微波电路-2

微波电路主讲：王斌[e-mail]光电工程学院2.选频回路与阻抗变换选频回路的主要指标1LC串、并联选频回路23阻抗变换网络2.选频回路与阻抗变换选频回路的作用是从众多的频率中选出有用信号，滤除或抑制无用信号，也就是完成对信号的频谱进行滤波处理的实现电路，我们也称之为滤波器。选频回路的主要指标12.选频回路与阻抗变换选频回路（滤波器）分类按频率分类2.选频回路与阻抗变换选频回路（滤波器）分类按实现分类电感和电容组成的LC滤波器；晶体滤波器是利用石英晶体薄片构成；声表面波滤波器(SAW)是利用压电效应构成的；陶瓷滤波器是利用陶瓷介质构成的；微带滤波器是利用微带线构成的；腔体滤波器是利用金属谐振腔构成的。等2.选频回路与阻抗变换2.选频回路与阻抗变换2.选频回路与阻抗变换选频回路（滤波器）性能描述()BW20dB频域传输函数：outinjVjHjVjHje幅度-频率特性相位-频率特性2.选频回路与阻抗变换选频回路（滤波器）主要参数中心频率foBW20dB通频带BW3dB带内波动选择性与矩形系数0.10.112BWKBW插入损耗RinRoutPoutPin选频回路inoutPLP输入输出阻抗群时延()()gdd()2.选频回路与阻抗变换选频回路（滤波器）主要参数2.选频回路与阻抗变换LC串、并联选频回路2基本模型：用L与C构成的串并联回路是射频/微波电路中常用的选频回路，除完成选频功能外，还可以进行阻抗变换。回路导纳：1()YjGjCjL谐振的定义:谐振频率：12oofLC()YjG①并联谐振回路谐振时的特点阻抗特性谐振时导纳最小，称为回路的特性阻抗0()1YGR001LC电压特性输出电压最大且与信号源同相。品质因数品质因数描述回路储能与其能耗之比。RTVCVQ/2222＝谐振时回路一周内能耗谐振时回路总储能对于LC并联谐振回路：RLRGCQ002.选频回路与阻抗变换并联谐振回路特性电流特性流经电感的电流（IS为电流源激励）000SLSVIRIjQIjLjL流经电容的电流000CSSIjCVjCIRjQI电流特性：谐振时流过电容、电感的电流大小相等，都是电流源电流的Q倍，方向相反。2.选频回路与阻抗变换2.选频回路与阻抗变换选频特性:选频回路的输出电压(电流)或回路阻抗随输入信号频率变化的特性。表示不同频率信号通过电路的能力。输出电压000()1()()/()11()SSsIIVYGjCLIGVjjQ广义失谐00()Q并联谐振回路选频特性2.选频回路与阻抗变换讨论谐振频率附近的选频特性0000002000000()()2()()2()2QQQQQ广义失谐输出电压0002000/()()()2()22111()jsIGVVVejQjQQ02arctgQ其中：2.选频回路与阻抗变换2002()()11()SVVQ回路的归一化选频特性：失谐频率对应的输出电压幅度与谐振时的输出电压幅度之比。归一化选频特性曲线：幅频特性2.选频回路与阻抗变换选择性谐振频率上,输出电压最大,回路阻抗最大；失谐时下降。对同一失谐频率来说，Q值越大，选择性越好通频带即3dB带宽，令计算可得12S302dBBWffQ表明：相对带宽越窄，要求回路的Q值越高。很高频率时对Q值的要求很高。矩形系数根据定义，K0.1=BW0.1/BW3dB=9.96表明：简单并联谐振回路的矩形系数较大，在通频带和选择性二者之间不能兼顾。2.选频回路与阻抗变换Q大02arctgQ谐振时0()0回路呈纯阻状态，输出电压与信号电流源同相。失谐时曲线斜率002dQd特点：①负斜率②Q越大，相频特性越陡线性范围600()2Q()～00)(0()0当时，，并联谐振回路呈感性当时，，并联谐振回路呈容性当时可近似得：此时之间呈线性关系。相频特性2.选频回路与阻抗变换②串联谐振回路电路的对偶性I()ZjC串联并联电感L电容C电容C电感L电阻R电导G阻抗Z导纳Y电流I电压V电压源VS电流源IS2.选频回路与阻抗变换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串、并联回路谐振特性2.选频回路与阻抗变换电路相频特性电抗特性选频特性I()xj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：串、并联回路选频特性2.选频回路与阻抗变换实际并联谐振回路出发点实际的线圈(或电容)是有损耗的等效电路如何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等效串并联支路阻抗互换等效等效原则阻抗相等22111SSSSSSPPXrjXrjXrjXR实部相等虚部相等)1())(1(2222QrrxrrxrRsssssssP)11())(1(2222QxxrxxxrXsssssssPsPsPxRQrX支路Q2.选频回路与阻抗变换实际并联回路无损耗理想并联回路谐振阻抗无穷QZ品质因数无穷01LC谐振频率实际有耗并联回路等效2.选频回路与阻抗变换实际并联回路有耗回路谐振频率：11()()PPYGjBjCjRL虚部为零：10PPPjBjCjL221()PPrLLL由：22002011111pCrCrLCLLQ得：00LQr（其中是支路Q）0P00PPPPLRQQLr20PLRQrCr高Q（r很小时）2.选频回路与阻抗变换2.选频回路与阻抗变换有载品质因数出发点讨论信号源内阻及负载对回路的影响Q值变化等效和不影响回路谐振频率只影响谐振阻抗和回路QSRLR0////TSLPZjRRRR谐振阻抗有载品质因数0001TTePPSLQRRQQRRLRR通频带变宽选择性变差2.选频回路与阻抗变换无源阻抗变换网络阻抗变换网络为什么要进行阻抗变换：（1）实现最大功率传输——共轭匹配（2）改善噪声系数（3）保证滤波器性能对变换网络的要求：（1）损耗小——用纯电抗（2）带宽宽带：变压器、传输线变压器窄带：LC网络2.选频回路与阻抗变换变压器阻抗变换理想变压器阻抗变换：变压器参数：初级电感量L1次级电感量L2耦合系数k互感系数M电压电流阻抗1122VNVN1221ININ'212()LLNRRN2.选频回路与阻抗变换部分接入阻抗变换采用电抗元件部分接入时，将电阻R接在两个相同性质的电抗元件X1与X2之间，计算其折合到整个并联之路的等效电阻。等效变换原则：变换前后功率相等2.选频回路与阻抗变换电容部分接入：定义参数——接入系数P212XPXX接入部分电抗值＝总电抗值电容部分接入系数2112121ccccXCPXXCC电感部分接入：**电感部分接入系数22111212LLLLXLMPXXLLM2.选频回路与阻抗变换支路满足高Q时RX2时变换前后电阻消耗功率相等222VVRR2212VXVXX2LLRRP结论:部分接入变换到全部，阻抗变大问题：变换网络中引入的电抗如何消除?——采用并联谐振抵消所以，部分接入阻抗变换是窄带变换2.选频回路与阻抗变换问题：当支路不满足高Q时?——采用串并联支路互换公式2CLRRLC2C1RLSC2SC1串并转换公式2(1)psRRQ21(1)psXXQ||||psspRXQRX2.选频回路与阻抗变换例用电容部分接入方式设计一个窄带阻抗变换网络，工作频率为1GHz，带宽为50MHz，分别将（1），（2）变换为阻抗30LR5LR50inR注意：此处有两个不同的Q并联回路L、C1、C2的Q由回路的等效负载决定根据已知带宽计算出并联支路RL、C2的Q2，决定计算阻抗变换采用高Q法，还是低Q法2.选频回路与阻抗变换（1）当时，高Q，采用部分接入变换法30LR（2）当时，可能不满足高Q5LR采用串并联支路互换法：2.选频回路与阻抗变换L型网络阻抗变换特点：讨论问题：①两电抗元件组成——结构形状同L②窄带网络——两电抗元件不同性质，有选频滤波性能1.已知工作频率，欲将变换为，求：电路结构和、2.L网络的带宽oLRsRSXPX2.选频回路与阻抗变换RsRL匹配网络的选择与元件计算变换依据:串并联互换谐振，开路串并联互换公式22(1())(1)SpLLsLXRRRQRR)11())(1(22QXXRXXSSLSSP由于等效，串联支路Q=并联支路Q，PSSPpLSXRXRRXQ1SLRQR步骤:,/sSpLXQRXRQ,sLRR1SLRQR,LC02.选频回路与阻抗变换匹配网络的选择与元件计算RsRL谐振，短路sLspXRQRX21LssRRrQ221pspQXXQ其中步骤:,/sLpSXQRXRQ,sLRR1LSRQR,LC0总结：L匹配网络支路的Q值可以表示为1)()(小值大值RRQ注意：不一定是高Q2.选频回路与阻抗变换∏和T型匹配网络特点：①被变换电阻相对大小对结构无影响②可以按滤波要求设置较大的Q值分析方法：分解为两个L网络，设置一个假想中间电阻由于是未知数，因此可以假设一个Q1或Q2interR网络的带宽：由高Q决定2.选频回路与阻抗变换例：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，假设一个较大的有载。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2.选频回路与阻抗变换Rinter首先确定此大的有载是在源端还是负载端？eQ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，则由于，因此此设计方案是可行的中间电阻LSRR2228eQQint2221001.538118LerRRQinterSRR2.选频回路与阻抗变换2210012.58.0LCRXQ负载端L网络的并联电容支路为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3.75ofMHz63.60812.300.675μH223.7510LoXLf总电感为：23395CPF22int8.01.53812.30LerXQR