射频通信电路第1章选频回路与阻抗变换

功能：选频、阻抗变换应用：射频系统的各个模块——放大、振荡、调制、解调本章主要内容：1.选频回路的主要指标2.LC串、并联选频回路3.窄带和宽带无源阻抗变换网络4.简单介绍常用的集中参数选频滤波器5.简单介绍集成电感*教材上部分接入的阻抗变换不作要求。第一章选频回路与阻抗变换功能：选出有用信号，滤除或抑制无用信号LC回路种类集中选择性滤波器（声表面波滤波器、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器）电路特征——无源线性网络幅频特性性能描述相频特性1.1选频回路的指标(1)中心频率0f(2)通频带BW3dB(3)带内波动(4)选择性与矩形系数0.10.11/2BWKBW(5)插入损耗inoutPLP(6)输入输出阻抗RinRoutPoutPin选频回路BW20dB1、幅频特性dd)(相频特性斜率：称为—群时延结果：通频带内不同频率信号延迟相同时间要求：在通频带内群时延为常数表现：相频特性为线性不产生相位失真()2、相频特性电阻r电导G阻抗Z导纳Y电感L电容C电容C电感L电压源VS电流源IS电流I电压V电路的对偶性串联并联I()Zj1.2LC串并联谐振回路1.并联谐振回路标准电路形式回路输入导纳LjCjGY1)(谐振的定义:)(Y为纯电阻谐振频率LCfoo121.2.1谐振的基本概念与特性1.阻抗特性GY)(0CL0012.电压特性RIVSo输出电压最大且与信号源同相3.品质因数QRTVCVQ/2222能谐振时回路一周内的耗谐振时回路总的储能RLRGCQ00谐振时的特点SsLIjQLjRILjVI000电感电流SSCIjQRICjVCjI000电容电流特点：电抗支路的电流比信号源大Q倍4.电流特性表1.2.1串﹑并联特性对照表SISVLCf1200LCf1200GY)(0rZ)(0并联串联电路结构L.C.G并联C.L.r串联激励信号源电流源电压源谐振角频率谐振阻抗品质因数谐振时电流(电压)LRGCQP00CrrLQ001SCLQIIISCLQVVV2.串联谐振回路分析内容:回路输出电压(电流)及回路阻抗随频率变化特性000/()()1()1()1()SSsIIIGVVYjGjCjQL输出电压:广义失谐:)(00Q说明:1.输出电压是复数2.输出电压与频率有关3.阻抗~频率特性与电压~频率特性相同(因为，而为常数)SVZISI1.并联谐振回路1.2.2选频特性近似条件:00200000000)(2)(2))(()(QQQQ002arctgQ其中：jseQVjQVjQGIV2000000)2(1)(21)()(21/)(公式：讨论谐振频率附近的选频特性100（1）（归一化选频特性）公式：200)2(11)()(QVVS①选择性回路的值越高，选择性越好Q注意：高的选择性与宽的通频带对的要求是矛盾的Q12S②通频带令得:QffBWdB0320f大，通频带很难窄Q高，通频带窄③矩形系数96.931,01,0dBBWBWK进一步说明单并联回路对高的选择性与宽的通频带这对矛盾不能兼顾1幅频特性02arctgQ公式：①谐振时0)(0含义：回路阻抗呈纯电阻，输出电压与信号电流同相②失谐时当时，并联回路阻抗呈感性；当时，并联回路阻抗呈容性。00)(00)(注意:回路的阻抗性质会随频率而变问题：回路通频带点上()?④电抗特性曲线（设回路）0G③相频特性曲线斜率020Qdd特点：①负斜率②越大，相频特性越陡QQ大（2）相频特性⑤线性相频范围600)(2)(Q当时，~)(相频特性呈线性02arctgQ公式：Q特征：相频特性呈线性关系的频率范围与成反比Q大变量对偶时，特性曲线相同变量相同时，特性曲线变化相反对偶特性应用：I()xj电路相频特性电抗特性选频特性V/V02.串联谐振回路的选频特性1.实际并联回路考虑损耗的线圈的等效电路串联小电阻r实际并联回路电路形式分析方法等效1.实际的线圈(或电容)是有损耗的----等效电路如何2.并联回路的前后接有信号源与负载-----对的影响Q讨论的意义：1.2.3实际并联回路与有载Q22111SSSSSSPPXrjXrjXrjXR等效：)1())(1(2222QrrxrrxrRsssssssP实部相等：虚部相等：)11())(1(2222QxxrxxxrXsssssssP定义：支路Q串联支路ssxQr并联支路PPRQXPPssXRrxQ两者相等（1）串并联支路阻抗变换01PPPLjCjjB虚部为零：22(1)()PPrLLL由于：注意：实际并联回路参数：PPQPR20020211111QLCrLCrCLp实际谐振频率——与L、C、r的关系0rLQ00（其中是支路Q）00PPPPLRQQLr0P高Q（r很小）时20PLRQrCr、、回路Q等于支路Q等效理想实际有损耗PL01LC无损耗理想并联回路参数：谐振阻抗无穷Q＝0有耗回路谐振频率根据定义计算：PPLjCjRjBGY1)(1)(P（2）实际并联回路分析讨论信号源内阻及负载对回路的影响谐振阻抗PLSTRRRR////和不影响回路谐振频率只影响谐振阻抗和回路QSRLR有载为：0001QRRRRQLRRQLPSPTTeeQ结果：通频带变宽，选择性变差回路损耗对应-----空载：000PLRQrL＞＞1高Q0Q等效2.有载品质因数Q阻抗变换的必要性（3）保证滤波器性能（1）实现最大功率传输——共轭匹配（2）改善噪声系数对变换网络的要求：宽带：变压器、传输线变压器窄带：LC网络（2）带宽（1）损耗小——用纯电抗阻抗变换网络1.3无源阻抗变换变压器参数：初级电感量12MkLL次级电感量2L耦合系数01k互感1L变压器种类：空心变压器磁芯变压器——耦合紧，漏感小(),磁芯损耗随频率升高增大1k理想变压器：无损耗、耦合系数为1，初级电感量为无穷理想变压器阻抗变换：电压电流阻抗2121NNVV1221NNIILLRNNR221')(注意电流方向（负号、图中方向）磁芯变压器可近似为理想变压器1.3.1变压器阻抗变换②窄带网络－－两电抗元件不同性质，有选频滤波性能特征：①两电抗元件组成－－结构形式同L讨论问题：1.已知工作频率，欲将变换为，求：电路结构和、LRsRoSXPX2.L网络的带宽1.3.3L网络阻抗变换变换依据:串并联互换LRSXSPXPR串联支路并联支路谐振，开路PRSR＝)1())(1(22QRRXRRLLSLS)11())(1(22QXXRXXSSLSSP串并联互换公式注意：由于等效，串联支路Q＝并联支路Q，PSSPpLSXRXRRXQ由变换电阻可求出Q1LSRRQ则:,LSQRXQRXSP已知oL、C(条件:)sRLR1.电路结构与参数计算当时sRLR变换L网络形式LRPXPSXSr并联支路串联支路谐振，短路总结：L匹配网络支路的Q值可以表示为1)()(小值大值RRQL网络缺点:当两个要阻抗变换的源和负载电阻值确定后，L网络的Q值也确定了，是不能选择的，因此该窄带网络的滤波性能不能选择。注意：不一定是高QSrSR＝其中2(1)LSRRQ解：先将信号源端的寄生电感和负载端的寄生电容归并到L网络中。LRSR由于，则L网络如图示96.1112581SLRRQL网络串联支路电抗5.231296.1SSQRX1SSLLLL网络并联支路电抗6.2996.158QRXLP1PLCCC例1-3-2已知信号源内阻=12，并串有寄生电感=1.2。负载电阻为=58并带有并联的寄生电容=1.8PF，工作频率为。设计L匹配网络，使信号源与负载达共轭匹配。SRLnHGHzf5.1LR例1-3-22.带宽谐振阻抗2STRR谐振，开路谐振，短路谐振阻抗2TSrR回路带宽eoQfBW回路Q=1/2支路QTePRQX回路有载回路Q=1/2支路QSeTXQr回路有载引出：当对匹配网络有更高的滤波要求时，采用三电抗元件组成和T型匹配网络分析方法：分解为两个L网络，设置一个假想中间电阻erRint1int1erSRRQ1int2erLRRQ两个L网络的Q分别是由于是未知数，因此可以假设一个Q1或Q2interR假设Q的原则：根据滤波要求，设置一个高Q当SRLR时，Q2=Q当SRLR时，Q1=Q网络的带宽：由高Q决定1.3.4和T型匹配网络例1-3-3：设计一个型匹配网络，完成源电阻和负载电阻间的阻抗变换。工作频率MHz，假设大的一个有载。10SR100LR75.3f4eQ对应L网络的Q为：()()10011310RQR大值小值解：用L网络是否可以？11.52eQQ回路有载Q为：不满足题目要求，所以必须用三电抗元件的变换网络设网络由L和C1、C2组成，将L分成L1和L2两个电感。网络源端L网络负载端L网络Rinter中间电阻538.1811001222intQRRLer首先确定此大的有载＝4是在源端还是负载端？eQSLRR必定是负载端的L网络的有载2eQ因为设负载端L网络的Q为Q2，则8222eQQ由于，因此此设计方案是可行的SerRRint2210012.58.0LCRXQ负载端L网络的并联电容支路为22int8.01.53812.30LerXQR负载端串联电感支路为：对源端的L网络，其每条臂的Q值为：346.21538.1101int1erSRRQ源端串联电感支路有11int2.3461.5383.608LerXQR源端并联电容支路有11104.2632.346SCRXQ19955CPF3.75ofMHz13395CPF3.75ofMHz675.01075.3230.12608.326oLfXL总电感为：Rinter1.阻抗园图的基本知识圆图上的任何一点描述的是电阻和电抗的串联纯电抗R=0关键概念：等电阻园、等电抗弧线感性区、容性区纯电阻线、纯电抗园短路点、开路点实际阻抗ZRjX050Z参考阻抗0ZzrjxZ园图上表示归一化阻抗1.3.5用Smith圆图设计匹配网络（1）.串并联支路互换psYZ1等效的两串并联支路互为倒数在园图上的操作：求点M（ZS）关于园图中心的中心对称点N（YP)SSsjXRZ串联支路阻抗并联支路pppjXRjBGY11导纳结论：园图上寻找阻抗与其等效的导纳操作旋转180度2.园图上的操作阻抗园图：图上的点表示电阻和电抗的串联导纳园图：园图上的点表示电导和电纳的并联可以将同一个园既看作阻抗园又看作导纳园阻抗园导纳园归一化电阻和电抗串联归一化电导和电纳并联点园等电阻等电导上半园弧正电抗（电感）正电纳（电容）下半园弧负电抗（电容）负电纳（电感）最左点短路开路0R0YR最右点开路短路Y（2）.串联一个元件采用阻抗园图：串联电感，沿等r园顺时针移动串联电容，沿等r园逆时针移动串联电阻，沿等x弧线移动（3）.并联一个元件采用导纳园图并联电感，沿等g园逆时针移动并联电容，沿等g园顺时针移动(1)RS和RL均为纯电阻30SR80LR例1-3-4：设，，设计一个L网络对其进行匹配。解:由于,所以L网络如图SLRR以高通型为例分析和电感L并联的操作是在导纳圆图上LR