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2.2.3,石英晶体谐振器,2.2.4,集中滤波器,2.2.5 高频衰减器与匹配器,作业：2.7 2.10,第二章 高频电路基础,2.2.3 石英晶体谐振器（石英振子）,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SiO,2,，其形状为结晶的,六角锥体,。图(a)表示自然结晶体，图(b)表示晶体的横截面。,为了便于研究，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，,连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,。,石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿,某一电轴,受到交变电场作用时，就能,沿机械轴,产生机械振动，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，因而存在着,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。,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。,2.,等效电路、符号及阻抗特性,石英片相当一个,串联谐振电路,，可用集中参数,L,q,、,C,q,、,r,q,来模拟，,L,q,为晶体的,质量（惯性），,C,q,为,等效弹性模数,，,r,g,为机械振动中的,摩擦损耗,。,右图表示石英谐振器的,基频等效电路,。,电容C,0,称为石英谐振器的静电容。其容量主要决定于石英片尺寸和电极面积。,一般C,0,在几PF 几十PF。式中,石英介电常数，,s,极板面积，,d,石英片厚度.接入系数为,C,0,r,q,C,q,L,q,J,T,b,a,r,q,L,q,C,q,C,o,a,b,石英晶体的特点是：,等效电感,L,q,特别大、等效电容,C,q,特别小，因此，石英晶,体的,Q,值 很大，一般为几万到几百万。这是,普通LC电路无法比拟的。,由于 ，这意味着等效电路中的,接入系数很小,因此,外电路对它影响很小,。,晶体的内部参数受外界因素（温度、振动）的影响很,小，谐振频率很稳定。,石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的,串联谐振角频率,q,，即石英片本身的,自然角频率,。另一个为石英谐振器的,并联谐振角频率,0,。,串联谐振频率,并联谐振频率,显然,接入系数p很小，一般为10,-3,数量级，所以,0,与,q,很接近。,阻抗特性（石英谐振器的等效电抗）,上式忽略 r,q,后可简化为,（1）当,=,q,时,z,0,=0 L,q,、C,q,串谐谐振，当,=,p,，z,0,=,回路,并谐谐振,。,（2）当,为,容性,。,（3）当 时,z,0,=,jx,0,为,感性,。其电抗曲线如上图所示。,石英晶体滤波器工作时，,石英晶体两个谐振频率之间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度,。,必须指出，在,q,与,p,的角频率之间，谐振器所呈现的等效电感（数值非常大），,并不等于石英晶体片本身的等效电感,L,q,。,等效电感为,为了展宽通带宽度，通常的办法是,用电感与石英谐振器相串联或并联,。,把滤波器做成一个整体器件，构成集中滤波器,1.陶瓷滤波器,利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，称为陶瓷滤波器。它常用锆钛酸铅Pb(ZrTi)O,3,压电陶瓷材料（简称PZT）制成。,这种陶瓷片的两面用银作为电极，经过直流高压极化之后具有和石英晶体相类似的压电效应。,优点：容易焙烧，可制成各种形状；适于小型化；且耐热耐湿性好。,它的等效品质因数,Q,L,为几百，比石英晶体低但比LC滤波器高.,集中滤波器,(LC式、晶体、陶瓷、声表滤波器),符号及等效电路,图中,C,0,等效为压电陶瓷谐振子的固定电容；,L,q,为机械振动的等效质量；,C,q,为机械振动的等效弹性模数；,R,q,为机械振动的等效阻尼；其,等效电路与晶体相同,。,并联谐振频率,式中，,C,为,C,0,和,C,8,串联后的电容。,其串联谐振频率,C,o,R,q,C,q,L,q,2,L,陶瓷滤波器电路,四端网络陶瓷滤波器（由双电极或三电极陶瓷滤波器构成）：,如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式，即为,四端（二端口网络）,陶瓷滤波器。图,(a),为由二个谐振子组成的滤波器，图,(b),为由五个谐振子组成四端滤波器。,谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好,。图（,C,）为四端陶瓷滤波器（三电极陶瓷滤波器）,2,L,2,2,L,1,(a),(b),2,L,2,2,L,1,(a),图（a）选中心频率为串臂的串联谐振和并臂的并联谐振频率，串臂的并联谐振和并臂的串联谐振分别为上下截止频率.,声表面波滤波器SAWF（Surface Acoustic Wave Filter）是一种以,铌酸锂,、,石英,或,锆钛酸铅,等压电材料为衬底（基体）的一种电声换能元件。,结构与原理：,声表面波滤器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会产生交变电场。,2.声表面波滤波器（SAWF）,声表面波滤器的滤波特性，如中心频率、频带宽度、频响特性等一般由叉指换能器的几何形状和尺寸决定。这些几何尺寸包括叉指对数、指条宽度,a,、指条间隔,b,、指条有效长度,B,和周期长度,M,等。上图是声表面波滤波器的基本结构图。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是声面波。在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信号。,换能器的指宽a，指与指之间间距b决定声波波长.相邻两极的电场相位差为180，当不同极指相邻指极的间距为声波长的一半时，声波经传输延时的相位差刚好是180度，便形成同向叠加。偏离此波长的其他频率，便会相互抵消，因此可以实现滤波作用。,声表面波滤波器的符号如图(a)所示，图(b)为它的等效电路.,其左边为发送换能器，,i,s,和G,s,表示信号源。,G,中消耗的功率相当于转换为声能的功率。右边为接收换能器，,G,L,为负载电导，,G,L,中消耗的功率相当于再转换为电能的功率。,声表面滤波器的符号与等效电路,符号及等效电路,入,出,(a),G,C,G,s,I,s,G,L,G,C,(,b,),工作频率高，中心频率在10MHz1GHz之间，且频带宽，相对带宽为0.5%25%。,尺寸小，重量轻。动态范围大，可达100dB。,由于利用晶体表面的弹性波传送，不涉及电子的迁移过程所以抗辐射能力强。,温度稳定性好。,选择性好，矩形系数可达1.2。,在电视机的中频通道电路中作为中频通道滤波器使用，实现集中滤波功能，免调试。,声表滤波器的主要特点：,3.薄膜体声（FBAR,薄膜体声波谐振器,）滤波器,这是一种体积更小、损耗更低、Q值更高、使用频率更高（高达20G）,新型滤波器。且结构与半导体技术工艺兼容，便于射频集成电路（RFIC）,的集成。在3G技术广泛应用。,利用高频衰减器可以调整信号传输通道上的信号电平。,高频衰减器分为,固定,衰减器,和,高频,可变(调),衰减器,两种。,除了微波衰减器可以用其他形式构成外，高频衰减器通常,都用,电阻网络,、,开关电路,或,PIN二极管,实现。,分固定衰减器和可变衰减器。器件的终端阻抗和线路的匹,配阻抗通常是50欧和75欧。,类似于滤波电路，固定衰减器有L型、T型和,型。,表2-1 列出了50和75两种,。,2.2.5 高频衰减器,将固定电阻换成可变电阻或,开关电路或使用PIN二极管，就构成可变（或电调）衰减器。,2.3,阻抗变换和阻抗匹配,如果相连接的两部分高频电路阻抗匹配，则可以直接相连。但如果阻抗不匹配，就需要用高频匹配器或阻抗变换器来连接。,在高频电子线路中，经常要在信号源与电路、输出与负载、级间进行阻抗变换和阻抗匹配。其目的是使负载得到最大功率，滤波器得到最佳性能，接收机的灵敏度得到改善，发射机的效率得到提高。,有LC网络阻抗变换、带抽头的并联谐振电路阻抗变换、变 压器阻抗变换、电阻网络阻抗变换。,2.3.1 振荡回路的阻抗变换,利用带抽头的并联振荡回路，实现阻抗变换。另外，耦合,振荡回路中改变互感M，改变其反映阻抗。,2.3.2 LC网络阻抗变换,以串-并联阻抗变换为基础，有L型、,型、T型和型阻,抗匹配网络。,下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数Q值很低(通常Q10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用T型或,型网络作匹配之用。,2.L型网络阻抗变换,下图是两种,形网络是其中的形式之一(也可以用,T,型网络)。图中,R,L,代表终端(负载)电阻，,R,P,代表由,R,L,折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。,形网络,下图是两种,形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络)。图中,R,2,代表终端(负载)电阻，,R,1,代表由,R,2,折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。,T,型网络,2.4 电子噪声,噪声是一种,随机信号,，其频谱分布于整个无线电工作频率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。,噪声和干扰是两个不同的术语，但没有本质的区别。习惯上，将外部的称为干扰，内部的称为噪声。,干扰与噪声的分类如下：,（,1,）干扰一般指外部干扰，可分为,自然,的和,人为,的干扰。自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。人为干扰主要有工业干扰和无线电器的干扰。,（,2,）噪声一般指内部噪声，也可以分为自然的和人为的噪声。本章主要讨论,自然噪声,，对工业干扰和天电干扰只做简略的说明。,抑制干扰的措施是消除、切断和躲避干扰。,理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但是因为通常电子噪声的强度很弱，因此它的影响主要出现在有用信号比较弱的场合，在电子线路中，噪声来源主要有两方面：电阻热噪声和半导体管噪声，两者有许多相同的特性。,1.电阻的热噪声,电阻由导体等材料组成，导体内的自由电子在一定的温度下总是处于“无规则”的热运动状态，这种热运动的方向和速度都是随机的。自由电子的热骚动在导体内形成非常弱的电流。,2.4.2 噪声的来源和特点,电阻热噪声作为一种起伏噪声，具有极宽的,频谱,，从,零频一直延伸到10,1213,Hz,以上的频率，而且它的各个频率分量的强度是相等的。这种频谱与白色光的光谱类似，因此将具有均匀连续的噪声叫做,白噪声,，电阻的热噪声就是一种白噪声。,(1)热噪声电压和功率谱密度,当电阻的温度为T(K)时，电阻,两端噪声电压的,均方值,为（奈,奎斯特公式）,为了方便计算，引入,噪声电压谱密度,和,噪声电流谱密度,，,分别,定义,为：,单位频带内的噪声,电压和噪声电流均方值。,（2）线性电路中的热噪声,多个电阻的热噪声,热噪声通过线性网络,对于并联谐振电路，电路的传输函数为,并联谐振回路的阻抗为：,阻抗的实部为：,因此，可得到噪声功率密度为：,重要结论,：对于线性二端网络，,其噪声电压或电流谱密度S,U,（或,S,I,）可用等效电阻Re(或Ge)表示。,输出端的噪声电压均方值为,噪声带宽,假设有一等效噪声带宽,B,0,对应最大传输,H,0,此时的输出噪,声电压均方值为,对于并联谐振回路，等效噪声带宽为,3.2.2 二极管的噪声,晶体二极管工作状态可分为,正偏,和,反偏,两种。,正偏,使用时，主要是直流通过pn结时产生,散粒噪声,。,反偏,使用时，因反向饱和电流很小，故其产生的散粒噪声也小，如果达到反向击穿（如稳压管），又分两种情况：,齐纳击穿二极管,主要是散粒噪声，个别的有1/f噪声(闪烁噪声)。雪崩击穿二极管的噪声较大，除有散粒噪声，还有多态噪声，即其噪声电压在两个或两个以上不同电平上进行随机转换，不同电平可能相差若干个毫伏。这种多电平工作是由于结片内杂质缺陷和结宽的变化所引起。,硅二极管工作电压在4V以下是齐纳二极管，7V以上的是雪崩二极管，4V7V之间两种二极管都有。为了低噪声使用，最好选用低压齐纳二极管。,3.2.3 晶体三极管的噪声,晶
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