高频电子线路教案----doc

1第1章绪论高频电子线路是信息工程和通信工程的专业必修课程，也是相关专业硕士研究生入学考试科目之一。高频电子线路的研究对象：研究无线电通讯中关于信号的产生、发射、传输和接收的一门科学，即研究信号传输与处理的一门科学。更具体地说是研究模拟无限通讯系统中的发送设备和接收设备，重点是研究它们的组成原理、基本电路和分析方法。电子线路的分类：低频电子线路f300k按工作频率分高频电子线路300kf300mhz微波电子线路f300mhz模拟电子线路传输、交换模拟信号按信号的流通形式分数字电子线路传输、交换数字信号集成电路线性电子线路按集成度分按元件工作特性分非线性电子线路分立元件电路时变电子线路一、无线电发展简史从无线到有线：麦克斯韦方程提供了坚实的理论基础（赫兹证明了迈克斯韦的理论）。1895年，意大利的马克尼首次用电磁波通信获得成功；1901年，又完成了横渡大西洋两岸的通信；这意味着无线电通信进入实用化的阶段。1904年，电子二极管被发明，进入无线电电子学时代；1907年，电子三极管诞生，是电子技术发展史上第一个里程碑；1948年，晶体三极管发明，电子技术发展史上第二里程碑；上世纪60年代，集成电路的诞生是电子技术史上的第三个里程碑。无线电技术的核心任务是传输信息，高频电路所涉及到的单元电路都是以传输信息、处理信息为核心。二、无线电信号传输原理1.传输信号的基本方法如果导体内有高频电流通过（变化的电场），则有电磁能以电磁波的形式向空间辐射。高频电流为载波电流或载波，这种频率称为载波频率或射频（射频电子）。载有载波电流使电磁能以电磁波形式向空间辐射的导体称为发射天线。我们设法控制载波电流，使其含有基带信号的信息，即为无线电信号的发送过程。无线电信号的接收：接收天线把接收到的电磁波还原为与发送端相似的高频电流，然后想法取出原来信号。所以完整的通信系统由发送设备、传输媒质、接收设备组成。2.无线通信系统的组成首先需要产生高频载波电流——振荡器：将直流电转换为交流电的换能器；通常采用石英晶体振荡器，为了提高频率稳定度和增加输出功率，在主振器之后还要有缓冲级和放大级，将发射功率提高到所需要的数值，再发射出去。一般晶体频率不能太高，有的时候需要若干级倍频器把载波频率提高到所需的数值。倍频之后经过若干级放大逐步提高输出功率，最后经过功放推动级将功率提高到能推动末级功放的电平。末级功放则将输出功率提高到所需要的发射功率电平，经发射天线发射出去。其次，必须把声音信号加在高频电流上，这个过程称为调制。高频电流好比交通工具，载着声音信号向空间辐射。所以高频电流叫载波；声音信号就称为基带信号。调制的方法大致分两大类：连续波调制和脉冲波调制。本课程只涉及连续波调制。一个载波电流可以有三个参数可以改变：振幅、频率和相位，利2用基带信号来改变这三个参数中的某一个，就是连续波调制，分别是：调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。在接收端，首先把天线将收到的电磁波转变为已调波电流，由于天线接收的信号很微弱，所以要经过高频小信号放大器放大，然后再解调（即取出原来信号），最后经过低频放大推动扬声器转换为声音。直接接收式接收机的缺点是：对于不同的频率，接收机的灵敏度（接收弱信号的能力）和选择性（区分不同电台的能力）变化剧烈，灵敏度由于受高放的影响不能过高。所以，实际的接收机都采用超外差式接收机，如图：混频器的作用是把接收到的不同载波频率转变为固定中频，即所谓的外差作用，超外差式接收机的名称由此而来。高频电子线路是通信系统，特别是无线电通信系统的基础，所以它研究的对象是无线通信的基本单元电路，都属于非线性电子线路。其主要研究对象是这些单元电路的组成原理，基本电路及分析方法。除此还应考虑非线性电子线路所用的元件、器件和组件，以及信道或接收机中的干扰与噪声问题。二、无线电信号的特点：◆无线电信号有三种◆无线电信号的特性a）时域特性：指信号随时间变化快慢的特性，通常用时域波形和数学表达式（电压或电流）表示，要求传输信号电路的时间特性（如时间常数）必须与该信号的时间特性相适应。b）频谱特性：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。谐波次数越高，幅度越小，影响越小。频谱特性有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。3任何信号都占据一定的带宽，带宽就是信号能量主要部分所占据的频带。不同信号，带宽不同，高频频率越高，可利用的频带宽度就越宽，从而可以容纳更多信号。这就是无线电通信采用高频的原因之一。c）频率特性：指无线电信号的频率或波长。波长λ与频率f的关系为c=fλ，其中c为光速，f和λ分别为无线电波的频率和波长。对频率或波长进行分段，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，传播的方式也不同，因而应用范围也不同。无线电波的频段划分列表如下：波段名称波长范围频率范围频段名称主要传播方式和用途长波波段100～10,000m30～300kHz低频(LF)地波。远距离通信中波波段100～1000m300～3000kHz中频(MF)地波、天波。广播、通信、导航短波波段10～100m3～30MHz高频(HF)天波、地波。广播、通信超短波波段1～10m30～300MHz甚高频(VHF)直线传播、对流层散射。通信、电视广播、调频广播、雷达分米波波段10～100cm30～3000MHz超高频(UHF)直线传播、散射传播。通信、中继通信、卫星通信、广播电视、雷达厘米波波段1～10cm3～30GHz极高频(SHF)直线传播。中继通信、卫星通信、雷达非线性电子线路涉及的频段是从中频(MF)到超高频(UHF)的频率范围。d)传播特性:它是指无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等。不同波段的无线电信号，传播特性不同。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。无线电传播一般都要采用高频（射频）才适合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，天线才具有较多的辐射效率，这也是为什么要把信息调制到载波上的原因之一。e）调制特性：要通过载波传递信息，就必须使载波信号的某一个（或几个）参数（振幅、频率或相位）随信息改变，这一过程称为调制。调制的方式有还可用它们的组合调制方式。当数字信息进行调制时，通常称为键控。键控方式有一般情况高频载波为单一频率的正弦波，对应的调制为正弦调制，若载波为脉冲信号，则称为脉冲调制。本课程主要讨论模拟信息（调制）信号和正弦波的模拟调制，但这些原理和电路完全可以推广到数字调制中去，这就是举一反三。不同调制信号和不同的调制方式，其调制特性是不同的，对应解调也不同。三、高频电子电路的任务与功能及其分析方法任务：研究无线通信系统中非线性电子线路的基本电路、基本特点、基本分析方法和基本估算。功能：有两方面4①完成能量转换◆有输入信号控制下，把直流电源能量转换成按输入变化的交流信号能量。（功率放大器）◆无输入信号控制下，把直流电源能量转换成按特征频率变化的交流信号能量。（正弦振荡器）②频率变换（或频谱搬移）◆完成线性频谱搬移。（调幅、混频、检波）◆完成频谱非线性搬移。（调频、鉴频、调相鉴相等）分析方法①解非线性微分方程（复杂、繁、不被采用）②数值分析法（现代分析手段）③工程分析（课程采用方法，能明晰地分析各电路工作过程产生物理现象）◆图解法◆解析法：如指数函数分析法、折线近似分析法、线性时变系统分析法、差动特性分析法、开关函数分析法、频偏法以及矢量分析法等总之：本课程单元电路多，基本概念多，分析方法繁锁又不统一，系统性差，会给学习带来一定难度，但实践性强，电路应用灵活。5第2章选频网络选择需要的频率分量，滤除不需要的频率分量。串联谐振回路选频网络分两大类：单振荡回路1.由LC组成的振荡回路（谐振回路）：并联谐振回路耦合振荡回路LC集中滤波器石英晶体滤波器2.滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器§2.1串联谐振回路2.1—1概述信号源、电容和电感串联组成的振荡回路。由于这种电路具有谐振特性又可称为串联谐振电路。电感的感抗随信号源频率增加而增大，而电容容抗随频率而减小。当信号源频率为某个特定值时，回路电抗为0，而在偏离这个频率时，回路阻抗增大，这个特性成为谐振特性，这个频率称为谐振频率。2.1—2谐振条件R为电感损耗，C的损耗不计。电路如图：谐振的方式：保持LC不变改变信号源的频率或保持信号源频率改变LC的值，都可以使电路发生谐振。tVVsmssinjeZjXRCLjRZ)1(其中，2222)1(CLRXRZ幅角：RCLzrctgRXarctg1)1(CLjRVZVIss当L、C、R不变而的SV频率变化为某一值0时，电抗X=0，回路电流RVZVISS为最大值，回路发生了谐振。由电抗01CLX可得：谐振频率LC10或LCf210定义：谐振时的感抗值或容抗值为特性阻抗CLLLCCL11002.1—3谐振特性6串联谐振回路谐振时具有如下特性：谐振时，电抗X=0，阻抗jXRCLjRZ)1(最小且为纯阻；当0时，X≠00，CL1回路呈感性；0，CL1回路呈现容性。谐振时，回路电流最大，RVIS0且电流与外加电压同相。谐振时，电容及电感两端电压的模值相等，且等于外加电压的Q倍，不计电容及电感的损耗，有：soSLVRLjLjRVLjIV0000CRVjCjIVsco0001定义品质因数CLRCRRLRQ1100则：SLVjQV0SLVjQV0可见，谐振时，电容和电感两端电压模相等，为外加电压的Q倍，品质因数Q可达几十到几百，要考虑元件耐压问题。串联谐振又称为电压谐振。电压和电流的关系：谐振时，电压SV和电流OI同相，电流OI为最大值。0LV0LV超前OI90度；0CV滞后0I90度，SV0I0CV和0LV相位相反，且LomV和ComV都比SmV大Q倍。0CV实际损耗包含在线圈中，2202220221QVLRRVLRIVsmsmomLOm2.1—4能量关系串联振荡回路的能量关系：设谐振时瞬时电流tIimsin0L的瞬时能量（磁能）为：tLILiWmL2022sin2121C的瞬时能量（电能）为：CCCVW2217tVtCItdtICidtCvcmomomCcos)cos(sin11代入上式有：tCVWcmC22cos21，电容存储能量的最大值为：omsmsmsmcmLIRVLVCLRCQVCCV22222222121)1(21)(2121结论：谐振时，电容和电感上所存储的瞬时能量最大值相等，且为omLI221。如图2.1—3所示。谐振时，L和C上存储的瞬时能量和为：omomomLCLItLItLIWWW2222221cos21sin21结论：能量和不随时间变化，为一常数，说明，回路中储存的总能量不变，只是在L和C之间转换。计算谐振时电阻的耗能：R消耗的平均功率：RIRIPomom2221)2(一个周期内的耗能：02121fRIPTWomR回路储能与每周耗能比：221212100022QRLRLffRILIWWWomomRCL或：2Q回路储能与每周耗能比。结论：品质因数是回路谐振时回路总的储能与每周内耗能比的2倍。总的结论：串联谐振时，L中的磁能与C中的电能周期性转换着，其能量总和不变。电抗元件不耗外加电动势的能量，外加电压只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡，所以，谐振时回路中的电流最大。2.1—5谐振曲线和通频带一、谐振曲线回路中电流的幅值与外加电压频率之间的关系曲线，也称为幅频特性。串联谐振回路任意频率下电流：wwwwjQIwwcRwww