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1、高频电子线路李福勤第二章本讲稿第一页，共三十二页2.1 高频电路中的元器件o 各种高频电路基本上是由各种高频电路基本上是由有源器件有源器件、无源元件无源元件和和无无源网络源网络组成的。组成的。o o 高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同，但是注意它们在高频使用时的高频元器件基本相同，但是注意它们在高频使用时的高频特性。特性。高频电路中的元件主要是电阻（器）、电容器）高频电路中的元件主要是电阻（器）、电容器）和电感（器）和电感（器）,它们都属于无源的线性元件。高频电路它们都属于无源的线性元件。高频电路中完成信中完成信 号的放大，非线性
2、变换等功能的有源器件主号的放大，非线性变换等功能的有源器件主要是二极管，晶体管和集成电路。要是二极管，晶体管和集成电路。本讲稿第二页，共三十二页2.1.1高频电路中的元件o1.电阻器电阻器o 一个实际的电阻器，在一个实际的电阻器，在低频低频时主要表时主要表现为电阻特性，但在现为电阻特性，但在高频高频使用时不仅表现有使用时不仅表现有电阻特性电阻特性的一面，而且还表现有的一面，而且还表现有电抗特性电抗特性的的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。一个电阻性。一个电阻R的高频等效电路如图所示，的高频等效电路如图所示，其中其中CR为分布电容，为分布电容，LR为
3、引线电感，为引线电感，R为电为电阻。阻。本讲稿第三页，共三十二页电阻的高频等效电路电阻的高频等效电路CRRLR本讲稿第四页，共三十二页o2.电感线圈的高频特性电感线圈的高频特性 o 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的的特性外，还具有一定的特性外，还具有一定的损耗电阻损耗电阻r和和分布电分布电容容。在分析一般长、中、短波频段电路时，。在分析一般长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈的等效电路可以表示为电感的等效电路可以表示为电感L和电阻和电阻r串联。串联。本讲稿第五页，共三十二页电感线圈的串联等效电路电感
4、线圈的串联等效电路rL本讲稿第六页，共三十二页o电阻电阻r随频率增高而增加，这主要是随频率增高而增加，这主要是集肤效集肤效应应的影响。所谓的影响。所谓集肤效应集肤效应是指随着工作频率是指随着工作频率的增高，流过导线的交流电流向导线表面集的增高，流过导线的交流电流向导线表面集中这一现象，当频率很高时，导线中心部位中这一现象，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，电阻效面积较直流时大为减小，电阻r增大。工增大。工作频率越高，圆环的面积越
5、小，导线电阻就作频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越大。越大。本讲稿第七页，共三十二页o 在无线电技术中通常不是直接用等效电在无线电技术中通常不是直接用等效电阻阻r，而是引入线圈的，而是引入线圈的品质因数品质因数这一参数来这一参数来表示线圈的损耗性能。表示线圈的损耗性能。o 品质因数定义为品质因数定义为无功功率无功功率与与有功功率之有功功率之比比:(2.1.1)本讲稿第八页，共三十二页 设流过电感线圈的电流为设流过电感线圈的电流为I，则电感，则电感L上的上的无功功率为无功功率为I2L，而线圈的损耗功率，即电阻，而线圈的损耗功率，即电阻r的消耗功率为的消耗功率为I2r，故由式（，故由式（2.1
6、.1）得到电感的）得到电感的品质因数品质因数(1.1.2)本讲稿第九页，共三十二页 在电路分析中，为了计算方便，有时需要在电路分析中，为了计算方便，有时需要把电感与电阻串联形式的线圈等效电路转换把电感与电阻串联形式的线圈等效电路转换为电感与电阻的并联形式。为电感与电阻的并联形式。下图中的下图中的LP、R表示并联形式的参数。表示并联形式的参数。本讲稿第十页，共三十二页(2.1.3)电感线圈串、并联等效电路电感线圈串、并联等效电路 根据等效电路的原理，在左图中根据等效电路的原理，在左图中1-2两端的导纳应等于右图中两端的导纳应等于右图中1-2两端的导纳，即两端的导纳，即rL12RLP12本讲稿第十
7、一页，共三十二页 由上式，并用式由上式，并用式(2.1.2)就可以得到就可以得到 (1.1.4)由上述结果表明，由上述结果表明，一个高一个高Q Q电感线圈，其等效电路可以表示为串联电感线圈，其等效电路可以表示为串联形式形式,也可以表示为并联式行。在两种形式中，电感值近似不变，串也可以表示为并联式行。在两种形式中，电感值近似不变，串联电阻与并联电阻的乘积等于感抗的平方。联电阻与并联电阻的乘积等于感抗的平方。当当Q 1时，则时，则本讲稿第十二页，共三十二页由式由式(2.1.4)看出，看出，r越小越小R就越大，即损耗小，反之，则损耗就越大，即损耗小，反之，则损耗大。大。一般地，一般地，r为几欧的量级
8、，变换成为几欧的量级，变换成R则为几十到几百千欧。则为几十到几百千欧。Q 也可以用并联形式的参数表示。也可以用并联形式的参数表示。由式由式(2.1.4)有有 上式代入上式代入(2.1.2)得得 上式表明，若以并联形式表示上式表明，若以并联形式表示Q时，则为并联电阻与感抗之比。时，则为并联电阻与感抗之比。本讲稿第十三页，共三十二页3.电容器的高频特征电容器的高频特征一个实际的电容器除表现电容特性外，也具一个实际的电容器除表现电容特性外，也具有损耗电阻和分布电感。有损耗电阻和分布电感。在分析一般米波以在分析一般米波以下频段的谐振回路时，常常只考虑电容和损下频段的谐振回路时，常常只考虑电容和损耗。耗
9、。电容器的等效电路也有两种形式，如图电容器的等效电路也有两种形式，如图所示。所示。电容器的串、并联等效电路电容器的串、并联等效电路rCp本讲稿第十四页，共三十二页 为了说明电容器损耗的大小，引入为了说明电容器损耗的大小，引入电容器的品质因数电容器的品质因数Q，它等，它等于容抗与串联电阻之比于容抗与串联电阻之比(2.1.5)(2.1.6)若以并联等效电路表示，则为并联电阻与容抗之比。若以并联等效电路表示，则为并联电阻与容抗之比。本讲稿第十五页，共三十二页 电容器损耗电阻的大小主要由介质材料决电容器损耗电阻的大小主要由介质材料决定。定。Q值可达几千到几万的数量级，与电感值可达几千到几万的数量级，与
10、电感线圈相比线圈相比,电容器的损耗常常忽略不计。电容器的损耗常常忽略不计。本讲稿第十六页，共三十二页 同理，可以推导出上图串、并联电路的变换式同理，可以推导出上图串、并联电路的变换式:当当Q 1时，它们近似式为时，它们近似式为本讲稿第十七页，共三十二页 上面分析表明，一个实际的电容器，其上面分析表明，一个实际的电容器，其等效电路可以表示为串联形式，也可以表示等效电路可以表示为串联形式，也可以表示为并联形式。为并联形式。两种形式中电容值近似不变，两种形式中电容值近似不变，串联电阻和并联电阻的乘积等于容抗的平方。串联电阻和并联电阻的乘积等于容抗的平方。本讲稿第十八页，共三十二页2.1.22.1.2
11、高频电路中的有源器件高频电路中的有源器件 从原理上看，用于高频电路的各种有源器件，与用于低频或其他从原理上看，用于高频电路的各种有源器件，与用于低频或其他电子线路的器件没有根本不同。电子线路的器件没有根本不同。只是由于工作在高频范围，对器件的某些性能要求更高。只是由于工作在高频范围，对器件的某些性能要求更高。随着半随着半导体和集成电路技术的高速发展，能满足高频应用要求的器件越来越导体和集成电路技术的高速发展，能满足高频应用要求的器件越来越多，也出现了一些专门用途的高频半导体器件。多，也出现了一些专门用途的高频半导体器件。本讲稿第十九页，共三十二页1.1.二极管二极管 半导体二极管在高频中主要用
12、于检波、调制、解调及混频半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中，工作在低电平。因此主要用点接触式二等非线性变换电路中，工作在低电平。因此主要用点接触式二极管和表面势垒二极管极管和表面势垒二极管(又称肖特基二极管又称肖特基二极管)。两者都利用多数载。两者都利用多数载流子导电机理，它们的极间电容小，工作频率高。流子导电机理，它们的极间电容小，工作频率高。本讲稿第二十页，共三十二页变容二极管的记忆电容变容二极管的记忆电容Cj与外加反偏电压与外加反偏电压U之间呈非线性关之间呈非线性关系。变容二极管在工作时处于反偏截止状态，基本上不消耗能系。变容二极管在工作时处于反偏截止状
13、态，基本上不消耗能量，噪声小，功率高。量，噪声小，功率高。将它用于振荡回路中，可以做成电调谐将它用于振荡回路中，可以做成电调谐器，也可以构成自动调谐电路等。器，也可以构成自动调谐电路等。变容管若用于振荡器中，可以通过改变电压来改变振荡变容管若用于振荡器中，可以通过改变电压来改变振荡信号的频率。这种振荡器称为压控振荡器信号的频率。这种振荡器称为压控振荡器(VCO)，压控振荡器是锁，压控振荡器是锁相环路的一个重要部件。相环路的一个重要部件。本讲稿第二十一页，共三十二页 2.2.晶体管与场效应管晶体管与场效应管 在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和多种场效应管，这些管在高频中应用的晶体管仍然是双极
14、晶体管和多种场效应管，这些管子比用于低频的管子性能更好，在外形结构方面也有所不同。子比用于低频的管子性能更好，在外形结构方面也有所不同。本讲稿第二十三页，共三十二页 高频晶体管有两大类型：高频晶体管有两大类型：一类是做小信号放大的高频小功率管，对一类是做小信号放大的高频小功率管，对它们的主要要求是高增益和低噪声；另一类为高频功率放大管，除了增它们的主要要求是高增益和低噪声；另一类为高频功率放大管，除了增益外，要求其在高频有较大的输出功率。益外，要求其在高频有较大的输出功率。本讲稿第二十四页，共三十二页3.集成电路集成电路 用于高频的集成电路的类型和品种要比用于高频的集成电路的类型和品种要比用于
15、低频的集成电路少得多用于低频的集成电路少得多,主要分为通用主要分为通用型和专用型两种。型和专用型两种。目前通用型的宽带集成放大器，工作频目前通用型的宽带集成放大器，工作频率可达一、二百兆赫兹，增益可达五、六十率可达一、二百兆赫兹，增益可达五、六十分贝，甚至更高。分贝，甚至更高。用于高频的晶体管模拟乘用于高频的晶体管模拟乘法器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。法器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。本讲稿第二十五页，共三十二页2.2 天线天线 o2.2.1 天线的作用及分类天线的作用及分类 o1.天线的作用o从通信系统传递信息过程来看，天线的作用主要有：o（1）完成高频电流或导行波与空间无线电波能量之
16、间的转换，因此，称天线为能量转换器。o（2）为了有效地完成这种能量转换，要求天线是一个良好地“电磁开放系统”，还要求天线与它的源或负载匹配。o（3）天线的选择与设计是否合理，对整个无线电通信系统的性能有很大影响。若天线的选择与设计不当，就可能导致整个通信系统不能正常工作。因此，为了有效地利用信息能量，保证信息传递的质量，要求发射天线尽可能只向需要的方向辐射电磁波，接收天线也只接收指定方向的来波，尽量减少其他方向的干扰和噪声。人们把天线的这种辐射和接收电波能量与方向有关的性能称为天线的方向特性。不同的无线电设备对天线的方向特性要求是不同的。o（4）天线应能发射和接收预定极化的电磁波，并应有足够的
17、工作频率范围。本讲稿第二十六页，共三十二页o2.天线的分类o天线的种类很多，主要有以下一些分类方法：o（1）按用途可将天线分为：通信天线、导航天线、广播电视天线、雷达天线和卫星天o线等。o（2）按工作波长可将天线分为：超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。o（3）按辐射元的类型可将天线分为两大类：线天线和面天线。线天线由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长波、中波和短波波段；面天线由尺寸大于波长的金属或介质面构成，主要用于微波波段。这两种天线都可用于超短波波段。o（4）按天线特性分类：按方向特性可分为：定向天线、全向天线、强方向性天线和弱方向性天线。按极化特性可
18、分为：线极化(垂直极化和水平极化)天线和圆极化天线。按频带特性可分为：窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。o（5）按馈电方式可分为：对称天线和非对称天线oo（6）按天线上的电流可分为：行波天线和驻波天线。o（7）按天线外形可分为：V形天线、菱形天线、环行天线、螺旋天线、喇叭天线和反射面天线等。o此外，新型天线还有单脉冲天线、相控阵天线、微带天线、自适应天线、智能天线和有源天线等。本讲稿第二十七页，共三十二页o2.2.2 对称天线和单极天线对称天线和单极天线 o1.对称天线o对称天线的结构如图所示，它是由两段同样粗细且等长度的直导线构成的，在中间的两个端点对称馈电。o 在两臂中间处加上高频电势
19、后，对称振子上就会产生高频电流，此电流就是对称振子产生电磁场的源。对称天线 本讲稿第二十八页，共三十二页o2.单极天线o单极天线也是一种常用的天线，与对称天线不同，单极天线只有一个臂。单极天线与其镜像(a)单极天线；(b)天线臂与其镜像构成一对称振子本讲稿第二十九页，共三十二页o2.2.2 抛物面天线和微带天线o1.抛物面天线o 众所周知，光波是电磁波的一种，它频率很高，因而在研究微波天线时，人们自然会联想到在光学中所采用的方法。抛物面天线的工作原理与探照灯相类似。o 抛物面天线由辐射器(通常也称为馈源)和反射抛物面两部分所组成。o 辐射器由一弱方向性天线，如半波振子、二元振子阵或喇叭天线等构
20、成，安装在抛物面的焦点上，馈源把高频电流(或导波)能量转换成电磁波能量并射向抛物面，而抛物面则把馈源辐射过来的电磁波沿抛物面轴线方向反射出去，从而获得很强的方向性。o抛物面天线广泛地应用于现代微波中继通信、卫星(通信)地面站、雷达、制导、射电天文等领域。o抛物面有三种基本形式：螺旋抛物面、柱形抛物面和切割抛物面。螺旋抛物面天线是由抛物线旋转而成的，柱形抛物面是由抛物线平移而成的。切割抛物线是截取旋转抛物面的一部分而构成的。o旋转抛物面天线是微波波段广泛应用的一种反射面天线。这些天线的反射面均由金属良导体，或由在某种介质上镀上导电金属，或由导电栅网构成。由于馈源发出的球面波（或柱面波）经抛物面表面反射后在抛物面口面上产生的场总是相同的，因此可以根据需要任意加大口面的尺寸获得要求的尖锐的强方向性。本讲稿第三十页，共三十二页o2.微带天线o微带天线是近年来逐渐发展起来的一种新型天线。其理论分析无论是在深度还是在广度上都趋于成熟，其应用范围也日趋广泛。各种形状的微带天线已在移动通信、卫星通信、多普勒雷达及其他雷达导弹遥测技术以及生物工程等领域得到了广泛应用。微带天线的结构本讲稿第三十一页，共三十二页本讲稿第三十二页，共三十二页