高频电子线路第1章.ppt

,第1章绪论高频电子线路,1.1通信系统概述1.2电子线路的分类1.3非线性电子线路的特点及分析方法1.4高频电子线路在无线电通信中的应用1.5无线电波的传播与波段的划分本章小结思考与练习题,通信是指将信息由一地传向另一地。现代通信的主要任务就是快速而准确地传输、交换和处理信息。随着通信技术的日益发展及电子器件的不断更新，实现通信的方式和手段越来越多，相对应的通信形式有有线通信、无线通信、微波通信、卫星通信等等。本书讨论的高频电子线路主要应用于无线通信系统。,现代通信通常是利用电信号来完成信息的传递过程的，所以我们通常谈论的通信实际上是指电通信。通信中所传递的信息有各种不同的形式，例如符号、文字、语音、图片、图像、数据等，相应地，也就产生了各种类型的通信业务，比如电报、电话、传真、数据传输、可视电话等。,1.1通信系统概述,根据电信号传输媒质的不同，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统。有线通信是指通过电线、电缆线、光缆线等有线媒质来传递信息，例如电话、有线电视、光纤通信均属有线通信。无线通信是指电信号利用电磁波的传播来完成信息的传输，例如无线广播、移动通信、卫星通信均属无线通信。无论哪一种通信系统，均可用图1-1所示的通信系统的模型(组成框图)来反映通信系统的共性。当然，根据所研究的对象和问题的不同，可以得到更为具体的系统模型。高频电子线路主要研究无线通信系统中发射设备和接收设备的工作原理和组成，着重讨论构成发射、接收设备的各种单元电路的工作原理、典型线路和分析方法。,图1-1通信系统的组成框图,输入变换装置通常用于将信源的输出变换成适合传输的电信号，如话筒可以将语音信号变换成电信号，摄像机可以将图像信号变换成电信号。输出变换装置的作用则是将接收到的电信号变换成适合用户接收的形式，如声音、图像等。通信系统的核心由三部分组成，即发射设备、传输信道和接收设备。这三部分的主要功能简述如下。,1.发射设备发射设备能够将电信号变换成适合信道传输的形式。比如，在无线电广播中，规定了各发射台的频率范围，发射设备把输入变换装置输出的电信号转换到适当的频率范围进行发射，这样各发射台发送的信号就不会相互干扰。发射设备一般采用调制方式实现这样的信号变换。所谓调制，是指用信息信号去改变载波信号的参数(如振幅、频率、相位)，使其随信息信号变化。在调幅发射设备中，就是用信息改变载波信号的振幅，使发送的信息信号包含在载波的振幅变化之中；在调频发射机中，发送的信息包含在载波的频率变化之中。,调制的类型很多，究竟采用何种调制方式，要结合所分配的带宽、信号在信道中传播时遭遇到的噪声和干扰类型，以及在发送之前进行信号放大所能采用的电子器件等来综合考虑。另外，调制还使得多个用户的信息可以在同一物理信道上同时发送，例如可利用载波频率的不同来区分用户。发射设备除了完成调制功能外，还应具备信号滤波、已调信号放大、信号辐射等功能。,2.传输信道传输信道是一种用于将来自发射机的信号传输到接收机的物理介质。在无线传输中，信道通常是自由空间；在有线传输中，信道可以采用多种物理介质，包括电线、电缆和光缆等。无论哪种物理介质，其基本特征是所传送的信号会被各种可能因素损伤，引起信号质量变差，如受到产生于接收机前端放大器的热噪声、接收天线接收的人为噪声、大气噪声等加性噪声的影响，再比如，在用于长距离短波无线传输的电离层无线信道上，存在会引起信号恶化的多径传播，这是一种非加性信号干扰，会使信号的振幅随时间的变化而变化，通常称之为衰落。,3.接收设备接收设备的功能是将信道传输的信号进行处理，恢复接收信号中包含的信息。如果信号通过载波调制发送，那么接收机必须通过解调从载波中提取信息。在信道传输和恢复信息的过程中会产生一定的干扰和失真，因此，接收设备恢复的信号也会有一定的失真。除了完成信号解调这一主要功能外，接收机还要完成信号的滤波、放大、噪声抑制等其它一系列功能。,本书所描述的通信系统，都基于信息信号具有连续的时变波形。这种连续时间信号波形是模拟信号。模拟信号通过载波调制直接在信道上发送，然后在接收端进行相应的解调，这样的通信系统称为模拟通信系统。当然，模拟信号还可以先转换成数字信号，再通过数字调制后发送，最后在接收端解调成数字信号。在某些应用中，发送的信息本身就是数字的，如计算机数据。这种传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。在数字通信系统中，发射设备和接收设备还具有以下功能：发射信号的离散化、接收信号的合成、信道的编码与译码、冗余度的消除等。限于篇幅，数字通信系统的工作原理等将不在本书中叙述。,通信系统的基本部件是由电子线路构成的。通常将包含有源器件的电路网络统称为电子线路。电子线路的分类方法很多，按工作频率的高低可分为低频电子线路、高频电子线路和微波电子线路；按传输的信号形式可分为模拟电子线路和数字电子线路；按器件的构成可分为分立元件电路和集成电路；按电子线路中所含元件的性质可分为线性电子线路和非线性电子线路。,1.2电子线路的分类,低频通常指频率低300kHz的范围，所有在这个频率范围内的电信号的产生、放大、变换和处理都属于低频电子线路的范畴。高频通常指频率在300kHz300MHz的范围，广播、电视、短波通信、移动通信等无线电设备都工作在这个频率范围。所有在这个范围的电信号的产生、放大、变换和处理都属于高频电子线路的范畴。,微波泛指频率高于300MHz的范围，卫星通信、微波中继通信、雷达、导航等设备都工作在这个频率范围。在这个频率范围内电信号的产生、变换和处理都属于微波电子线路的范畴。需要指出的是，工作频率不同，对有源器件的电性能、电子线路的工艺结构的要求都不尽相同。随着工作频率的提高，对有源器件上限频率的要求也随之提高，必须要考虑器件分布参量(如晶体管的极间电容、电极的引线电感、载流子的扩散漂移时间等)的影响。电子线路由集总参数电路变成了分布参数电路，需要考虑各级间的隔离、屏蔽，电源的馈送等因素。,线路中传输的信号可能是模拟信号，也可能是数字信号。一般将完成模拟信号的产生、放大、变换等技术处理的电子线路称为模拟电子线路，而将完成数字信号的运算、存储等技术处理的电子线路称为数字电子线路。在无线电技术的各个领域中，要根据不同的用途和要求选取不同的电路。例如射频放大一般都采用模拟电路，而完成计数、存储等功能则采用数字电路。,随着微电子技术的发展，集成电路技术日趋成熟，已成为未来电子线路发展的方向之一。与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、性能稳定、可靠性高、维修使用方便等优点。不过，由于频率响应和功率容量的限制，目前高频、大功率电子线路还是以分立元件电路为主。近年来，专用集成电路的发展非常迅速，如单片集成立体声收音机、两片集成电路结构的彩色电视接收机等。用于通信、雷达的专用集成电路芯片也已大量投入市场，新的产品正在不断地出现。,通常将由线性元件组成的电子线路称为线性电子线路，而将含有非线性元件的电子线路称为非线性电子线路。线性电路一般采用线性代数方程、线性微分方程来描述，而非线性电路则用非线性代数方程、非线性微分方程来描述。需要强调的是，通信系统中的电子线路通常是以半导体器件为核心的，半导体器件本质上是非线性器件，但在实际应用中，根据工作状态的不同，有时是作为非线性器件，而有时又可近似为线性器件，这要视具体场合而定。本书所研究的电子线路属于高频模拟电子线路，频率在300kHz300MHz范围，它主要由线性电路和非线性电路两大部分组成。,对于线性电路，通常采用小信号等效电路分析法，与低频线路的区别仅是采用的参数不同。非线性电路是高频电路的重要组成部分，也是分析的难点所在，在通信技术领域应用非常广泛。因此，在分析高频电子线路之前，有必要对非线性电子线路的特点及分析方法有一个初步的认识。,非线性电子线路与线性电路相比，具有以下几方面的特点：(1)非线性电子线路不具有叠加性，不能用叠加原理进行分析。例如某非线性电路的输出变量y与输入变量x之间的关系为平方律关系：yax2。当输入变量为x1时，输出变量为y1ax21；当输入变量为x2时，输出变量为y2ax22；当输入变量为k1x1k2x2时，输出变量为a(k1x1k2x2)2，而不是k1y1k2y2，即叠加原理不适用。,1.3非线性电子线路的特点及分析方法,(2)在稳定状态下，非线性电子线路输出变量中包含有输入变量中不具有的频率分量，即信号通过非线性电路后可以产生出新的频率成分。仍以平方律关系为例，当xsinw1t时，。可见，输入信号中仅有w1频率分量，而输出信号中包含有直流和2w1频率分量，这些新的频率分量都是通过非线性电路产生的。再如，当xsinw1tsinw2t时，,可见，输入信号中包含w1和w2频率分量，而输出信号中包含直流、2w1、2w2和w1w2的组合频率分量。(3)处于非线性状态工作的有源器件，如晶体三极管、场效应管等，它们的输出响应与器件工作点的选取和输入信号的大小有关。,(4)描述非线性器件的特性可用三种参量：静态参量(也称为直流参量)、动态参量(也称为交流参量)、折合参量(也称为平均参量)。用这三种参量综合起来描述一个非线性器件的工作状态。如晶体三极管在非线性状态下工作，它的跨导要用直流跨导、交流跨导和平均跨导三个参量来表述。直流跨导：静态工作点的电流与电压之比，即交流跨导：静态工作点处的电流增量与电压增量之比，即,平均跨导：集电极电流的某个谐波分量的幅值与输入电压幅值之比，即(5)非线性电子电路的数学描述是非线性方程。非线性微分方程的精确求解是一个难题，二阶以上的非线性微分方程还没有实用的求解方法，在工程上采用近似解法。随着计算机技术的发展，二阶以下的非线性微分方程可以采用计算机数值解法。,应该说高频电子线路的应用非常广泛，尤其在通信方面，信号的传输与处理都离不开高频电子线路。本书围绕高频电子线路在无线电通信方面的应用展开讨论，着重介绍构成发送设备、接收设备的各个单元电路的工作原理、分析方法及原理电路。,1.4高频电子线路在无线电通信中的应用,1.4.1发射设备的工作过程及基本原理1.声音信号的传输过程信息的表现形式多种多样，可以是符号、文字、语音、图片、图像、数据等等。这里我们仅以声音信号的传输过程为例，来介绍发射设备的工作过程和原理。人耳能听到的声音的频率约在20Hz20kHz左右，通常把这一频率范围称为音频。这种声波的频率较低，波长较长，在空气中传播的速度很慢，衰减很快，所以声音在空气中的传输距离非常有限。如何使声音传输得更远呢？首先需要把声音信号转换为电信号，常用的转换装置就是麦克风，从麦克风得到的电信号通常强度很小，,只有几毫伏到零点几伏，需要经过音频放大器放大。经过音频放大器放大后的信号可以利用导线传输，这就是有线广播。但如何实现音频信号的无线传输呢？我们把音频放大器输出的电信号加到天线上，能否实现无线传输呢？根据电磁辐射理论，只有当天线的尺寸和电信号的波长能够相比拟时，才能有效地辐射。声音信号的频率为20Hz20kHz，则波长为1510315106m，这样大尺寸的天线无法制造。即使存在这样的天线，可以把音频信号辐射出去，但各个电台发出的信号频率都是20Hz20kHz，在空间中将相互混合，使收听者无法正常接收信号。解决这个问题的方法是将音频信号调制后再发射，,即用要传送的音频信号去控制一个高频信号的参数，使其参数随音频信号的变化而变化，由于高频信号的频率很高，这样天线尺寸就可以减小。另外，对于不同的广播电台，可以采用不同的高频频率调制，这样彼此互不干扰。例如中央电视台新闻联播的载波频率为640kHz，重庆经济广播电台的载波频率为101.5MHz。用于调制的高频信号称为载波信号。从上面的描述可知，声音利用无线电波传输出去，首先把声音变成音频电信号，然后将这种低频信号装载在高频载波中，通过与高频载波波长相当的天线把信号有效地辐射到空间中去。,2.发射设备的组成发射设备的组成框图如图1-2所示。图1-2中振荡器的作用是产生高频的振荡信号，即载波信号，其频率为载波频率，一般我们收听广播时所说的频率就指的是载波频率。图1-2发射设备的组成框图振荡器产生的振荡信号往往还不能直接用做载波。要使振荡器的频率稳定度高，振荡器的频率就不能太高(这一点我们将在后面的章节中论述)，所以在振荡器之后，还需要使用倍频器，把载波频率提高到所需要的数值上。,中间放大器对倍频器输出的信号进行放大，提供给输出放大器足够的激励。输出信号的频率与输入信号的频率相同。调制器实际是音频放大器，对音频信号进行放大，以便在进行调制时有合适的调制信号幅度，使调制后的已调信号有合适的调制深度。输出放大器有两个作用：一是对载波进行幅度调制，得到经过调幅后的已调信号，调幅是在输出级进行的；二是对经过调幅后的已调信号进行功率放大，保证输出信号有足够大的功率。输出信号馈送到天线，由天线进行辐射。输出信号的功率大小决定了信号传输距离的远近。,由图1-2中所示的调幅发射机各点的波形可见，已调信号的幅度按照调制信号的变化规律变化，即经过调制后把调制信号(音频信号)加载在载波的幅度上。这种调制方式就称为调幅。以上描述的是调幅发射设备的组成框图。调制的方式很多，不同的调制方式，发射设备的组成框图也有所区别，比如调频发射设备的组成，这方面的内容我们将在后面的章节中介绍。,1.4.2接收设备的工作过程及基本原理接收设备的工作过程是发射设备工作过程的逆过程，它的基本任务是将接收天线上感应的已调信号接收下来，并将其还原为原来的信号，例如还原为原来的音频信号。接收空间中的电磁波的任务由接收天线来完成。空间中有很多发射台发送的信号，接收设备需要从众多的信号中选择所要接收的信号，因此在接收天线之后，应该有滤波电路。滤波电路的作用是把所需的电信号从众多的信号中选择出来，同时把不需要的信号滤除掉，以免产生干扰。,滤波电路的输出信号还不能直接加到耳机这样的终端设备上，因为滤波电路的输出信号是一个已调信号，载波频率较高，还必须先把它恢复成原来的音频信号。这种从调幅波中还原出原来的音频信号的部件叫做解调器。对调幅信号的解调，叫做检波；对调频信号的解调，叫做鉴频；对调相信号的解调，叫做鉴相。在以后的章节中，我们将较为详细地对检波器、鉴频器、鉴相器进行讨论和分析。现代接收设备广泛采用超外差方案。超外差式调幅接收机的组成框图如图1-3所示。,图1-3超外差式调幅接收机的组成框图,超外差式调幅接收机的主要特点是：把高频已调信号的载波频率变为较低的固定不变的中频已调信号，利用中频放大器进行放大，然后进行检波。高频放大器的放大倍数并不大，由一级高频放大器即可完成，接收机整机的增益主要由中频放大器决定。当接收机改变接收频率时，只需改变滤波电路、高频放大器、变频器的谐振频率，保持固定的中频频率，这样使中频放大器的选择性与增益和接收的载波频率无关，从而提高整机的灵敏度。,得到固定的中频频率的任务由变频器来完成。后面的章节中我们将会讲到，变频器由混频器和本地振荡器构成。本地振荡器产生的振荡信号，通常叫做外差信号。当接收机欲接收的高频信号的载波频率发生变化时，本地振荡器的振荡频率同样发生变化，使两者的差频(中频)频率固定不变。由于变频后的载波频率是固定的，因此中频放大器的谐振回路不需要随时调整，无论信号频率怎么变化，中频总是不变的，选择性也容易做得更好，这是超外差式调幅接收机的主要优点。,以上我们简要地介绍了无线电发射设备和接收设备的组成框图，分析了发射和接收的基本过程及原理。虽然是基于模拟信号中的语音信号进行分析的，但它具有代表意义。考虑到数字通信系统的组成框图与模拟通信系统的大体相同，这里不再赘述。,无线电波从发送端经过无线信道传输到达接收端。无线电波的传播方式主要有三种，即地面波传播、天波传播和空间波传播，下面分别进行简单介绍。,1.5无线电波的传播与波段的划分,1.地面波传播地面波传播是指电波沿地球表面的传播，也称为绕射或表面波传播。虽然地球的表面是弯曲的，但电磁波具有绕射的特点，其传播距离与大地损耗有密切的关系，工作频率愈高，衰减就愈大，传播的距离就愈短。所以利用绕射方式传播时，采用长、中波比较合适，由于地面的电性能在较短时间内的变化不大，因此电磁波沿地面的传播比较稳定。,2.天波传播天波传播是利用电离层的反射而进行的传播。在太阳的照射下，大气层上部的气体将发生电离，产生自由电子和离子，被电离了的这部分大气层称为电离层。由于太阳辐射强度、大气层密度及大气成分在空间的分布不均匀，因此整个电离层形成层状结构。在距离地面高度约100km的高空，有厚约20km的电离层，称为E层；在距离地面高约200400km处，有电离层F层。一般中波在夜间可经E层反射而传播，短波则经F层反射而传播，而由于超短波频率过高，电离层的离子、电子密度又不够大，故超短波都穿透电离层传播到宇宙空间而不能被反射回地面。,例如，对于频率为230MHz的电磁波，由于频率较高，用地面波传播时衰减很快，因此它主要靠天空中的电离层的反射传播。电磁波到达电离层后，一部分能量被吸收，一部分能量被反射回地面，故它同样存在衰耗的问题。另外，经过电离层反射后到达接收端的信号，可能是由不同的路径到达的，所以还存在多径传播的问题。,3.空间波传播空间波传播是指电磁波由发射天线直接辐射至接收天线，也称为直射。由于经地面及建筑物等反射的电磁波亦能抵达接收天线，故空间波实际上是直射波和反射波的合成，也存在多径传播的现象。例如对于30MHz以上的电磁波，由于频率非常高，地面波传播的衰减很大，电磁波穿入电离层也很深，不能反射回地面，因此不能采用地面波和天波传播，这种情况下就主要采用空间波传播，由发射天线直接辐射至接收天线，沿空间直线传播。,发射天线和接收天线的高度将影响这种直射传播的距离，即空间波的传播距离受限于视距范围。发射天线和接收天线越高，传播距离也越远。理论计算和实际经验表明，当发射天线和接收天线的高度为50m时，传播距离约为50km。图1-4是无线电波的三种传播方式示意图。从以上简述的电波的三种传播方式及其特点可以看出，为了有效地传输信号，不同波段的信号采用不同的传播方式。长波信号以地面波传播为主，中波和短波信号可以以地面波和天波两种方式传播。不过，中波信号以地面波传播为主，短波信号以天波传播为主。超短波以上频段的信号大多以空间波传播(直射)，也可以采用对流层散射方式传播。,图1-4无线电波的三种传播方式示意图,需要强调指出的是，无线电波的传播中一般只有高频(射频)信号才适于天线辐射。理论和实践都证明：只有当天线的尺寸大到可以与信号波长相比拟时，天线才具有较高的辐射效率。无线电波的频率范围很宽，从几十千赫兹至几万兆赫兹的电磁波都属于无线电波。为了进行分析和应用，习惯上将无线电波的频率范围划分成若干个区域，即对频率或波长进行分段，称为频段或波段。,无线电波在空间传播的速度是3108m/s。电波在一个振荡周期T内的传播距离称为波长，用符号l表示。波长l、频率f和电磁波传播速度c的关系可用下式表示：(1-1)这是电磁波的一个基本关系式。已知电磁波的频率，利用式(1-1)就可以计算出波长。,表1-1为无线电波的频(波)段划分表。无线电波按波长的不同划分为超长波、长波、中波、短波、超短波(米波)、分米波、厘米波、毫米波等。其中米波和分米波有时称为超短波。如果按频率的不同划分，可划分为极低频、超低频、特低频、甚低频、低频、中频、高频、甚高频、特高频、超高频、极高频和至高频等频段。目前，无线电广播、电视常用的频段是：中波广播的频段为5351605kHz，短波广播的频段为224MHz，调频广播的频段为88108MHz。电视广播使用的频段包括甚高频段和特高频段。甚高频段有12个频道，其频率范围是：15频道为48.592MHz，612频道为167223MHz。特高频段有56个频道，其频率范围是470958MHz。,表1-1中有一个高频段，其频率范围为330MHz，这是高频的狭义定义。本书涉及的频段是从中频到超高频的频率范围。,表1-1无线电波频(波)段的划分及其用途,无线电波各波段的特点是有明显差别的。例如，从使用的元器件以及电路结构和工作原理等方面来说，中波、短波和超短波基本相同，但它们和微波波段则有明显的区别。前者采用的元器件大都是通常的电阻、电容、电感、晶体二极管、三极管、场效应管等，而后者采用的是同轴线、光纤和波导等，器件方面除采用晶体管、场效应管外，还需要速调管、行波管、磁控管等特殊器件。微波波段又可划分成几个分频段，其具体划分如表1-2所示。,表1-2SHF和EHF频段的具体划分,本章主要描述了无线通信系统的组成和工作过程。(1)无线通信系统由输入变换装置、发射设备、传输信道、接收设备以及输出变换装置所组成，本章重点分析了发射设备和接收设备的组成。(2)结合电子线路的分类，本书主要研究高频、模拟、非线性和时变电子线路。,本章小结,(3)由于本书中涉及到很多非线性电路，因此本章对非线性电路的特点作了如下归纳：非线性电子线路不具有叠加性，不能用叠加原理进行分析。在稳定状态下，非线性电子线路输出变量中包含有输入变量中不具有的频率分量。处于非线性状态工作的有源器件，如晶体三极管、场效应管等，它们的输出响应与器件工作点的选取和输入信号的大小有关。,描述非线性器件的特性可用三种参量：静态参量(也称为直流参量)、动态参量(也称为交流参量)、折合参量(也称为平均参量)。非线性电子电路的数学描述是非线性方程。,(4)发射设备由高频振荡器、倍频器、中间放大器、输出放大器、调制器、天线、电源等构成。(5)介绍接收设备的原理时主要分析了超外差式调幅接收机的组成，主要包括天线、高频小信号谐振放大器、变频器、中频小信号谐振放大器、解调器、低频功率放大器、终端等。(6)无线电波传播的方式可分为地面波传播、天波传播和空间波传播。可以按照频率(波长)的不同将无线电波划分成不同的频段(波段)，不同频段(波段)的无线电波具有不同的特点和用途。,1.1非线性电子线路有哪些特点？1.2调幅接收机为什么要检波？请大致画出检波部件输入端和输出端的波形。1.3试画出调幅发射机的组成框图，并画出各组成部件输入端和输出端的波形。1.4画出超外差式调幅发射机的组成框图，并画出各组成部件输入端和输出端的波形。1.5无线通信系统为什么要进行调制？,思考与练习题,1.6中波广播波段的波长范围是187560m，求对应的频率范围。若要避免邻近电台的干扰，则两个相邻电台的载波频率至少应相差10kHz，那么在此波段中最多能容纳多少电台同时广播？1.7FM广播、TV、导航及移动通信均属于什么波段的通信？1.8频率为330MHz的频段称为什么频段？它对应的波长是多少？又称为什么波段？1.9C波段与Ku波段所对应的频率范围是多少？,