两个以上的单振荡回路经过各种不同的耦合方路经过各种不同的耦合方式组成。式组成。单谐振回路单谐振回路矩形选频特性矩形选频特性f0fususisis互互感感耦耦合合回回路路并并联联型型串串 联联 型型电电容容耦耦合合回回路路 常用的两种耦合回路常用的两种耦合回路耦合系数耦合系数k k：耦合回路的特性和功能与两个：耦合回路的特性和功能与两个 回路的耦合程度有关回路的耦合程度有关按耦合参量的大小：强耦合、弱耦合、临界耦合按耦合参量的大小：强耦合、弱耦合、临界耦合电感耦合回路电感耦合回路电容耦合回路电容耦合回路+L1 R2 L2 M C2 1V R1 C1 IsG1L1C1C2L2G2CM+-阐明回路间耦合程度的强弱阐明回路间耦合程度的强弱k k 的定义的定义:耦合回路的公共电抗绝对值与初次级回路中的同耦合回路的公共电抗绝对值与初次级回路中的同 性质电抗的几何中项之比性质电抗的几何中项之比.对电容耦合回路：对电容耦合回路：)(M2M1MCCCCCk普通普通C1=C2=CC1=C2=C：MMCCCk通常通常 CM C CM C：CCkMk0)时，那么Xf1呈容(Xf10)；反之，当X22呈容性(X220)。1反射电阻永远是正值。这是由于，无论是初级回路反射电阻永远是正值。这是由于，无论是初级回路反射到次级回路，还是从次级回路反射到初级回路，反射电反射到次级回路，还是从次级回路反射到初级回路，反射电阻总是代表一定能量的损耗。阻总是代表一定能量的损耗。4 4当初、次级回路同时调谐到与鼓励频率谐振即当初、次级回路同时调谐到与鼓励频率谐振即X11=X22=0X11=X22=0时，反射阻抗为纯阻。其作用相当于在初级回时，反射阻抗为纯阻。其作用相当于在初级回路路中添加一电阻分量，中添加一电阻分量，且反射电阻与原回路电阻成反且反射电阻与原回路电阻成反比。比。222RM)(3反射电阻和反射电抗的值与耦合阻抗的平方值反射电阻和反射电抗的值与耦合阻抗的平方值 M2成正比。当互感量成正比。当互感量M=0时，反射阻抗也等于零。时，反射阻抗也等于零。这就是单回路的情况。这就是单回路的情况。is+V2-2121002012121QQQGGGCCCLLLLS:设12222211110VCjVCCjLjVGVVCjVCCjLjVGVIMMMMS)()(20000120000121211121111111VCjLGjGCjGVVCjGLjGCjGVVCjGCjLjGVVCjVCjLjVGVICCCCCMMMMSMM）（）（）（令GCLGQ001并联谐振时122120011011VCjjGVVCjjGVIVCjjQGVIMMSMS)()()()()(2112222222222jGCGICjCjGICjVMSMMSM222222224)1(GCGICVMsmMm代入上式耦合因数令GCM222224)1(GIVsmmGIVsm2012max代入当+V1-is2222max224)1(2 uum 这这是是耦耦合合谐谐振振回回路路谐谐振振曲曲线线的的通通用用表表示示式式，对对任任何何形形式式的的调调谐谐方方式式都都是是适适合合的的。其其中中：称称为为耦耦合合因因数数：QKK称称为为耦耦合合系系数数：)CC)(CC(CKLLMKm2m1m21电容耦合回路：电容耦合回路：互感耦合回路：互感耦合回路：反反映映了了回回路路间间的的耦耦合合程程度度。由由式式何何以以看看出出的的大大小小不不仅仅和和的的大大小小有有关关，而而且且和和耦耦合合因因数数有有关关。即即),(f+u2m-频率特性方程频率特性方程2222max224)1(2 uum 11220 11220 1讨讨论论：当当1，称称为为临临界界耦耦合合 特特点点，Q1KKC （K KC C称称为为临临界界耦耦合合系系数数）当当 0时时 ，当当1，既既CKK 时时，称称为为欠欠耦耦合合状状态态，则则当当 0 时时：特特性性曲曲线线也也呈呈单单峰峰，但但峰峰值值小小于于 1 1。当当1，既既CKK 时时，称称为为过过耦耦合合状状态态，特特性性曲曲线线呈呈双双峰峰，特特性性曲曲线线的的最最大大值值应应位位于于1 处处。若若令令 14)1(2222 可可得得：22222)2(4)1(0122 解解得得：12 12 12 而而在在0 处处，曲曲线线处处于于谷谷值值，其其值值为为：11220 上上式式表表明明，特特性性曲曲线线呈呈双双峰峰，峰峰值值点点分分别别位位于于12 处处 可可以以看看出出耦耦合合因因数数越越大大，峰峰值值距距离离越越大大，相相应应的的谷谷值值越越小小。2B 通通频频带带可可定定义义为为：当当 21时，所对应的广义失谐时，所对应的广义失谐o2Q 中的中的 2为回路的通频带。为回路的通频带。讨讨论论一一个个典典型型的的情情况况：当当1 时，时，1令令 214)1(222221 即即可可得得：21424 o2Q2 Q22Bo 21显显然然，比比单单调调谐谐回回路路通通频频带带Qo要要宽宽，其其谐谐振振曲曲线线的的形形状状也也更更接接近近矩矩形形，具具有有较较好好的的选选择择性性。QffBo22或即即定定义义为为谐谐振振曲曲线线峰峰值值下下降降到到 0 0.1 1 时时的的频频率率范范围围1.02 f与与通通频频带带7.02 f之之比比。如如右右图图所所示示，理理想想情情况况下下的的矩矩形形窗窗滤滤波波器器的的矩矩形形系系数数 11.0f2 7.0f2 1K1.0 而而单单调调谐谐回回路路的的矩矩形形系系数数95.9110f2f2K27.01.01.0 双双调调谐谐回回路路的的矩矩形形系系数数，在在临临界界耦耦合合的的情情况况下下为为16.31100f2f2K47.01.01.0 可可见见1.0K是是一一个个大大于于或或等等于于1的的数数，其其数数值值越越小小，选选择择性性越越好好，对对应应的的幅幅频频特特性性越越理理想想，矩矩形形系系数数1.0K的的理理想想数数值值为为1。2.1.6.高频变压器和传输线变压器 1.高频变压器是靠磁通交链,或者说是靠互感进展耦合的。(1)高频变压器常用高导磁率、高频损耗小的软磁资料作磁芯。(2)高频变压器普通用于小信号场所,尺寸小,线圈的匝数较少。(a)(b)(c)高频变压器的磁芯构造高频变压器的磁芯构造 a 环形磁芯环形磁芯;(b)罐形磁芯罐形磁芯;(c)双孔磁芯双孔磁芯 N1N2(a)LSCSLN1N2(b)高频变压器及其等效电路高频变压器及其等效电路 (a)电路符号电路符号;(b)等效电路等效电路 图图(a)是一中心抽头变压器的表示图。是一中心抽头变压器的表示图。初级为两个等匝数的初级为两个等匝数的线圈串联线圈串联,极性一样，极性一样，设初次级匝比设初次级匝比n=N1/N2。作为理想变压器作为理想变压器对待对待,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)(213321IInInUUU(2 38)(2 37)图 2 16 中心抽头变压器电路 a 中心抽头变压器电路;b 作四端口器件运用 N1N1U1.U2.I1.I2.N2I3.(a)(b)Z1Z2Z4Z3n:1U3.传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一同，并绕在高导磁率低损传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一同，并绕在高导磁率低损耗的磁芯上构成的。最高任务频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。耗的磁芯上构成的。最高任务频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不一样的，传输线变传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不一样的，传输线变压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。两根导线紧靠在一同，所以导线恣意长度处两根导线紧靠在一同，所以导线恣意长度处的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高两根等长导线同时绕在高磁芯上，所以导线上均磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电路。数电路。usususRLRLRLRsRsRs(a)构造表示图构造表示图(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u1u2u1u2u1u2 在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以电磁能交换的方式在导线间介质中传播的。电磁能交换的方式在导线间介质中传播的。2.传输线变压器传输线变压器usRLRsu1u2i1i2rrfvcv0RSES1324U1.RLU2.ZCI.RSES1234U1.RLUL(a)(b)I.图 2 18 传输线变压器的任务方式(a)传输线方式;(b)变压器方式r 为传输线的相对介电常数为传输线的相对介电常数,大于大于1(24),传输线上传输线上的波速和波长均小于自在空间电磁波的波速的波速和波长均小于自在空间电磁波的波速c和波和波长长0.传输线的主要参数是传输线的主要参数是 波速波速,波长及特性阻抗波长及特性阻抗.特性阻抗特性阻抗ZC决议于决议于 传输线的横向尺寸导线粗细、间距、介电常数传输线的横向尺寸导线粗细、间距、介电常数)的参数的参数.CLZCL和和C为单位线长的分布为单位线长的分布电感和分布电容。电感和分布电容。(1)1：1传输线变压器传输线变压器 1 1：1 1传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以以为传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以以为u1=u2u1=u2和和i1=i2i1=i2。usRLRsu1u2i1i2假设传输线的特性阻抗：假设传输线的特性阻抗：CLZ c传输线输出端的等效阻抗为：传输线输出端的等效阻抗为：2242iuZ 输入端输入端1 1、3 3端的等效阻抗为端的等效阻抗为 ：421131 ZiuZ为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：LRZ 42为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：SRZ 311：1传输线变压器，最正确匹配形状应该满足传输线变压器，最正确匹配形状应该满足：SLcRRZZZ4231满足最正确功率传输条件的传输线特性阻抗为：满足最正确功率传输条件的传输线特性阻抗为：LSRRZc 1：1传输线变压器具有最大的功率输出。但实践上，在各种放大电路中传输线变压器具有最大的功率输出。但实践上，在各种放大电路中RL正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，1：1传输线变压器很少用传输线变压器很少用作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进展不平衡作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进展不平衡-平衡以及平平衡以及平衡衡-不平衡转换。不平衡转换。usRsusususRsRsRLRLRLRLRsu1u1u2u2i2i1i 1+i2(2)1：4和和4：1传输线变压器传输线变压器 1 1：4 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1/41/4倍以便和信号源相匹配。在倍以便和信号源相匹配。在负载匹配的条件下，有负载匹配的条件下，有 u1=u2=u u1=u2=u和，和，i1=i2=i i1=i2=i 由于变压器的由于变压器的1端与端与4端相连，端相连，输入端输入端1端与端与3端的电压为端的电压为u，负载负载RL上的电压为上的电压为u1+u2=2u，输入端输入端1的电流为的电流为i1+i2=2i，且且u1u1u2u2i22ui1i 1+i2+2u-L2Rui 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 ：4222LL31RRuuiuZ 传输线变压器把负载传输线变压器把负载RLRL变换为变换为RL/4RL/4，实现了，实现了1 1：4 4的阻抗变换。的阻抗变换。假设把输入端和输出端对调就成为假设把输入端和输出端对调就成为4 4：1 1传输线变压器。传输线变压器。4 4：1 1传输线变传输线变压器把负载阻抗升高压器把负载阻抗升高4 4倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器具有具有4 4：1 1的阻抗变换作用。的阻抗变换作用。iRSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4 图 2 19传输线变压器的运用举例a高频反相器;b 不平衡平衡变换器;c1 4 阻抗变换器;(d)3 分贝耦合器2.1.72.1.7、石英晶体谐振器、石英晶体谐振器 1.石英晶体的物理特性：石英是矿物质硅石的一种也可人工制造，化学成分是SiO2，其外形为结晶的六角锥体。图(a)表示自然结晶体，图(b)表示晶体的横截面。为了便于研讨，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，衔接两个角锥顶点的一根轴ZZ，称为光轴，在图(b)中沿对角线的三条XX轴，称为电轴，与电轴相垂直的三条YY轴，称为机械轴。Y X1 X Y Z Y Y X X Y Y X X Y Y X X(a)(b)沿着不同的轴切下，有不同的切型，X切型、Y切型、AT切型、BT、CT等等。石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿某一电轴遭到交变电场作用时，就能沿机械轴产活力械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因此存在着固有振动频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。石英晶体的特点：石英晶体的特点：等效电感等效电感LqLq特别大、等效电容特别大、等效电容CqCq特别小，因此，特别小，因此，石英晶石英晶体的体的Q Q值值 很大，普通为几万到几百很大，普通为几万到几百万。这是万。这是普通普通LCLC电路无法比较的。电路无法比较的。由于由于 ，这意味着等效电路中的接入系，这意味着等效电路中的接入系数很小数很小,因此外电路影响很小。因此外电路影响很小。qqqq1CLrQq0CCCoCgCoCg5Cg3CgLgLg3Lg5LgRg其其中中 C0晶晶体体静静态态电电容容,Cg:基基频频等等效效电电容容,Lg:等等效效电电感感,Rg:等等效效电电阻阻,一一般般:Lg很很大大,Cg值值很很小小,Q 值值可可达达百百万万(106)量量 级级,Rg不不大大 2.石英晶体振谐器的等效电路和符号石英晶体振谐器的等效电路和符号q1q3q5C0LqCqrqC0(a)(b)图 2 22 晶体谐振器的等效电路 (a)包括泛音在内的等效电路;(b)谐振频率附近的等效电路 0000011212121CCfCCCLCCCCLfCLfqqqqqqqqqqq(2 42)(2 43)2.石英晶体振谐器的等效电路和符号石英晶体振谐器的等效电路和符号)211(00CCffqq2 44 图 2 22(b)所示的等效电路的阻抗的普通表示式为 001)1()1(1CjCLjrCLjrCjZqqqqqqe在忽略rq后,上式可化简为 220220111qeeCjjXZ 2 45 图 2 23 晶体谐振器的电抗曲线 qqqeLCLddddXq2)1(fqf0电容性电容性电容性电容性电感性电感性 fXqO)211(00CCffqq图(b)所示的等效电路的阻抗的普通表示式为 001)1()1(1CjCLjrCLjrCjZqqqqqqe在忽略rq后,上式可化简为 220220111qeeCjjXZ 2 45 qqqeLCLddddXq2)1(xo 容性 O 容性 q 0 感性 由于由于Lq大大,即在即在q处电抗变化率大处电抗变化率大,可由下式表达可由下式表达2.22.2电子的噪声及其特性电子的噪声及其特性 噪声是一种随机信号，其频谱分布于整个无线电任噪声是一种随机信号，其频谱分布于整个无线电任务频率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要要素务频率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要要素之一。之一。干扰与噪声的分类：干扰与噪声的分类：自然自然(天电干扰、宇宙干扰和大天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等地干扰等)干扰干扰(普通指外部干扰普通指外部干扰)人为人为(工业干扰和无线电器的干工业干扰和无线电器的干扰扰)自然噪声自然噪声(热，闪烁，散粒等热，闪烁，散粒等噪声噪声(内部产生内部产生)人为噪声交流噪声，感应噪声，接人为噪声交流噪声，感应噪声，接触不良噪声等触不良噪声等本章主要讨论自然噪声，对工业干扰和天电干扰只做简本章主要讨论自然噪声，对工业干扰和天电干扰只做简单的单的阐明。阐明。2.3 电电 噪噪 声声 2.3.1 电子噪声的来源与特性 1).起伏噪声电压的平均值 dttvTvTnTnLim 01)(2.3 1 Vn(t)直流分量。为平均值。代表为起伏噪声电压，式中，)()(tvvtvnnn2).起伏噪声起伏噪声电压的方均值电压的方均值 nnnvtvtv)()(2.3 2202022211nTnnTnnnnvdtvtvTdttvTvtvtvTLimTLim)()()()(2.3 3某一时辰某一时辰t的的起伏强度为起伏强度为普通用均方值表示起伏普通用均方值表示起伏干扰的强度干扰的强度dttvTvTnTnLim)(0221dttvTPTn)(021dttvTPvTnTTnLimLim)(02212.3 4此式阐明了噪声的功率。此式阐明了噪声的功率。平均功率平均功率2.3 52.3 60dffSPdfffdffS)()(的平均功率为之间的平均功率。则总与分表示在若以2.3 7TnTndffSdttvTvLim00221)()(2.3 83起伏噪声的功率谱起伏噪声的功率谱S(f)f0nfkTRBvn42)(HZVkTRSu24RR(理想)E2n4 kTBRGI2n4 kTBG(a)(b)图 电阻热噪声等效电路 2244nnvkTRBvkTRfS)（4 电阻的热噪声电阻的热噪声2.3 102.3 92.3 11)(HZAkTGSi242.3 122.3 13噪声电压的有效值噪声电压的有效值方均电压谱密度方均电压谱密度方均电流谱密度方均电流谱密度 5)线性电路中的热噪声 TnnTTnTTnTnTnTTnTndttvtvTdttvTdttvTdttvtvTdttvTvLimLimLimLimLim021020120102211111)()()()()()()()()()(tvtvtvnnn21)(21212124RRkTBvvvnnn2.3 152.3 17结论：只需噪声源是相互独立，那么总噪声服从均方叠加原那么。即结论：只需噪声源是相互独立，那么总噪声服从均方叠加原那么。即 只需求出串联电阻值，就可求得总的噪声均方值。只需求出串联电阻值，就可求得总的噪声均方值。LrCLrCSUi 4kTrReXe(a)(b)(c)SUokTrCLrCSUo4)1()1(222热噪声经过线路电路的模型 热噪声经过线性网络热噪声经过线性网络UiUoSjHS2)(dfSvUon02)(jH传送函数传送函数2.3 182.3 19|H(j)|2U2iSUiU2oSUo2.3 20SUO和和Sui分别表示分别表示输出，输入端的噪输出，输入端的噪声电压谱密度。声电压谱密度。CjLjrCjjH11)(并联回路可以等效为并联回路可以等效为Re+jXe图图 c,如今看上述输出如今看上述输出噪声谱密度与噪声谱密度与Re、Xe的关系。的关系。eUeeekTRSCLrrCRCjLjrjwLrCjjXRo4)1()1(1)()(1222展开化简后得 与式 对比,可得 2.3 222.3 212.3 13 可以求出输出端的均方噪声电压为可以求出输出端的均方噪声电压为QfkTRfdffQRkTfkTrdffQCrfdSdfSvooUUn2421442110020020202)()()(式中，式中，R0为回路的并联谐振电阻。为回路的并联谐振电阻。6)噪声带宽 一个线性系统,其电压传输函数为H(j)。设输入一电阻热噪声,均方电压谱为SUi=4kTR,输出均方电压谱为SUo,那么输出均方电压v2n2为 dfjHkTRdfjHSdfSvUiUon20200224)()(设:|H(j)|的最大值为H0,那么20224HkTRBvnn等效噪声带宽等效噪声带宽Bn为为2020)(HdfjHBn2.3 232.3 24 如图 单振荡回路为例,计算其等效噪声带宽。设回路为高Q电路,谐振频率为f0，此回路的|H(j)|2可近似为 2022)2(1)1()(ffQCrjHo式中式中,f为相对于为相对于f0的频偏的频偏,由此可得等效噪声带宽为由此可得等效噪声带宽为QffdffQBn2)2(11020己知并联回路的己知并联回路的 3 dB带宽为带宽为B 0.7=f0/Q,故故7.07.057.12BBBn 2.晶体三极管的噪声 管内带电粒子的无规那么运动产生相应“无规那么电压和电流,构成管内噪声.012)(qIfS 散弹粒噪声散弹粒噪声 管内载流子随机起伏产生的噪声管内载流子随机起伏产生的噪声.2)分配噪声分配噪声 基区中载流子的复合具有随机性基区中载流子的复合具有随机性,即单位即单位时间内复合的载流子数目由起伏变化而产生的集电极电时间内复合的载流子数目由起伏变化而产生的集电极电流流,基极电流起伏噪声基极电流起伏噪声.3)闪烁噪声闪烁噪声 由于半导体资料及制造工艺程度呵斥的由于半导体资料及制造工艺程度呵斥的外表清洁处置不好引起噪声外表清洁处置不好引起噪声.其电流噪声谱密度与频率其电流噪声谱密度与频率成反比又称成反比又称 噪声噪声,不是白噪声不是白噪声.4)场效应管噪声场效应管噪声 沟道电阻产生的热噪声沟道电阻产生的热噪声.沟道热噪声沟道热噪声经过沟道和栅极电容的耦协作用在栅极上的感应噪声经过沟道和栅极电容的耦协作用在栅极上的感应噪声.2.3 24f1 2.3.2 噪声系数和噪声温度 1 噪声系数的定义 图 2 35 为一线性四端网络,它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比(S/N)i与输出端的信号噪声功率比(S/N)o的比值,即线性电路KPNFSiNiSoNo 图 2 35 噪声系数的定义 00NSNSii输出信噪比：输入信噪比：图中,KP为电路的功率传输系数(或功率放大倍数)。用Na表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出,思索到KP=o/Si,式(2.3 25)可以表示为线性电路KPNFSiNiSoNoooiioiFNSNSNSNSN)()(pioFKNNN(2.2 26)噪声系数噪声系数阐明：一个电路的噪声系数，等于该电路的输出噪声功率阐明：一个电路的噪声系数，等于该电路的输出噪声功率N0与规范与规范信号源在输出端产生的噪声功率信号源在输出端产生的噪声功率KPNi的比值。的比值。由于一个线性系统的输出噪声由于一个线性系统的输出噪声N0等于规范信号源等于规范信号源 所产生的噪声所产生的噪声功率功率KPNi与网络内部噪声与网络内部噪声Na之和，即之和，即2nvNoImageaiPNNKN0(2.2 27)ipaipapipioFNKNNKNKNKNNN1(2.2 28)oiFFNSNSLgLgNdBN)()(1010)(2.2 29)dBNNdBNNSNSFaFi010010即理想无内部噪声时，)()(2222nionoFnionoFIINUUN输出端开路时输出端开路时,总输出总输出.20nU20niU输出端开路时输出端开路时,理想网络的输入方均噪声电压理想网络的输入方均噪声电压.20nI20niI输出端短路时输出端短路时,总输出总输出.2噪声温度噪声温度 将线性电路的内部附加噪声折算到输入端将线性电路的内部附加噪声折算到输入端,此附此附加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效,这就是这就是“噪声温度。等效到输入端的附加噪声为噪声温度。等效到输入端的附加噪声为Na/KP,令令添加的温度为添加的温度为Te,即噪声温度即噪声温度,可得可得BkTKNepa 这样,式(2.28)可重写为TNTTTBkTBkTNBkTNFeeeieF)1(111(2.2 30)(2.2 31)(2.2 32)Te 表示网络噪声性能的另一种方法表示网络噪声性能的另一种方法,它和它和NF可以相互替代可以相互替代.都是表示都是表示网络噪声性能好坏的目的网络噪声性能好坏的目的.2.3.3 噪声系数的计算噪声系数的计算 1额定功率法 额定功率,又称资用功率或可用功率,是指信号源所能输出的最大功率,它是一个度量信号源容量大小的参数,是信号源的一个属性,它只取决于信号源本身的参数内阻和电动势,与输入电阻和负载无关,如图 所示。RSESRL RSISRSRL RS(a)(b)SSamSSamRIPREP22414额定功率增益额定功率增益KPm是指四端网络的输出额定功是指四端网络的输出额定功率率Psmo和输入额定功率和输入额定功率Psmi之比之比,即即smismoPmPPK 根据噪声系数的定义,分子和分母都是同一端点上的功率比,因此将实践功率改为额定功率,并不改动噪声系数的定义,那么kTBNNmoiFmipmmomosmomismiFNKNNPNPN由于由于Nmi=kTB,Nmo=KPmNmi+Nmn,所所以以 kTBKNkTBKNNpmmnpmmoF1Psim和和Psom分别为输入和输出的信号额定功率分别为输入和输出的信号额定功率.Nmi和和Nmo分别为输入和输出的噪声额定功率分别为输入和输出的噪声额定功率KPm为额定功率增益为额定功率增益Nmn为网络内部的最大输出噪声功率。为网络内部的最大输出噪声功率。也可以等效到输入端也可以等效到输入端,有有 式中,Nmoi=Nmo/KPm是网络额定输出噪声功率等效到输入端的数值。LKNpmF1L为网络的衰减系数为网络的衰减系数.(2.2 35)(2.2 36)(2.2 34)(2.2 33)设设:Nm0=kTB第一级NF1KPm1kTBN1第二级NF2KPm2No根据定义根据定义,级联后总的噪声系数为级联后总的噪声系数为图 2 39 级联网络噪声系数 kTBKNNPmF0 式中,No为总输出额定噪声功率,它由三部分组成:经两级放大的输入信号源内阻的热噪声;经第二级放大的第一级网络内部的附加噪声;第二级网络内部的附加噪声,即2120aapmpmNNKkTBKN级联四端网络的噪声系数级联四端网络的噪声系数(2.2 38)(2.2 37)第一级NF1KPm1kTBN1第二级NF2KPm2NokTBKNkTBKNNpmmnpmmoF1kTBKNNpmaF111由于网络内部的最大输出噪声功率由于网络内部的最大输出噪声功率kTBKNNkTBKNNpmFapmFa222111)1()1(级联后总输出噪声功率级联后总输出噪声功率N0由三部分组成由三部分组成信号源内阻热噪声两级放大后的输出信号源内阻热噪声两级放大后的输出第一级网络的内部噪声经第二级放大第一级网络的内部噪声经第二级放大后的输出后的输出3)第二级网络的内部噪声第二级网络的内部噪声Na2kTBKKpmpm2112aPmNKNoImagekTBKNNKkTBNKkTBNKKkTBKNNKkTBKNpmFFpmFpmFpmpmpmaapmpmo)1()1()1(221221212121211PmFFFKNNN整个系统的噪声系数整个系统的噪声系数(2.2 39)用同样的方法不难推出多级级联网络的噪声系数的公式为用同样的方法不难推出多级级联网络的噪声系数的公式为 21212111PmPmFPmFFFKKNKNNN 从式(2.2 39)可以看出,当网络的额定功率增益远大于1时,系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数。越是后面的网络,对噪声系数的影响就越小,这是由于越到后级信号的功率越大,后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了。因此,对第一级来说,不但希望噪声系数小,也希望增益大,以便减小后级噪声的影响。(2.2 39)例例 3 图图 2 40 是一接纳机的前端电路是一接纳机的前端电路,高频放大器和场效应高频放大器和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如下图。管混频器的噪声系数和功率增益如下图。试求前端电路的噪声系试求前端电路的噪声系数数(设本振产生的噪声忽略不计设本振产生的噪声忽略不计)。高频放大器NF13 dBKP1(dB)10 dBFET 混频器NF26.5 dBKP2(dB)9 dB本地振荡器至中放 图 2 40接纳机前端电路的噪声系数 47.41094.710210101065.029.023.0111FPFPKKKK)7.3(35.235.021121dBKNNNPFFF因此因此,前端电路的噪声系数为前端电路的噪声系数为 解解 将图中的噪声系数和增益化为倍数将图中的噪声系数和增益化为倍数,有有3 噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度 噪声系数是用来衡量部件(如放大器)和系统(如接纳机)噪声性能的。灵敏度就是坚持接纳机输出端信噪比一定时,接纳机输入的最小信号电压或功率(设接纳机有足够的增益)。2.2.5 噪声系数的丈量 1 采用噪声信号源的丈量方法 图 2 41 是丈量系统的构成。噪声信号源待测放大器辅助放大器均方电压表噪声系数为噪声系数为 oSFIRkTqkTBNN2