1、第第1 1章绪论章绪论1.1 无线通信系统概述无线通信系统概述 1.2 信号、信号、频谱与调制频谱与调制 1.3 本课程的特点本课程的特点思考题与习题思考题与习题 本书主要讨论用于各种电子系统和电子设备中的高频电子线路。通信系统，特别是无线通信系统，已广泛应用于国民经济、国防建设和人们日常生活的各个领域。通信的目的与任务是传递消息。无线通信系统的一个重要特点就是利用高频(无线电)信号来传递消息。通信中传递的消息的类型很多，传输消息的方法也很多。现代通信大多以电(或光)信号的形式出现，因此，通常被称作电信。传输电信号的媒质(或介质)可以是有线的，也可以是无线的，而无线的形式最能体现高频电路的应用
2、。尽管各种无线通信系统在所传递消息的形式、工作方式以及设备体制组成等方面有很大差异，但设备中产生、接收和检测高频信号的基本电路大都是相同的。本书将主要结合无线通信来讨论高频电路的线路组成、工作原理和分析、设计、仿真方法。这不仅有利于明确学习基本电路的目的和加强对有关设备及系统的概念，而且对于其它通信系统也有典型意义。1.1 无线通信系统概述无线通信系统概述 高频电路是通信系统，特别是无线通信系统的基础，是无线通信设备的重要组成部分。1.1.1 无线通信系统的组成无线通信系统的组成无线通信(或称无线电通信)的类型很多，可以根据传输方法、频率范围、用途等分类。不同的无线通信系统，其设备组成和复杂度
3、虽然有较大差异，但它们的基本组成不变，图1-1是典型的无线通信系统基本组成方框图。图1-1 无线通信系统的基本组成图中虚线以上部分为发送设备(发射机)，虚线以下部分为接收设备(接收机)，天线及天线开关为收发共用设备。信道为自由空间。话筒和扬声器属于通信的终端设备，分别为信源和信宿。上下两个音频放大器分别是为放大话筒输出信号和推动扬声器工作而设置的，属低频部件，本书不讨论。上面的音频放大器输出的信号控制高频载波振荡器的某个(些)参数，从而实现调制；下面的解调器就是针对上面发射端的调制而进行的检波(调制的逆过程)。已调制信号的频率若不够高，可根据需要进行倍频或上混(变)频；若幅度不够，可根据需要进
4、行若干级(通常有预放、激励和输出三级)放大，经天线辐射出去。接收机一般都采用超外差的形式，在通过高频选频放大(初步的选择放大并抑制其它无用信号)后进行下混(变)频，取出中频后再进行中频放大(主选择放大，具有较大的放大增益和较强的滤波能力)和其它处理，然后进行解调。超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频放大器来完成对接收信号的选择和放大。当信号频率改变时，只要相应地改变本地振荡信号频率即可。发送设备主要完成调制、上变频、功率放大和滤波等功能，其结构大同小异。根据调制和上变频是否合二为一，发送设备结构分为直接变换结构和两次变换结构两种方式，在每种方式中也都可以采用单通道调制和双通道正交调制方式
5、，图 1-1 中的发射机为典型的一次变频结构。在发送设备中，一般存在两种变换：第一种变换是将信源产生的原始信息变换成电信号，而这一信号的频谱通常靠近零频附近，属于低频信号，称为基带(Baseband)信号；第二种变换称为调制 Modulating)，是将基带信号变换成适合在信道中传输的信号形式(一般为射频或高频的带通信号)。调制后的信号称为已调信号(ModulatedSignal)，相应的没有进行调制之前的基带信号也可称为调制信号 ModulatingSignal)。调制时还需要一个高频振荡信号，称为载波(Carrier)，它可由高频振荡器(Oscillator)或频率合成 器(Frequen
6、cySynthesizer)产生。载波通常 为单一频率的正弦信号或脉冲号。接收设备的任务主要是有选择地放大空中微弱电磁信号(同时要尽可能保证信息的质量)，并恢复有用信息。接收设备的结构通常采用超外差(SuperHeterodyne)形式，图 1-1中的接收机即为一次变频超外差结构。随着设备小型化和系统化，接收设备的结构出现了许多新的形式，如图 1-2 和图 1-3 分别为镜频抑制式和直接变换式(DirectConversion)或零中频(ZeroIF)式接收机结构。不同的接收设备结构有不同的特点。图 1-2 镜像抑制接收机结构(a)Hartley结构；(b)Weaver结构图 1-3 零中频接
7、收机结构超外差结构的接收设备在接收过程中，将射频输入信号与本地振荡器产生的信号混频或差拍(Heterodyne)，由混频器后的中频滤波器选出射频信号与本振信号频率两者的和频或差频。超外差接收机可以采用一次变频、两次变频，甚至多次变频，以降低滤波器实现的难度，提高镜像频率抑制能力。传统的超外差接收机采用向下变频(DownConversion)方式，接收信号首先通过混频前的选频网络(镜像抑制滤波器)选出所需频率并削弱干扰特别是镜像干扰后，经低噪声放大器放大并送到混频器进行混频，得到中频信号。随着无线通信工作频率的不断提高，高品质因数 Q 的镜像抑制滤波器越来越难以实现，因此，高性能的超外差接收机通
8、常采用多级频率变换结构，使每级变频前后的工作频率之比在 10 左右。中频信号经中频滤波器滤波后再进入自动增益控制(AGC)放大器或限幅放大器放大到合适电平，经解调器恢复出基带信号。由于无线信道存在衰落，输入接收机信号电平变化范围很大，需要接收机具有大的动态范围，同时，要求输出信号幅度在尽可能小的范围内波动，这可以通过 AGC 电路实现。这种方式的优点是结构简单、成本低，但对于宽带应用，其前端选频网络不易设计，且当用于较高频段时，前端选频网络的可调谐性也会成为较难克服的问题。在现代高性能宽带超外差接收机中，通常采用向上变频(Up Conversion)方式，并至少需要两次频率变换。其中的多个本振
9、信号的频率稳定度要求较高(如 0.51ppm)，这就需要采用复杂的锁相环或高性能的频率合成电路，也可以采用本振频率漂移抵消设计，但这增加了系统的成本和复杂性。在超外差接收机中，中频频率是固定的，当信号频率改变时，只要相应地改变本地振荡信号频率即可。通常中频频率相对较低，中频放大器可以获得很高的稳定增益，降低了射频级实现高增益的难度，相应地，AGC 范围也就较大。由于使用高性能的中频滤波器(通常是晶体滤波器或声表面波滤波器)，接收机的选择性好，抗干扰能力强。超外差结构的最大缺点就是组合干扰频率点多，特别是对于镜像频率干扰的抑制颇为麻烦，因此出现了多种镜频抑制接收方案。其中，Hartley 与 W
10、eaver 变换结构理论上完全消除了镜像响应和镜像噪声，结构也比较简单，然而，这两种方法在实践中都有明显的缺点。Hartley 结构两路信道功率增益失配与相位失配虽然相对较低，但是无法实现宽带中频(IF)下变换，要实现宽带固定移相器是相当困难的，且频率越高，难度越大。Weaver 结构是宽带 IF 下变换的基础。第一下变频后的第一中频是固定的，第二中频可以调谐到要求的 IF 频率，但结构相对复杂，两路信道的失配度相对较大。值得注意的是，这两种结构方案的效用取决于最终实现所得到的镜像抑制度。在实际中，由于两路信道的增益与相位失配，完全抑制镜像信号响应是不可能的。而且随着失配增大，镜像抑制度会降低
11、。实际上，在给定镜像抑制要求情况下，可以在前端预选器和接收机结构之间进行折中设计。直接变换结构也是按照超外差原理设计的，只是让本地振荡频率等于载频，使中频为零（因此也称为零中频结构），也就不存在镜像频率，从而也就避免了镜频干扰的抑制问题。接收的信号通过直接变换处理成为零中频的低频基带信号，但不一定经过解调，可能需要在基带上进行同步与解调。另外，直接变换结构中射频部分只有高放和混频器，具有增益低，易满足线性动态范围的要求；由于下变频后为低频基带信号，只需用低通滤波器来选择信道即可，省去了价格昂贵的中频滤波器，体积小、功耗低、便于集成，多用于便携式 的低功耗设备中。但是，直接变换结构也存在着本振泄
12、漏与辐射、直流偏移（DCOffset）、JP闪烁噪声、两支路平衡与匹配问题等缺点。直接变换结构是软件无线电（SoftwareRadio）的基础前端电路结构，而且往往采用正交方式。在接收设备中有相应的两种反变换。将接收到的已调信号变换（恢复）为基带信号的过程称为解调（Demodulating），把实现解调的部件称为解调器（Demodulator）。解调时一般也需要一个本地的高频振荡信号，称为恢复载波（或插入载波）。有时将收发设备中的调制器和解调器合称为调制解调器（Modem）。由上面的例子可以总结出无线通信系统的基本组成，从中也可看出高频电路的基本内容应该包括：(1)高频振荡器(信号源、载波信号
13、或本地振荡信号)；(2)放大器(高频小信号放大器及高频功率放大器)；(3)混频或变频(高频信号变换或处理)；(4)调制与解调(高频信号变换或处理)。在无线通信系统中通常需要某些反馈控制电路，这些反馈控制电路主要是自动增益控制(AGC)或自动电平控制(ALC)电路，自动频率控制(AFC)电路和自动相位控制(APC)电路(也称锁相环PLL)。此外，还要考虑高频电路中所用的元件、器件和组件，以及信道或接收机中的干扰与噪声问题。需要说明的是，虽然许多通信设备可以用集成电路(IC)来实现，但是上述的单元电路通常都是由有源的和无源的元器件构成的，既有线性电路，也有非线性电路。这些基本单元电路的组成、原理及
14、有关技术问题，就是本书的研究对象。应当指出，实际的通信设备比上面所举例子要复杂得多。比如发射机的振荡器和接收机的本地振荡器就可以用更复杂的组件频率合成器(FS)来代替，它可以产生大量所需频率的信号。1.1.2 无线通信系统的类型无线通信系统的类型无线通信系统的类型，可以根据不同的方法来划分。按照无线通信系统中关键部分的不同特性，有以下一些类型：(1)按照工作频段或传输手段分类，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。所谓工作频率，主要指发射与接收的射频(RF)频率。射频实际上就是“高频”的广义语，它是指适合无线电发射和传播的频率。无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。(2)
15、按照通信方式来分类，主要有(全)双工、半双工和单工方式。所谓单工通信，指的是只能发或只能收的方式；半双工通信是一种既可以发也可以收但不能同时收发的通信方式；而双工通信是一种可以同时收发的通信方式。图1-1的例子是半双工方式，将天线开关换成双工器就成了双工方式。(3)按照调制方式的不同来划分，有调幅、调频、调相以及混合调制等。(4)按照传送的消息的类型分类，有模拟通信和数字通信，也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。1.1.3 无线通信系统的要求与指标无线通信系统的要求与指标无线通信系统的基本特性主要体现在有效性和可靠性两方面。有效性就是指空间、时间、频率的利用率，主要用传输距离
16、和通信容量(信道容量)指标来衡量；而可靠性主要用信号失真度、误码率、抗干扰能力等指标衡量。传输距离是指信号从发送端到达接收端并能被可靠接收的最大距离，它与采用的通信体制和是否中继有关。在无中继的情况下，传输距离决定于发送端的信号功率、信号通过信道的损耗、信号通过信道混入的各种形式的干扰和噪声以及接收机的接收灵敏度。通信容量是指一个信道能够同时传送独立信号的路数或信道速率。影响信道容量的因素包括已调信号所占有的频带宽度、系统采用的调制方式、信道条件(信噪比和信干比)和信道的复用(多址)方式以及网络结构等。信号失真度指的是接收设备输出信号不同(失真)于发送端基带信号的程度。产生信号失真的原因主要包
17、括信道特性不理想和对信号进行处理的电路(发送与接收设备)特性不理想。信号通过信道时，总要混入各种形式的干扰和噪声，使接收机输出信号的质量下降，通信系统抵抗这种干扰的能力称为通信系统的抗干扰能力。提高通信系统抗干扰能力的技术主要包括技术体制中采用的抗干扰措施、系统设计中提高的抗干扰能力和选用高质量的调制和解调电路等几方面。1.2 信号、频谱与调制信号、频谱与调制在高频电路中，我们要处理的无线电信号主要有三种：基带(消息)信号、高频载波信号和已调信号。这些无线电信号有多方面的特性，主要有时间(域)特性、频率特性、频谱特性、调制特性、传播特性等。1.时间特性时间特性一个无线电信号，可以将它表示为电压
18、或电流的时间函数，通常用时域波形或数学表达式来描述。对于较简单的信号(如正弦波、周期性方波等)，用这种方法表示很方便。无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。信号的时间特性要求传输该信号的电路的时间特性(如时间常数)与之相适应。2.频谱特性频谱特性对于较复杂的信号(如话音信号、图像信号等)，用频谱分析法表示较为方便。这是因为任何形式的信号都可以分解为许多不同频率、不同幅度的正弦信号之和，如图1-4所示。图中实线为一重复频率为F的方波脉冲信号，点划线为该脉冲信号的直流分量，短虚线为其基波分量，长虚线为其直流分量、基波分量和三次谐波分量之和。谐波次数越高，幅度越小，影响就越小。图 1-4
19、 信号分解 对于周期性信号，可以表示为许多离散的频率分量(各分量间成谐频关系)，例如图1-5即为图1-4所示信号的频谱图；对于非周期性信号，可以用傅里叶变换的方法分解为连续谱，信号为连续谱的积分。频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分，它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。图 1-5 频谱图任何信号都会占据一定的带宽。从频谱特性上看，带宽就是信号能量主要部分(一般为90%以上)所占据的频率范围或频带宽度。不同的信号，其带宽不同，比如，话音的频率范围大致为100 Hz6 kHz，其主要能量集中在300 Hz3.4 kHz。射频频率越高，可利用的频带宽度就越宽，不仅可以容纳许多互不干
20、扰的信道，从而实现频分复用或频分多址，而且也可以传播某些宽频带的消息信号(如图像信号)，这是无线通信采用高频的原因之一。3.频率特性频率特性任何信号都具有一定的频率或波长。我们这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波长。电磁波辐射的波谱很宽，如图 1-6 所示。图 1-6 电磁波波谱无线电波只是一种波长比较长的电磁波，占据的频率范围很广。在自由空间中，波长与频率存在以下关系：c=f (1-1)式中：c为光速，f 和分别为无线电波的频率和波长，因此，无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。对频率或波长进行分段，分别称为频段或波段。不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同，传播的能力和方式
21、也不同，因而它们的分析方法和应用范围也不同。表 1-1 列出了无线电波的频(波)段划分、主要传播方式和用途等。表中关于传播方式和用途的划分是相对而言的，相邻频段间无绝对的分界线。应当指出，不同频段的信号具有不同的分析与实现方法，对于米波以上(含米波，1 m)的信号通常用集总(中)参数的方法来分析与实现，而对于米波以下(1 m)的信号一般应用分布参数的方法来分析与实现，当然，这也是相对的。另外，从表中可以看出，频段划分中有一个“高频”段，其频率范围为330 MHz，这是“高频”的狭义解释，它指的就是短波频段。本课程涉及的波段可从中波到微波波段。4.传播特性传播特性无线通信的传输媒质主要是自由空间
22、。频率或波长不同，电磁波在自由空间的传播方式也不同。传播特性指的是无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等。无线电信号的传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。电磁波从发射天线辐射出去后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其中极小的一部分，而且在传播过程中，电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射，或者在大气层中产生折射或散射等现象，从而造成到达接收机时的强度大大衰减。根据无线电波在传播过程所发生的现象，电波的传播方式主要有直射(视距)传播、绕射(地波)传播、折射和反射(天波)传播及散射传播等，如图1-7所示。决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。图1-7 无线电
23、波的主要传播方式(a)直射传播；(b)地面绕射传播；(c)电离层反射传播；(d)对流层散射传播 一般来讲，无线电信号的辐射是多方向的。由于地球是一个巨大的导体，电波沿地面传播(绕射)时能量会被吸收(趋肤效应引起)，通常是波长越长(或频率越低)，被吸收的能量越少，损耗就越小，因此，中、低频(或中、长波)信号可以以地波的方式绕射传播很远，并且比较稳定，多用作远距离通信与导航。实际上，绕射依赖于电波的波长、物体的体积与形状、绕射点入射波的振幅、相位和极化情况等，当电波的波长大于物体的体积时容易发生绕射。短波波段的无线电波沿地面传播的距离很近，远距离传播主要靠电离层。地球外部包裹着厚厚的大气层，在大气
24、层中离地面 60600km 的区域称为电离层，它是由于太阳和星际空间的辐射引起大气电离而产生的。电离层从里往外可以分为 D、E、F1、F 2 四层，D层和 F1 层在夜晚几乎完全消失，因此经常存在的是 E 层和 F 2 层。电离层对通过的电波也有吸收作用，频率越高的信号，电离层吸收能力越弱，或者说电波的穿透能力越强。因此，频率太高的信号会穿过电离层而达到外层空间。另一方面，电离层也是一层介质，对射向它的无线电波会产生反射与折射作用。入射角越大，越易反射；入射角太小，容易折射。在通常情况下，对于短波信号，F2 层是反射层，D、E 层是吸收层(因为它们的电子密度小，不满足反射条件)。F2 层的高度
25、约 250300km，所以，一次反射的最大跳距约 4000km。应当指出，由于电离层的状态随着时间(年、季、月、天、小时甚至更小单位)而变化，因此，利用电离层进行的短波通信并不稳定。但由于电离层离地面较高，因此，短波通信还是一种价格低廉的远距离通信方式。需要指出，电波的反射传播不只是存在于电离层中。由于电波在不同性质的介质的交界处都会发生反射，因此，当电波遇到比波长大得多的物体时将产生反射，这就是说，反射也会发生于地球表面、建筑物表面等许多地方。在离地面大约 1012km 范围内的大气层称为对流层，该层的空气密度较高，所有的大气现象(如风、雨、雷、电等)都发生在这一层。散射现象也主要发生在对流
26、层。在这个层中由于大气湍流运动等原因形成的不均匀性就是电波的散射源。散射具有很强的方向性和随机性。接收到的能量与入射线和散射线的夹角有关。散射信号随时间的变化分为慢衰落和快衰落两种，前者决定于气象条件，后者由多径传播引起。散射传播还有一定的散射损耗。散射传播距离约为100500km，适合的频率在 4006000MHz 之间。需要指出，散射是在电波通过的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常大时产生的，因此，散射发生于粗糙表面、小物体或不规则物体等许多地方。频率较高的超短波及其更高频率的无线电波，主要沿空间直线传播。由于地球曲率的原因，直射传播的距离有限，通常只能为视距，因此也称
27、为视距传播。当然，直线传播方式可以通过架高天线、中继或卫星等方式来扩大传输距离。总之，长波信号以地波绕射为主；中波和短波信号可以以地波和天波两种方式传播，不过，前者以地波传播为主，后者以天波(反射与折射)为主；超短波以上频段的信号大多以直射方式传播，也可以采用对流层散射的方式传播。5.调制特性调制特性调制在无线通信中的作用至关重要。无线电传播一般都要采用高频(射频)的另一个原因就是高频适于天线辐射和无线传播。只有当天线的尺寸大到可以与信号波长相比拟时，天线的辐射效率才会较高，从而以较小的信号功率传播较远的距离，接收天线也才能有效地接收信号。若把低频的调制信号直接馈送至天线上，要想将它有效地变换
28、成电磁波辐射，则所需天线的长度几乎无法实现。如果通过调制，把调制信号的频谱搬至高频载波频率，则收发天线的尺寸就可大为缩小。此外，调制还有一个重要作用就是可以实现信道的复用，提高信道利用率。所谓调制，就是用调制信号去控制高频载波的参数，使载波信号的某一个或几个参数(振幅、频率或相位)按照调制信号的规律变化。根据载波受调制参数的不同，调制分为三种基本方式，它们是振幅调制(调幅)、频率调制(调频)、相位调制(调相)，分别用AM、FM、PM表示，还可以有组合调制方式。当调制信号为数字信号调制时，通常称为键控，三种基本的键控方式为振幅键控(ASK)、频率键控(FSK)和相位键控(PSK)。一般情况下，高
29、频载波为单一频率的正弦波，对应的调制为正弦调制。若载波为一脉冲信号，则称这种调制为脉冲调制。本课程中主要讨论模拟消息(调制)信号和正弦载波的模拟调制，但这些原理甚至电路完全可以推广到数字调制中去。不同的调制信号和不同的调制方式，其调制特性不同。调制的逆过程称为解调或检波，其作用是将已调信号中的原调制信号恢复出来。1.3 本课程的特点本课程的特点 高频电子线路广泛应用于通信与电子系统中，高频电子线路的技术指标和设计要求也通常具有系统性。应用于电子系统和电子设备中的高频电子线路几乎都是由线性的元件和非线性的器件组成的。严格来讲，所有包含非线性器件的电子线路都是非线性电路，只是在不同的使用条件下，非
30、线性器件所表现的非线性程度不同而已。比如对于高频小信号放大器，由于输入的信号足够小，而又要求不失真放大，因此，其中的非线性器件可以用线性等效电路来表示，分析方法也可以用线性电路的分析方法。但是，本书的绝大部分电路都属于非线性电路，一般都用非线性电路的分析方法来分析。与线性器件不同，对非线性器件的描述通常用多个参数，如直流跨导、时变跨导和平均跨导，而且大都与控制变量有关。在分析非线性器件对输入信号的响应时，不能采用线性电路中行之有效的叠加原理，而必须求解非线性方程(包括代数方程和微分方程)。在实际中，要想精确求解十分困难，一般都采用计算机辅助设计(CAD)的方法进行近似分析。在工程上也往往根据实
31、际情况对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简单的分析方法获得具有实际意义的结果，而不必过分追求其严格性。精确的求解非常困难，也不必要。高频电子线路能够实现的功能和单元电路很多，实现每一种功能的电路形式更是千差万别，但它们都是基于非线性器件实现的，也都是在为数不多的基本电路的基础上发展而来的。因此，在学习本课程时，要抓住各种电路之间的共性，洞悉各种功能之间的内在联系，而不要局限于掌握一个个具体的电路及其工作原理。当然，熟悉典型的单元电路对识图能力的提高和电路的系统设计都是非常有意义的。近年来，集成电路和数字信号处理(DSP)技术迅速发展，各种通信电路甚至系统都可以做在一个芯片内
32、，称为片上系统(SOC)。但要注意，所有这些电路都是以分立器件为基础的，因此，在学习时要注意“分立为基础，集成为重点，分立为集成服务”的原则。在学习具体电路时，要掌握“管为路用，以路为主”方法，做到以点带面，举一反三，触类旁通。高频电子线路是在科学技术和生产实践中发展起来的，也只有通过实践才能得到深入的了解。因此，在学习本课程时必须要高度重视实验环节，坚持理论联系实际，在实践中积累丰富的经验。随着计算机技术和电子设计自动化(EDA技术)的发展，越来越多的高频电子线路可以采用EDA软件进行设计、仿真分析和电路板制作，甚至可以做电磁兼容的分析和实际环境下的仿真。因此，掌握先进的高频电路EDA技术，
33、也是学习高频电子线路的一个重要内容。1-1 画出无线通信收发信机的原理框图，并说出各部分的功用。1-2 无线通信为什么要用高频信号？“高频”信号指的是什么？1-3 无线通信为什么要进行调制？如何进行调制？1-4 无线电信号的频段或波段是如何划分的？各个频段的传播特性和应用情况如何？思考题与习题思考题与习题第第2 2章高频电路基础与系统问题章高频电路基础与系统问题2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 2.2 高频电路中的组件高频电路中的组件 2.3 阻抗变换与阻抗匹配阻抗变换与阻抗匹配 2.4 电子噪声与接收灵敏度电子噪声与接收灵敏度2.5 非线性失真与动太范围非线性失真与动太范围2.6
34、 高频电路的电磁兼容高频电路的电磁兼容 思考题与习题思考题与习题 由上一章的介绍可知，各种无线电设备都包含有处理高频信号的功能电路，如高频放大器、振荡器、调制与解调器等。虽然这些电路的工作原理和实际电路都有各自的特点，但是它们之间也有一些共同之处。这些共同之处就是高频电路的基础，主要包括高频电路的基本元器件和基本组件等。各种高频电路基本上是由无源元件、有源器件和高频基本组件等组成的，而这些元器件和基本组件绝大部分是相同的，它们与用于低频电路的基本元器件没有本质上的差异，主要需要注意这些元器件在高频运用时的特殊性，当然也有一些高频电路所特有的器件。在高频多个单元电路中常用的两个重要功能是选频滤波
35、与阻抗变换，振荡回路、石英谐振器与集中选频滤波器等组件都具有这两个功能，高频变压器、传输线变压器及阻抗匹配器则具有较好的阻抗变换能力。高频电路的主要任务是功率的传输与处理，而功率的传输与处理又与阻抗匹配直接相关，或者说，优化功率的传输与处理的充要条件是高频电路模块间的输入与输出阻抗的共轭匹配。因此，阻抗变换与阻抗匹配是高频系统的关键问题。高频系统的两个重要指标是在小信号状态时的噪声系数和在大信号工作时的非线性失真。电子噪声存在于各种电子电路和系统中，噪声系数与电子噪声密切相关，了解电子噪声的概念对理解某些高频电路和系统的性能非常有用，因此，电子噪声与接收灵敏度、非线性失真与动态范围，以及高频电
36、路系统的电磁兼容问题都是高频电路的重要问题。高频信号会产生许多低频信号所没有的效应，主要是分布参数效应、趋肤效应和辐射效应。电子元器件的高频特性主要就是由这些效应引起的。集总参数元件是指一个独立的局域性元件，能够在一定的频率范围内提供特定的电路性能。而随着频率提高到射频，任何元器件甚至导线都要考虑分布参数效应和由此产生的寄生参数，如导体间、导体或元件与地之间、元件之间的杂散电容，连接元件的导线的电感和元件自身的寄生电感等。由于分布参数元件的电磁场分布在附近空间，其特性也会受到周围环境的影响，分析和设计都相当复杂。2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 趋肤效应是指当频率升高时，电流只集中
37、在导体的表面，导致有效导电面积减小，交流电阻可能远大于直流电阻，从而使导体损耗增加，电路性能恶化。辐射效应是指信号泄漏到空间中，这就使得信号源或要传输的信号能量不能全部输送到负载上，产生能量损失和电磁干扰。辐射效应还会引起一些耦合效应，使得高频电路的设计、制作、调试和测量等都非常困难。2.1.1 高频电路中的元件高频电路中的元件各种高频电路基本上是由有源器件、无源元件和无源网络组成的。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，但要注意它们在高频使用时的高频特性。高频电路中的元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器)，它们都属于无源的线性元件。高频电缆、高频接插件和高频开关等由
38、于比较简单，这里不加讨论。高频电路中完成信号的放大、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。1 电阻器电阻器一个实际的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性，但在高频使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。电阻器的电抗特性反映的就是其高频特性。一个电阻R的高频等效电路如图2-1所示，其中，CR为分布电容，LR为引线电感，R为电阻。分布电容和引线电感越小，表明电阻的高频特性越好。电阻器的高频特性与制作电阻的材料、电阻的封装形式和尺寸大小有密切关系。一般说来，金属膜电阻比碳膜电阻的高频特性要好，而碳膜电阻比线绕电阻的高频特性要好;表面贴装(SMD)电阻比引线电阻的
39、高频特性要好;小尺寸的电阻比大尺寸的电阻的高频特性要好。图 2-1 电阻的高频等效电路 频率越高，电阻器的高频特性表现越明显。在实际使用时，要尽量减小电阻器高频特性的影响，使之表现为纯电阻。2.电容器电容器由介质隔开的两导体即构成电容。作为电路元件的电容器一般只考虑其电容量值(标称值)，在理论上也只按电容量来处理。但实际上一个电容器的等效电路却如图2-2(a)所示。其中，电阻RC为极间绝缘电阻，它是由于两导体间的介质的非理想(非完全绝缘)所致，通常用损耗角或品质因数QC来表示;电感LC为分布电感或(和)极间电感，小容量电容器的引线电感也是其重要组成部分。图2-2 电容器的高频等效电路(a)电容
40、器的等效电路;(b)电容器的阻抗特性理想电容器的阻抗为1/(jC)，如图2-2(b)虚线所示，其中，f 为工作频率，=2f。但实际的电容器在高频运用时的阻抗频率特性如图2-2(b)实线所示，呈V形特性，而且其具体形状与电容器的种类和电容量的不同有关。由此可知，每个电容器都有一个自身谐振频率SRF(Self Resonant Frequency)。当工作频率小于自身谐振频率时，电容器呈正常的电容特性，但当工作频率大于自身谐振频率时，电容器将等效为一个电感。3.电感器电感器高频电感器与普通电感器一样，电感量是其主要参数。电感量L产生的感抗为jL，其中，为工作角频率。高频电感器一般由导线绕制(空心或
41、有磁芯、单层或多层)而成(也称电感线圈)，由于导线都有一定的直流电阻，所以高频电感器具有直流电阻R。把两个或多个电感线圈靠近放置就可组成一个高频变压器。工作频率越高，趋肤效应越强，再加上涡流损失、磁芯电感在磁介质内的磁滞损失以及由电磁辐射引起的能量损失等，都会使高频电感的等效电阻(交流电阻)大大增加。一般地，交流电阻远大于直流电阻，因此，高频电感器的电阻主要指交流电阻。但在实际中，并不直接用交流电阻来表示高频电感器的损耗性能，而是引入一个易于测量、使用方便的参数品质因数Q来表征。品质因数Q定义为高频电感器的感抗与其串联损耗电阻之比。Q值越高，表明该电感器的储能作用越强，损耗越小。因此，在中短波
42、段和米波波段，高频电感可等效为电感和电阻的串联或并联。若工作频率更高，电感内线圈匝与匝之间及各匝与地之间的分布电容的作用就十分明显，等效电路应考虑电感两端总的分布电容，它应与电感并联。与电容器类似，高频电感器也具有自身谐振频率SRF。在SRF上，高频电感的阻抗的幅值最大，而相角为零，如图2-3所示。图 2-3 高频电感器的自身谐振频率SRF2.1.2 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，与用于低频或其它电子线路的器件没有什么根本不同。它们是各种半导体二极管、晶体管以及半导体集成电路，这些器件的物理机制和工作原理，在有关课程中已详细讨论过，只是由于工作
43、在高频范围，对器件的某些性能要求更高。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多，也出现了一些专门用途的高频半导体器件。1.二极管二极管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极管和表面势垒二极管(又称肖特基二极管)。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。常用的点接触式二极管(如2AP系列)，工作频率可到100200 MHz，而表面势垒二极管，工作频率可高至微波范围。另一种在高频中应用很广的二极管是变容二极管，其特点是电容随偏置电压变化。我们知道，半导体二极管具有PN结，而PN结具有
44、电容效应，它包括扩散电容和势垒电容。当PN结正偏时，扩散效应起主要作用；而当PN结反偏时，势垒电容将起主要作用。利用PN结反偏时势垒电容随外加反偏电压变化的机理，在制作时用专门工艺和技术经特殊处理而制成的具有较大电容变化范围的二极管就是变容二极管。变容二极管的结电容Cj与外加反偏电压u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，基本上不消耗能量，噪声小，效率高。将它用于振荡回路中，可以作成电调谐器，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)。压控振荡器是锁相环路的一个重要部件。电调谐器和压控振荡器也广泛用于
45、电视接收机的高频头中。具有变容效应的某些微波二极管(微波变容管)还可以进行非线性电容混频、倍频。还有一种以P型、N型和本征(I)型三种半导体构成的PIN二极管，它具有较强的正向电荷储存能力。它的高频等效电阻受正向直流电流的控制，是一电可调电阻。它在高频及微波电路中可以用作电可控开关、限幅器、电调衰减器或电调移相器。2.晶体管与场效应管晶体管与场效应管(FET)在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和各种场效应管，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。高频晶体管有两大类型:一类是作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，除了增益外，
46、要求其在高频有较大的输出功率。目前双极型小信号放大管，工作频率可达几千兆赫兹，噪声系数为几分贝。小信号的场效应管也能工作在同样高的频率，且噪声更低。一种称为砷化镓的场效应管，其工作频率可达十几千兆赫兹以上。在高频大功率晶体管方面，在几百兆赫兹以下频率，双极型晶体管的输出功率可达十几瓦至上百瓦。而金属氧化物场效应管(MOSFET)，甚至在几千兆赫兹的频率上还能输出几瓦功率。有关晶体管和场效应管的高频等效电路、性能参数及分析方法将在第 3 章中进行较为详细的描述。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低频的集成电路少得多，主要分为通用型和专用型两种。目前通用型的宽带集成放大器，
47、工作频率可达一二百兆赫兹，增益可达五六十分贝，甚至更高。用于高频的晶体管模拟相乘器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。随着集成技术的发展，也生产出了一些高频的专用集成电路(ASIC)。其中包括集成锁相环、集成调频信号解调器、单片集成接收机以及电视机中的专用集成电路等。由于各种有源器件的基本原理在有关前修课程中已经讨论过，而它们的具体应用在本书各章中又将详细讨论，这里只对高频电路中有源器件的应用作一概括性的综述，下面将着重介绍和讨论用于高频中的无源网络。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、高频变压器、谐振器与各种滤波器等，它们完成信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能。高频电路中
48、的其它组件，如平衡调制(混频)器、正交调制(混频)器、移相器、匹配器与衰减器、分配器与合路器、定向耦合器、隔离器与缓冲器、高频开关与双工器等，其功能和实现方式各异。2.2 高频电路中的组件高频电路中的组件2.2.1 高频振荡回路高频振荡回路高频振荡回路是高频电路中应用最广的无源网络，也是构成高频放大器、振荡器以及各种滤波器的主要部件，在电路中完成阻抗变换、信号选择等任务，并可直接作为负载使用。下面分简单振荡回路、抽头并联振荡回路和耦合振荡回路三部分来讨论。1.简单振荡回路简单振荡回路振荡回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路。只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回路或单振荡回路。简单振荡回路的
49、阻抗在某一特定频率上具有最大或最小值的特性称为谐振特性，这个特定频率称为谐振频率。简单振荡回路具有谐振特性和频率选择作用，这是它在高频电子线路中得到广泛应用的重要原因。1)串联谐振回路图2-4(a)是最简单的串联振荡回路。图中，r是电感线圈L中的损耗电阻，r通常很小，可以忽略，C为电容。振荡回路的谐振特性可以从它们的阻抗频率特性看出来。对于图2-4(a)的串联振荡回路，当信号角频率为时，其串联阻抗为CLrCLrZ1jj1jS(2-1)回路电抗、回路阻抗的模|ZS|和辐角随变化的曲线分别如图2-4(b)、(c)和(d)所示。由图可知，当r;当0时，回路呈感性，|ZS|r;当=0时，感抗与容抗相等
50、，|ZS|最小，并为一纯电阻r，我们称此时发生了串联谐振，且串联谐振角频率0为 (2-2)串联谐振频率是串联振荡回路的一个重要参数。CLX1LC10图2-4 串联振荡回路及其特性U若在串联振荡回路两端加一恒压信号，则发生串联谐振时因阻抗最小，流过电路的电流最大，称为谐振电流，其值为 (2-3)rUI0 j1 1 j1 1 1j1 1 00000SS0QrLrCLZrrUZUII在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为(2-4)I其模为(2-5)其中，(2-6)2002011QIICrrLQ001图 2-5 串联谐振回路的谐振曲线称为回路的品质因数，它是振荡回路的另一个重要参数。根据式(2-5)画
