高频电路原理与分析(第六版)曾兴雯章课件2.ppt

1、第2章 高频电路基础第2章高频电路基础与系统问题2.1 高频电路中的元器件 2.2 高频电路中的组件 2.3 阻抗变换与阻抗匹配 2.4 电子噪声与接收灵敏度2.5 非线性失真与动太范围2.6 高频电路的电磁兼容 思考题与习题 第2章 高频电路基础 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

2、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。第2章 高频电路基础 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

3、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，以及高频电路系统的电磁兼容问题都是高频电路的重要问题。第2章 高频电路基础 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

4、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第2章 高频电路基础 趋肤效应是指当频率升高时，电流只集中在导体的表面，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。第2章 高频电路基础2.1.1 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

5、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。第2章 高频电路基础1 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

6、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。第2章 高频电路基础图 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。第2章 高频电路基础2.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

7、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。第2章 高频电路基础图2-2 电容器的高频等效电路(a)电容器的等效电路;(b)电容器的阻抗特性第2章 高频电路基础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

8、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。第2章 高频电路基础3.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。第2章 高频电路基础工作频率越高，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

9、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。第2章 高频电路基础若工作频率更高，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

10、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。第2章 高频电路基础 图 2-3 高频电感器的自身谐振频率SRF第2章 高频电路基础2.1.2 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。第2章 高频电路基础1.二极管半导体二极管在高频中主要用

11、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。第2章 高频电路基础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

12、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。第2章 高频电路基础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。第2章 高频电路基础还有一种以P型、N型和本征(I)

13、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。第2章 高频电路基础2.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。第2章 高频电路基础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，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

14、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。第2章 高频电路基础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。第2章 高频电路基础3.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，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

15、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。第2章 高频电路基础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。第2章 高频电路基础 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。高频电路中的其它组件，如平衡调制(混频)

16、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 高频电路中的组件第2章 高频电路基础2.2.1 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。第2章 高频电路基础1.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。简单振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最大或

17、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。第2章 高频电路基础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)第2章 高频电路基础回路电抗、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

18、与容抗相等，|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第2章 高频电路基础图2-4 串联振荡回路及其特性第2章 高频电路基础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第2章 高频电路基础 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第2章 高频电路基础其模为(2-5)其中，(2-6)2002011QIICrrLQ001第2章 高频

19、电路基础图 2-5 串联谐振回路的谐振曲线第2章 高频电路基础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)画出相应的曲线如图2-5所示，称为谐振曲线。由图可知，回路的品质因数越高，谐振曲线越尖锐，回路的选择性越好。因此，回路品质因数的大小可以说明回路选择性的好坏。另外一个反映回路选择性好坏的参数矩形系数的概念将在后面给出。在高频中通常Q是远大于1的值(一般电感线圈的Q值为几十到一二百)。在串联回路中，电阻、电感、电容上的电压值与阻抗值成正比，因此串联谐振时电感及电容上的电压为最大，其值为电阻上电压值的Q倍，也就是恒压源的电压值的Q倍。发生谐振的物理意义是，此时，电容中储存

20、的电能和电感中储存的磁能周期性地转换，并且储存的最大能量相等。第2章 高频电路基础在实际应用中，外加信号的频率与回路谐振频率0之差=0表示频率偏离谐振的程度，称为失谐。当与0很接近时，(2-7)0000002020022 第2章 高频电路基础令(2-8)为广义失谐，则式(2-5)可写成(2-9)当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时，将回路电流值下降为谐振值的时对应的频率范围称为回路的通频带，也称回路带宽，通常用B来表示。令式(2-9)等于 0.707，则可推得=1，从而可得带宽B0.707或B0.7为(2-10)0022ffQQ2011II2/1QffB07.022/1第2章 高频电路基础应

21、当指出，以上所用到的品质因数都是指回路没有外加负载时的值，称为空载 Q 值或 Q0。当回路有外加负载时，品质因数要用有载 Q 值或 QL 来表示，其中的电阻 r 应为考虑负载后的总的损耗电阻。串联振荡回路的相位特性与其辐角特性相反。在谐振时回路中的电流、电压关系如图2-6所示，图中与同相，和 分别为电感和电容上的电压。由图可知，和反相。UCUCU0ILULU第2章 高频电路基础 图2-6 串联回路在谐振时的电流、电压关系第2章 高频电路基础2)并联谐振回路串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻(如恒压源)的情况或低阻抗的电路(如微波电路)。当频率不是非常高时，并联谐振回路应用最广。并联谐振回路是与

22、串联谐振回路对偶的电路，其等效电路、阻抗特性和辐角特性分别如图2-7(b)、(c)和(d)所示。第2章 高频电路基础并联谐振回路的并联阻抗为(2-11)我们也定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率0，令Zp的虚部为零，求解方程的根就是0，可得 式中，Q为回路的品质因数，有CLrCLrZj1jj1)j(p20111QLCCrrLQ001第2章 高频电路基础当Q1时，。回路在谐振时的阻抗最大，为一电阻R0 (2-12)我们还关心并联回路在谐振频率附近的阻抗特性，同样考虑高Q条件下，可将式(2-11)表示为(2-13)LC10CQLQCrLR00000pj1QCrLZ第2章 高频电路基础并联回路通

23、常用于窄带系统，此时与0相差不大，式(2-13)可进一步简化为(2-14)式中，=0。对应的阻抗模值与幅角分别为(2-15)(2-16)j12j1000pRQRZ20200p121|RQRZarctan2arctan0ZQ第2章 高频电路基础上述特性可以在图2-7中反映出来。在图2-7(b)的等效电路中，并联电阻R0是等效到回路两端的并联谐振电阻，电感和电容中没有损耗电阻。从图2-7(c)、(d)可以看出，Q值越高，阻抗和幅角在谐振频率附近变化就越快。对于并联谐振回路，若将阻抗值下降为的频率范围称为通频带B，则它与式(2-10)相同。2/0R第2章 高频电路基础图2-7 并联谐振回路及其等效电

24、路、阻抗特性和辐角特性(a)并联谐振回路;(b)等效电路;(c)阻抗特性;(d)辐角特性第2章 高频电路基础在图2-7(b)的等效电路中，流过L的电流是感性电流，它落后于回路两端电压90。是容性电流，超前于回路两端电压90。则与回路电压同相。谐振时与相位相反，大小相等。此时流过回路的电流正好就是流过 R0 的电流。由式(2-12)还可看出，由于回路并联谐振电阻 R0 为0L(或1/0C)的Q倍，并联电路各支路电流大小与阻抗成反比，因此电感和电容中的电流为外部电流的Q倍，即有 IL=IC=QI (2-17)图2-8表示了并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系。LICIRILICIIRI第2章 高频

25、电路基础图2-8并联回路中谐振时的电流、电压关系第2章 高频电路基础当信号频率低于谐振频率，即0时，整个回路呈容性阻抗。图2-7(d)也表示出了此关系。应当指出，以上讨论的是高Q的情况。如果Q值较低时，并联振荡回路谐振频率将低于高Q情况的频率，并使谐振曲线和相位特性随着Q值而偏离。下面举一例说明简单并联振荡回路的计算。第2章 高频电路基础例 2-1 设一放大器以简单并联振荡回路为负载，信号中心频率fs=10 MHz，回路电容C=50 pF，(1)试计算所需的线圈电感值。(2)若线圈品质因数为Q=100，试计算回路谐振电阻及回路带宽。(3)若放大器所需的带宽B0.7=0.5 Hz，则应在回路上并

26、联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求?第2章 高频电路基础解 (1)计算L值。由式(2-2)，可得将f0以兆赫兹(MHz)为单位，以皮法(pF)为单位，L以微亨(H)为单位，上式可变为一实用计算公式:将f0=fs=10 MHz代入，得CfCL20220)2(11CfCfL2062022533010121H07.5L第2章 高频电路基础(2)回路谐振电阻和带宽。由式(2-12)回路带宽为k 8.311018.3 1007.510210046700LQRkHz 1000QfB第2章 高频电路基础(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

27、品质因数为QL。由带宽公式，有此时要求的带宽B0.7=0.5 MHz，故回路总电阻为需要在回路上并联7.97 k的电阻。7.00LBfQ 20LQk 37.61007.510220670L1010LQRRRRk 97.737.637.6001RRR第2章 高频电路基础2.抽头并联振荡回路在实际应用中，常常用到激励源或负载与回路电感或电容部分连接的并联振荡回路，即抽头并联振荡回路。图2-9是几种常用的抽头振荡回路。采用抽头回路，可以通过改变抽头位置或电容分压比来实现回路与信号源的阻抗匹配(如图2-9(a)、(b)，或者进行阻抗变换(如图2-9(d)、(e)。也就是说，除了回路的基本参数0、Q和R

28、0外，还增加了一个可以调节的因子。这个调节因子就是接入系数(抽头系数)p。它被定义为: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。p也可以用电压比来表示，即(2-18)TUUp 第2章 高频电路基础因此，又把抽头系数称为电压比或变比。下面简单分析图2-9(a)和(b)两种电路。仍然考虑窄带高Q的实际情况。对于图2-9(a)，设回路处于谐振或失谐不大时，流过电感的电流L仍然比外部电流大得多，即ILI，因而UT比U大。当谐振时，输入端呈现的电阻设为R，从功率相等的关系看，有(2-19)RURU22202T0202TRpRUUR第2章 高频电路基础其中，接入系数p用元件参数表示时则要

29、复杂些。仍假设满足ILI，并设抽头部分的电感为L1，若忽略两部分间的互感，则接入系数为p=L1/L。实际上，一般是有互感的。设上下两段线圈间的互感值为M，则接入系数p=(L1+M)/L。对于紧耦合的线圈电感(即后面将介绍的带抽头的高频变压器)，设抽头的线圈匝数为N1，总匝数为N，因线圈上的电压与匝数成比例，其接入系数为p=N1/N。第2章 高频电路基础图2-9 几种常见抽头振荡回路第2章 高频电路基础事实上，接入系数的概念不只是对谐振回路适用，在非谐振回路中通常用电压比来定义接入系数。根据分析，在回路失谐不大，p又不是很小的情况下，输入端的阻抗也有类似关系 (2-20)对于图2-9(b)的电路

30、，其接入系数p可以直接用电容比值表示为(2-21)002T2j21QRpZpZ21121212T11CCCCCCCCUUp第2章 高频电路基础在实际中，除了阻抗需要折合外，有时信号源也需要折合。对于电压源，由式(2-18)可得U=pUT对于如图2-10所示的电流源，其折合关系为IT=pI (2-22)需要注意，对信号源进行折合时的变比是p，而不是p2。第2章 高频电路基础图 2-10 电流源的折合第2章 高频电路基础在抽头回路中，由于激励端的电压U小于回路两端电压UT，从功率等效的概念来考虑，回路要得到同样功率，抽头端的电流要更大些(与不抽头回路相比)。这也意味着谐振时的回路电流IL和IC与I

31、的比值要小些，而不再是Q倍。由及0TTLLRQUUIRUI QRRUUII0TL第2章 高频电路基础可得IL=pQI (2-23)接入系数p越小，IL与I的比值也越小。在上面的分析中，曾假设ILI，当p较小时将不能满足，因此阻抗(2-20)的近似公式的适用条件为IL/I=Pq1。例 2-2 如图2-11，抽头回路由电流源激励，忽略回路本身的固有损耗，试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。第2章 高频电路基础例 2-2 如图2-11，抽头回路由电流源激励，忽略回路本身的固有损耗，试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。图 2-11 例2的抽头回路第2章 高频电路基础解 由于忽略了回路本

32、身的固有损耗，因此可以认为Q。由图可知，回路电容为谐振角频率为电阻R1的接入系数等效到回路两端的电阻为pF 10002121CCCCCrad/s 10170LC5.0211CCCp 2000112RpR第2章 高频电路基础回路两端电压u(t)与i(t)同相，电压振幅U=IR=2 V，故输出电压为回路有载品质因数回路带宽在上述近似计算中，u1(t)与u(t)同相。考虑到R1对实际分压比的影响，u1(t)与u(t)之间还有一小的相移。V 10cos2)(7ttuV 10cos)()(71ttputu20100020000LLRQkHz 80L0QfB第2章 高频电路基础3.耦合振荡回路在高频电路中

33、，有时用到两个互相耦合的振荡回路，也称为双调谐回路。把接有激励信号源的回路称为初级回路，把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。图 2-12 是两种常见的耦合回路。图 2-12(a)是互感耦合电路，图 2-12(b)是电容耦合回路。第2章 高频电路基础图 2-12 两种常见的耦合回路及其等效电路第2章 高频电路基础耦合振荡回路在高频电路中的主要功用，一是用来进行阻抗转换以完成高频信号的传输;一是形成比简单振荡回路更好的频率特性。通常应用时都满足下述两个条件:一是两个回路都对信号频率调谐;另一个是都为高Q电路。下面以图 2-12(a)的互感耦合回路为主来分析说明它的原理和特性。反映两回路耦合大

34、小的是两线圈间的互感M，以及互感与初次级电感L1、L2 的大小关系。耦合阻抗为Zm=jXm=jM。第2章 高频电路基础为了反映两回路的相对耦合程度，可以引入一耦合系数k，它定义为Xm与初次级中与Xm同性质两电抗的几何平均值之比，即(2-24)21212LLMLLMk第2章 高频电路基础 对于图 2-12(b)电路，耦合系数为(2-25)根据电路理论，当初级有信号源激励时，初级回路电流 通过耦合阻抗将在次级回路中产生一感应电势，从而在次级回路中产生电流。次级回路必然要对初级回路产生反作用(即要在初级产生反电势)，此反作用可以通过在初级回路中引入一反映(射)阻抗 Zf 来等效。反映阻抗为 (2-2

35、6)(21CCCCCCCCk1I1jIM2I2I22222mZMZZZf第2章 高频电路基础Z2是次级回路的串联阻抗，它具有串联谐振的特性。当次级回路谐振时，Zf为一电阻rf，会使初级并联谐振电阻下降。在次级失谐时，Zf为一随频率变化的感性阻抗(0)。显然，Zf的影响会使初级的并联阻抗Z1和初次级的转移阻抗Z21的频率特性发生变化。第2章 高频电路基础耦合回路常作为四端网络(两端口网络)应用，我们更关心的是它的转移阻抗的频率特性。假设两回路的电感、电容和品质因数相同(这是常见的情况)，在此条件下来分析转移阻抗。此时有L1=L2=L，C1=C2=C，Q1=Q2=Q再引入两个参数，广义失谐 (2-

36、27)耦合因子A=kQ (2-28)00002QrL第2章 高频电路基础初次级串联阻抗可分别表示为耦合阻抗为)j1(11 rZ)j1(22 rZMZjm第2章 高频电路基础2Im1ZI由图2-12(c)等效电路，转移阻抗为 (2-29)由次级感应电势产生，有EICCECjICjIUZ2212122221112m12ZZII第2章 高频电路基础考虑次级的反映阻抗，则将上两式代入式(2-29)，再考虑其它关系，经简化得(2-30)22m1111)(ZZZIZZIEfj21 j22021AACQZ第2章 高频电路基础根据同样的方法可以得到电容耦合回路的转移阻抗特性为 (2-31)若不计常数因子，式(

37、2-30)与式(2-31)具有相同的频率特性。A出现在分子和分母中，这表示两回路的耦合程度要影响曲线的高度和形状。以为变量，对式(2-30)求极值可知，当耦合因子A小于1时，在=0 处有极大值。当A大于1，则有两个极大值，在=0 处有凹点。此时|Z21|曲线为双峰。求出|Z21|的极大值|Z21|max，可以求出不同A时的归一化转移阻抗(2-32)j21 LjQ22021AAZ2222max21214)1(2|AAZZ第2章 高频电路基础通常将A=1 的情况称为临界耦合，而将此时耦合系数称为临界耦合系数(2-33)而将A1，或kk0 称为过耦合;A1，或kk0 称为欠耦合。Qk1 0第2章 高

38、频电路基础图 2-13 为归一化的转移阻抗的频率特性。由图可见，当kk0的过耦合状态，它可以得到更大的带宽。但凹陷点的值小于 0.707 的过耦合情况没有什么应用价值。根据式(2-32)的频率特性可以分析出最大凹陷点也为0.707时的耦合因子及带宽，它们分别为 A=2.41必须再一次指出，以上分析只限于高Q值的窄带耦合回路。顺便指出，多个单回路级联的情况和参差调谐(不同回路调谐于不同频率)的情况请参见本书第 3 章和其它参考书。QfB07.01.3第2章 高频电路基础2.2.2 高频变压器和传输线变压器在几十兆赫兹以下的高频范围中，与低频变压器原理相同的高频变压器常有应用。在高频电路中变压器的

39、功用仍然是进行信号传输和阻抗变换，但也可用来隔绝直流。另一种用传输线绕制的变压器称为传输线变压器，它是高频中专用的，它也可以工作在更高工作频率(如几百兆赫兹)，而且它的工作频带宽，还可以完成一些其它功能。第2章 高频电路基础1.高频变压器变压器是靠磁通交链，或者说是靠互感进行耦合的。两个耦合的线圈，通常只有当两者紧耦合时，方称它为变压器。如果用前面定义的互感耦合系数k表示，只有当k接近1时，性能才接近理想变压器。因此，高频变压器同样以某种磁性材料作为公共的磁路，以增加线圈间的耦合。但高频变压器在磁芯材料和变压器结构上都与低频变压器有较大不同，主要表现在:第2章 高频电路基础(1)为了减少损耗，

40、高频变压器常用导磁率高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。最常用的高频磁芯是铁氧体材料(铁氧体材料也可用于低频中)，一般有锰锌铁氧体MXO和镍锌铁氧体NXO两种。前者导磁率(通常以相对导磁率表示)高，但高频损耗大，多用于几百千赫兹至几兆赫兹范围，或者允许有较大损耗的高频范围。后者导磁率较低，但高频损耗小，可用于几十兆赫兹甚至更高的频率范围。第2章 高频电路基础(2)高频变压器一般用于小信号场合，尺寸小，线圈的匝数较少。因此，其磁芯的结构形状与低频时不同，主要采用图 2-14(a)、(b)的环形结构和罐形结构。初次级线圈直接穿绕在环形结构的磁环上，或绕制在骨架上，放于两罐之间。罐形结构中磁路允许有气隙

41、，可以用调节气隙大小的方法来微调变压器的电感。图 2-14(c)是双孔磁芯，它是环形磁芯的一种变形，可以在两个孔中分别绕制线圈。第2章 高频电路基础图 2-14 高频变压器的磁芯结构(a)环形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)双孔磁芯第2章 高频电路基础高频变压器的近似等效电路如图 2-15(b)所示。它忽略了实际变压器中存在的各种损耗(磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗和导线电阻损耗)和漏感。除了元件数值范围不同外，它与低频变压器的等效电路没有什么不同。图中，虚线内为理想变压器，L为初级励磁电感，LS为漏感，CS为变压器的分布电容。第2章 高频电路基础图 2-15 高频变压器及其等效电路(a)电路符号;(

42、b)等效电路第2章 高频电路基础当高频变压器用于窄带电路时，只要知道此频率时等效电路中的参数L、LS和CS，就不难构成实际电路并进行计算。当用在宽带电路，比如用作宽带阻抗变换器时，希望在宽频带内有比较均匀的阻抗和传输特性。由图 2-15(b)的等效电路可以看出，影响宽带特性的因素就是L、LS和CS。在低频端，由于励磁电感L的阻抗小，对负载起分流作用，影响低频响应。在高频端，CS阻抗起旁路作用，而漏感LS的阻抗大，起分压作用。CS与LS是引起高频传输系数下降的主要因素。L、LS和CS对变压器频率特性的影响，还与端接的负载阻抗大小有关。第2章 高频电路基础高频变压器在宽带应用时，在不同频率范围，可

43、忽略某些参数的影响，进一步简化电路和分析。在低频端，LS和CS的影响可忽略;在高频端，L的旁路作用可忽略。要展宽高频范围，应尽量减小LS和CS。减少变压器的初次级线圈匝数，可以减小漏感LS和分布电容CS；但励磁电感L将随匝数减小而迅速减小，这会导致低频响应变差。比较好的方法是采用高导磁率的高频磁芯，可以在减小匝数时保持所需的励磁电感值。第2章 高频电路基础目前，在低阻抗负载电路中(几十欧姆至上百欧姆)，在变压比(N1/N2或N2/N1)不很大的情况下，高频变压器的频带宽度可以做到 34 个倍频程(即最高频率与最低频率比为816)甚至还可更高些。在某些高频电路中经常会用到一种具有中心抽头的三绕组

44、高频变压器，称之为中心抽头变压器，它可以实现多个输入信号的相加或相减，在某些端口间有隔离，另一些端口间有最大的功率传输。第2章 高频电路基础图 2-16(a)是一中心抽头变压器的示意图。初级为两个等匝数的线圈串联，极性相同，设初次级匝比n=N1/N2。作为理想变压器看待，线圈间的电压和电流关系分别为U1=U2=nU3 (2-37)I3=n(I1+I2)(2-38)第2章 高频电路基础中心抽头变压器的一种典型应用就是作为四端口器件，图 2-16(b)表示了这一情况。四端口上接有Z1、Z2、Z3、Z4阻抗，根据不同应用，可在某些端口加信号源。中心抽头变压器的用途很多，可用作功率分配器、功率合成器、

45、平衡桥电路，也可以与有源器件(二极管、晶体管)组合构成一些非线性变换电路。第 5 章中的平衡调制器、环形调制器中就要用到它。第2章 高频电路基础图 2-16 中心抽头变压器电路(a)中心抽头变压器电路;(b)作四端口器件应用第2章 高频电路基础2.传输线变压器传输线变压器就是利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器。图 2-17 为其典型的结构和电路图。第2章 高频电路基础图 2-17 传输线变压器的典型结构和电路(a)结构示意图;(b)电路第2章 高频电路基础传输线变压器中的传输线主要是指用来传输高频信号的双导线、同轴线。图 2-17(a)的互相绝缘的双导线(一般用漆包线)应扭绞在一起，也

46、常用细同轴电缆绕制。传输线就是利用两导线间(或同轴线内外导体间)的分布电容和分布电感形成一电磁波的传输系统。它传输信号的频率范围很宽，可以从直流到几百、上千兆赫兹(同轴电缆)。传输线的主要参数是波速、波长及特性阻抗。波速与波长分别为 (2-39)(2-40)rcr0f第2章 高频电路基础式中，r为传输线的相对介电常数。因r总是大于1(一般为 24)，传输线上的波速和波长比自由空间电磁波的波速c和波长0都要小。传输线特性阻抗ZC取决于传输线的横向尺寸(导线粗细、导线间距离、介质常数)的参数。当传输线端接的负载电阻值与特性阻抗ZC相等时，传输线上传输行波，此时有最大的传输带宽。第2章 高频电路基础

47、从原理上讲，传输线变压器既可以看作是绕在磁环上的传输线，也可以看作是双线并绕的 11 变压器，因此它兼有传输线和高频变压器两者的特点。传输线变压器有两种工作方式(也可以说是两种模式)。一种是传输线工作方式，一种是变压器工作方式，如图2-18 所示。不同方式决定于信号对它的不同激励。传输线工作方式的特点是，在传输线的任一点上，两导线上流过的电流大小相等、方向相反。两导线上电流所产生的磁通只存在于两导线间，磁芯中没有磁通和损耗。第2章 高频电路基础当负载电阻RL与ZC相等而匹配时，两导线间的电压沿线均匀分布(指振幅)，这种方式传输特性的频率很宽。在变压器方式中，信号源加在一个绕组两端，在初级线圈中

48、有励磁电流，此电流在磁环中产生磁通。由于有磁芯，励磁电感较大，在工作频率上其感抗值远大于特性阻抗ZC和负载阻抗。此外，在两线圈端(1、2 和 3、4 端)有同相的电压。第2章 高频电路基础图 2-18 传输线变压器的工作方式(a)传输线方式;(b)变压器方式第2章 高频电路基础在传输线的实际应用中，通常两种方式同时存在，可以利用这两种方式完成不同的作用。正是因为有了传输线方式，传输线变压器才有更宽的频率特性。传输线变压器的用法很多，但其基本形式是 11 和 14 阻抗变换器。用两个或多个传输线变压器进行组合，还可以得到其它阻抗变换器。也有用三线并绕构成传输线变压器的。第2章 高频电路基础图 2

49、-19(a)是由传输线变压器制成的高频反相器，它是一种 11 的变压器，端点 2、3 相连并接地，在 1、3 端加高频电压，因线圈 1、2 上加有电压，且与不完全相等，因此有变压器工作方式。同时沿传输线上又有均匀的电压，因而也有传输线工作方式。因与 相等，当 2 端接地后，输出电压，与输入电压反相，这就是反相作用。在高频端这种反相器性能将会下降(UL与U1 偏离反相)。1U1I2I1U2U1LUU第2章 高频电路基础图 2-19(c)是一个 14 阻抗变换器的电路，1、4 连接，信号源加在 1、3 端(实际上也加在 4、3 端)，负载电阻RL加在 2、3 端。显然，在 3、4 的线圈中有励磁电

50、流，有变压器工作方式。由于线圈两端电压相等，即U2=U1，负载上的电压为两线圈电压串联，有UL=2U1，而负载电流为I，因此有RL=UL/I，输入端阻抗为(忽略励磁电流)为 (2-41)这就完成了 14 的阻抗变换。这种变换器有很宽的工作频带。传输线变压器还可以用作不平衡平衡变换器、3 分贝耦合器等，如图 2-19(b)、(d)所示。LL14122/2RIUIURi第2章 高频电路基础图 2-19 传输线变压器的应用举例(a)高频反相器;(b)不平衡平衡变换器;(c)14 阻抗变换器;(d)3 分贝耦合器第2章 高频电路基础传输线变压器通常都作宽带应用，其宽带性能的好坏与参数及结构尺寸的选择有