高频电子线路-第1章

高频电子线路清华大学出版社2012.6本课程主要分析高频电波信号的产生、放大和接收的电路，因此称为“高频电子线路”。广义的“高频”指的是射频(RadioFrequency，RF)，它是指适合无线电发射和传播的频率，其频率范围非常宽。只要电路尺寸比工作波长小得多，可用集总参数来分析实现。当电路尺寸大于工作波长或相当时，应采用分布参数的方法来分析实现。本课程的第1～7章讨论可用集中参数描述的高频电路，而分布参数分析法在第8章介绍。本课程学习哪些内容？第1章系统基础知识第2章小信号选频放大电路第3章高频功率放大电路第4章正弦波振荡电路第5章振幅调制、解调与混频电路第6章角度调制与解调电路第7章反馈控制电路第8章高频电路的分布参数分析第9章高频电路的集成与EDA技术简介无线电报的发明开始了无线电通信的时代，并逐步涉及陆地、海洋、航空、航天等固定和移动无线通信领域，从1920年的无线电广播、1930年的电视传输，直到1980年的移动电话和1990年的全球定位系统及当今的移动通信和无线局域网，无线通信市场还在飞速发展，移动通信手机、有线电视调制解调器以及射频标签的电信产品迅速地渗入我们的生活，变成大众不可缺少的工具。高频电子线路的发展推动了无线通信技术的发展，是当代无线通信的基础，是无线通信设备的重要组成部分。学习本课程有何意义？第1章系统基础知识无线电频段是如何划分的？无线通信为何要用高频电磁波？高频电子线路有什么特点？无线通信系统究竟包括哪些电路？它们都有什么功用？表征高频电路(系统)性能的参数有哪些？1.1无线通信系统概述为了便于分析和应用，人们对电磁波按频率或波长进行分段，分别称为频段或波段。各种频率的电磁波都是不可再生的重要资源，国际社会和任何国家都必须对它进行科学规划、严格管理。无线通信系统电路的基本组成，由工作频率的高低可分为射频级、中频级和基带级三级电路，射频级和中频级属于本书高频电路的研究范畴，它们的基本功能电路应该包括：滤波器、放大器、高频振荡器、混频或变频器、调制与解调器。1.1.1电磁波频段的划分与应用极低频（ELF)军事潜艇通信甚低频（VLF)导航、声纳、航空低频（LF)航海与航空导航信标、航空导航中频（MF)中波广播、航海与航空导航信标高频（HF)短波广播、业余无线电甚高频（VHF)电视与调频广播、无线寻呼、地面移动通信超高频（UHF)电视与调频广播、无绳电话、个人无线电特高频（SHF)微波链路、卫星通信极高频（EHF)雷达、射电天文学微米波远程探测、激光通信、光空间通信红外光300kHz30MHz3000MHz300GHz3kHz频率电波利用电离层的折射、反射和散射作用进行传播的方式称为天波沿地球表面进行传播的电波传播模式称为地表面波。在对流层中进行的电波传播方式称为空间波电磁波在地面上远距离传播的方式1.1.2无线通信系统的基本组成音频放大器调制器激励放大功率放大与滤波载波振荡器天线开关高频放大与滤波混频器中频放大与滤波解调器音频放大器话筒本地振荡器扬声器变频器射频级中频级基带级模拟无线通信系统数字无线通信系统1.2高频电路中的元器件与分析模型无源元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器)，它们都属于线性元件，在高频电路中通常起滤波、阻抗匹配、旁路、耦合、去耦、移相等作用。有源器件主要是半导体二极管、三极管和集成电路，它们本质上都属于非线性器件，在高频电路中完成信号的放大、非线性变换等功能。1.2.1高频无源元件电阻器、电容器和电感器的高频等效模型1.2.2高频有源器件半导体二极管伏安特性T1ss(e1)(e1)quuUkTiIIb'e'Tb'c'Tccsecs(e1)(e1)uUuUIIII双极型晶体管的大信号E-M电路模型双极型晶体管的线性电路模型晶体管高频共发射极混合π形等效电路当输出端短路后，rb′e、Cb′e和Cb′c三者并联，此时cecmb'ebb'eb'eb'c01j2()UIgrIfrCC特征频率fT和最大振荡频率fmaxmmTb'eb'cb'e2()2ggfCCC电流增益降至1时的频率Tmaxbb'b'e8ffrC功率增益降至1时的频率TTffff模拟乘法器zxy()()()utKutut模拟乘法器是一种理想的线性频谱搬移电路1.3系统性能指标增益、噪声、非线性、灵敏度和动态范围是描述高频电路最常用的指标接收机所能接收的最低信号电平直接受到其固有噪声的限制，而它能接收的最高电平又受到非线性失真的限制1.3.1增益电压增益：无载电压增益o0iuUAU(有载)电压增益oLLL0ioLioLuuUURRAAURRURR当时电压增益接近最大值在高频时，电路阻抗比直流或低频的值小，常用功率增益来量度系统的放大能力LoRR0uuAA定义几种类型的功率22iiis2isiURPURRR系统吸收(输入)的功率2ssas4UPR源的额定输出功率2222L0LLLoi22LoLoLuRAURPUURRRRR222222o0i0ioasooosi444uuUAUARPURRRRR负载消耗的功率系统的额定输出功率基于上面四种类型的功率，可以定义下面四种功率增益四种功率增益22LsLit02sasiLo4uRRPRGAPRRRR22LLiip02iLLouuPRRRGAAPRRR22oasia0sasiouPRRGAPRRR22iim0oo4uuRRGAARR转化功率增益(传递)功率增益额定(资用)功率增益最大功率增益Gp是人们常用的功率增益，也称为工作功率增益，它表示系统实际输出功率与输入功率之比分析和计算噪声问题时，用额定功率和额定功率增益用对数形式dB(分贝)值来表示比值功率增益的dB值定义ppLi(dB)101g101g101gGGPP电压增益的dB值定义Li(dB)20lg20lg20lguuAAUUdBm(分贝毫瓦)定义：P(dBm)=10lg[P(mW)/1mW]dBW(分贝瓦)定义：P(dBW)=10lg[P(W)/1W]dBmV(分贝微伏)定义：U(dBmV)=20lg[U(mV)/1mV]dBV(分贝伏)定义：U(dBV)=20lg[U(V)/1V]pLiLi(dB)(dBm)(dBm)(dB)(dBV)(dBV)uGPPAUU注意：两个dBm(dBmV)相减，结果为dB。dBm(dBmV)与dB之间可以加、减，结果仍为dBm(dBmV)在50Ω系统中，功率与电压单位对应关系P1W10mW1mW0.1mW10−11mW0dBW,30dBm10dBm0dBm−10dBm−110dBmUm10V1.0V0.316V0.1V1mV20dBV0dBV,120dBmV-10dBV,110dBmV100dBmV0dBmV1.3.2噪声和噪声系数1．噪声来源：电阻热噪声和半导体管噪声电阻热噪声等效电路4()()4IVkTSfSfkTRR22nn()()IVISfBWUSfBW电阻R的噪声额定功率2nnA4UPkTBWR电阻的噪声额定功率只与温度及通频带有关，而与本身阻值和负载无关(注意，实际功率是与负载有关的)。这一结论可以推广到任何无源二端网络。有源器件和系统的噪声来源比较复杂，系统设计师为了衡量其噪声性能的好坏，提出了噪声系数这一性能指标。2．噪声系数噪声系数(NoiseFigure，NF)定义信噪比SNR定义isiniosono//SNRPPSNRPPioSNRNFSNRsianianoasoanoaania/1/PPPNFPPGP标准噪声系数noaa01PNFGkTBWT0=290KPnoa：输出噪声额定功率Pnia：输入噪声额定功率噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。如果系统是无噪的，相应的噪声系数为1。有噪系统的噪声系数均大于1。系统内部噪声产生的输出功率nsnoaaniaaniaaniaaniaa0(1)(1)PPGPNFGPGPNFGPNFGkTBW放大器级联的噪声21a11NFNFNFG对于n级放大器321a1a1a2a1a(1)111nnNFNFNFNFNFGGGGG为了减小多级放大器的噪声系数，必须降低前级放大器(尤其是第一级)的噪声系数，而且增大前级放大器(尤其是第一级)的额定功率增益。3．等效输入噪声温度a0a0e()NFGkTBWGkTTBW噪声温度与噪声系数的等效关系e0e01(1)TNFTTNFT级联系统的等效噪声温度e2e3eee1a1a1a2a1a(1)nnTTTTTGGGGG低噪声时采用噪声温度比采用噪声系数更容易和更方便显示其噪声性能的差别。【例1.1】某接收机由高放、混频、中放三级电路组成。已知混频器的额定功率增益Ga2=0.2，噪声系数NF2=10dB，中放噪声系数NF3=6dB，高放噪声系数NF1=3dB。如要求加入高放后使整个接收机总噪声系数降低为加入前的1/10，则高放的额定功率增益Ga1应为多少？高放和混频两级的等效噪声温度为多少？解：先将噪声系数分贝数进行转换，3dB、10dB、6dB分别对应为2、10、4。因为未加高放时接收机噪声系数为32a214110250.2NFNFNFG所以，加高放后接收机噪声系数应为12.510NFNF又由于321a1a1a211NFNFNFNFGGG因此有23a2a11(1)(1)/(101)(41)/0.24816.8dB2.52NFNFGGNFNF高放和混频两级的等效噪声温度为2e10a11(1)101(21)290344.375(K)48NFTNFTG1.3.3非线性失真在由各种有源器件构成的线性放大器中，由于有源器件的特性是非线性的，在放大过程中总会产生各种各样的失真，因此，必须限制信号的大小，使失真限制在允许的范围内，才能实现线性放大。但在诸如混频、调制和解调等频谱搬移电路中，有源器件的非线性又正是实现这些功能电路所必需的。1．非线性器件的描述方法一个非线性电路系统的输入x(t)和输出y(t)可以描述成230123ytxtxtxt该法称为幂级数展开法其它还有解析函数和折线表示法2．谐波当输入信号为x(t)=Acost时，输出信号为223301233232013322332201coscoscoscos1cos23coscos3243coscos2cos32424ytAtAtAtAAAttttAAAAAttt含输入频率ω的项称为“基频”，高阶项nω称为“谐波”(Harmonics)3．增益压缩输出基波信号为223311133cos()44AAytAtxt如果α1和α3的符号相反，则信号增益将随幅度A的增大而减小，此现象称为增益压缩。常用1dB压缩点(1-dBcompressionpoint，输入Pi1dB、输出Po1dB)来度量放大器的线性231dB1111dB3320lg20lg140.145AA1dB压缩点处的输入信号幅度为4．大信号阻塞如果电路同时接收到一个有用信号A1cosω1t和一个干扰信号A2cosω2t，即1122coscosxtAtAt则输出信号基波分量为3211131312133()cos42ytAAAAt当A2A1时，上式可简化为21132113cos2ytAAt如果α1