高频电路设计与制作

《高频电路设计与制作》[转]第一章高频电路基本常识第一部分为何要学习高频电路的知识电子电路可以分为模拟电路与数字电路，而模拟电路又可以分类为低频率电路与高频电路。

一般的电子技术人员，首先尝试设计或制作的，大多以数位电路或低频率电路为主，此较少从高频电路开始的。

其主要原因是，高频电路较难去理解，往往所制作出的电路无法如预期的设计目标动作。

但是，如果忽略了高频电路的基本常识，也可能使所设计出的数位电路或低频率电路不能成为最适当，甚至於可能会造成动作的不稳定。

相反地，如果能够熟悉高频电路，也可以提高数位电路或低频率电路的设计水准。

近些年，无论是数位电路或以直流为主的测试仪器电路，对於处理系要求高速化，结果也使得高频电路的基本常识相当重要。

低频率电路与高频电路的区别为了了解高频电路的特征，在此，对低频率电路与高频电路作一此较。

如下图1所示的为低频率电路与高频电路的此较。

图（a）为低频率电路，图(b)为高频电路。

首先，说明信号的流通。

由於在低频率电路的信号其波长较长，一般可以忽略时间因素。

因此，振荡器的输出端舆放大器的输入端可视为同一信号。

也即是，在低频率电路中的信号流通如箭头的方向所示，成为闭回路，此也称的为集中常数的考虑方法。

而在高频电路中，由於波长较短，不可以忽略时间的要素。

在同一时间的振荡器输出端，中途的电缆线上，放大器的输入端的信号就非同一信号，也就是说信号像电波一样传输着，这种考虑电路问题的方法称为分布常数。

一般地，在集中常数电路中的低频电路中，对於电缆线的限制较少，可以使用一般的隔离线，重视杂讯兴频率特性。

而在分布常数电路中的高频电路中，为了不使信号发生传送路径上的失真，使用同轴电缆线，重视特性阻抗。

在放大器的输出端所连接的负载如下：图1-(a)低频电路图1-(b)高频电路图(a)低频率电路为定电压驱动……即图b高频电路为功率驱动……信号的单使负载阻抗有变化，输出电压也一定，放大器的输出阻抗Zo舆负载的阻抗ZL 的关系为Zo<ZL。

位为功率，从负载能够取出的最有效功率为在Zo=ZL状态下，也即是在阻抗匹配( Impendance matting)状态下。

因此，低频率电路与高频的电路分析的考虑方法方法下一样。

集中常数电路与分布常数电路右图所示的为以传送路线为例子，说明集中常数电路的分析方法与分布常数电路的分析方法。

实际上，无论任何低频/高频电路，也都存在有电阻R，电容器C，线圈L。

可是，如图(a)所示，在传送路径很短的情况下，或者在低频率信号的场台，可以忽略R，L，C的存在，当做集中常数处理。

如此，可以使电路分析简单化。

而在图(b)的场合，在传送路径较长，或者在高频信号的场合，不可以忽略R，L，C的存在。

随着时间的经过，信号在传送路径(路线)上，会以①→②→③的情况前进。

第一章高频电路的基本常识第二部分高频信号傅送分析为了了解信号的传送，可以以图3的实验说明。

使用长度为30m的同轴电檀线，在电缆综的左端连接脉冲发生器，在右端连接50Ω的终端负载。

在此一状态下，产生脉冲宽度为0.1μs=100ns的单次脉冲。

图3 脉冲信号传送实验(使用30m的同轴电缆做为实验。

由信号源发射脉波宽幅为lOOns(10MHz)的单次脉波冲)照片29所示的是以示彼器的ch A(上方)连接脉波发生器，以ch B(下方)连接负载端做为观测。

由波形中可以发现ch A的脉波发生器端舆ch B的负载端亩产生时间上的差距。

照片29 在同轴电缆上传送脉冲波的情形(5V/div，100ns/div)(图3的实验结果，由脉波发生器所发射的脉波，经由同轴电缆传送到负载端子此时会在同轴电缆线上产生传送时间的延迟。

在空间的电波传播速度为光速，但是，在同轴电缆线内的傅播速度要乘以速度系敷(?=0.62)之所以会产生此一时间差的原因，可以用图4所示的电缆线内的信号传送原理来解释。

在图(a)中，在脉波产生的同时，於同轴电缆线内会产生电缆面发生了电场，此後，电荷住负载端移动而产生电流，因而会发生磁场。

也即是，随着时间的经过，信号会以(a)→(b)→(c)的情况前进。

这种情况与连续波的高频信号传送相同。

双重电波……前进波舆反射波的产生高频信号以电波形式在电缆线内传播，很快就到达电缆线的终端。

在电缆线终端所连接的负载，会将所传送来的高频能量消耗。

此时，假设传送电缆线的阻抗为Z，终端负载的阻抗为ZL。

而在Z不等于ZL，也即是在阻抗没有匹配的状态下，无法将高频能量完全消耗，所剩下的能量成分会返回至信号源端。

因此，在传送电缆线上，除了有从信号源传送至负栽的前进波以外，还有从负载端返回至信号源的反射波存在。

关於反射波的存在，可以使用图3的电路实验。

照片30所示的为观察结果。

照片(a)为终端负载ZL=50Ω，也即是在阻抗匹配的情况下，所得到的波形。

由於前进波的能量会在终端负载消耗掉，因此，不会产生反射波。

照片(b)为将终端负载取开，成为开路状态下的情形，照片(c)为将终端短路成为非匹配状态下的情形。

由於前进波的能量没有在终端负载消耗掉，因此，会有反射波产生。

照片30 前进波与反射波的情形(5V/diV，lOOns/div)(为了观测反射波，发射单次脉冲，在ZL=50Ω的阻抗匹配状态下，不会发生反射波。

如果将负载开路，前进波会维持原状反射。

在同轴电缆线30m上的往返时间只花了约0.3μS。

如果将负载短路，前进波会反相而反射。

反射波的相位在ZL<50Ω时，会反转。

)(a)阻抗匹配良好(c)将负载端短路(b)负载端开路前进波+反射波……驻波的产生如图6所示，将高频信号利用传送电缆线传送。

如果将终端负载设为开路时，由於前进波会在负载端反射，因此在电缆线上同时存在有前进波与反射波。

此时，将前进波与反射波合成，便会在电缆线上产生电压波形，此一电压波形与时间无关，在同一位置发生，因此称其为驻波(Standing wave)。

前进波(进行波)与反射波的关系可以用反射系数表示。

其关系如下：=反射波的振幅/前进波的振幅，又=(ZL-Z)/(ZL+Z)图6 驻波产生分析(前进波与反射波在传送路径上合成後便成为驻波，此驻波与时间无关永远维持一定的波形)=反射波的振幅/前进波的振幅，或者=(ZL-Z)/(ZL+Z)另外，在传送路径上所形成电压的最大值Vmax与最小值Vmin之比，虽然称为电压驻波此VSWR，但一般的情况仅以驻波此SWR替代。

SWR可以用以下式子表示。

SWR=Vmax/Vmin或SWR=（1+︱︱）/（1-︱︱）第一章高频电路基本常识第三部分如何降低传输过程中的高频功率损耗--阻抗匹配高频信号所使用的机器或电缆线，都有其固有的阻抗，一般的机器阻抗为50Ω或75Ω。

各高频机器间连接时，为了有效率地传送功率，需要阻抗匹配良好，俗称“阻抗匹配”。

图7所示的为阻抗匹配与功率的关系。

在圆(a)的电路中，假设传送方的输出阻抗为r，负载方的阻抗为R，则供应至负载的功率P为在此，令r=50Ω，改变R值而求功率P，会得到如图(b)所示的图形。

由此，可以看出在R=r时，所供应的功率P为最大，此称为阻抗匹配。

信号的大小表示分贝[dB]关於放大率、增益与信号的大小，一般均用用分贝[dB]表示。

表示方法如表1所示有3种方法。

高频电路的增益是指功率增益。

(注：国内“常用对数”表X；原文为log，现保留，下同。

)示为lg，也即log10▲相对位准用dB表示对於放大器的放大率或电阻的衰减度而言，为一种相对的表示方法，此时可以用输人为基准，表示输出的大小。

功率放大率Gp，可以表示如下。

Gp=10㏒(Po/Pi)[dB]▲绝对位准用dBm表示以lmW为基准的表示方法。

也即是以Pm=lmW为基准值，例如，P=100mW时，用dBm可以表示如下。

Gm=10 ㏒(P/Pm)=10log100=20dBm▲绝对位准用dBμ表示以1μV为基准的表示方法。

也即是以Vp=1μV为基准值。

例如，V=1V时，用dBμ可以表示如下。

Gv=20㏒(V/Vμ)=20㏒106=120dBdBμ对於高频电路的测试，可以使用如图8所示的标准信号发生器SSG(Standard Signal Generator)做为信号源，此一SSG的输出常用dBm与dBμ表示。

此处，dBm为功率的输出表示。

也即是，SSG的输出在连按ZL=50Ω负载并取得阻抗匹配状态下的输出值。

而dBμ为SSG的输出端子为开路状态下的输出电压值。

因此，如果在输出端连接ZL=50Ω的负载时，实际的输出值比此SSG的表达值小6dB。

图8 SSG的输出位准(对於SSG的轮出位准可以用dBm或dBμ表示。

此时dBm为SSG在阻抗匹配状态下的输出值，而dBμ为输出开路状态下的输出值。

)备注栏：关於dBμ与dBm▲dBμ是以1μV为基准的电压表示。

例如，1mV可以用60dBμ表示。

又，SSG的输出位准是在无负载情况下的表示值。

▲dBm为1mW为基准的电功率表示。

例如，0.0lmW可以用-20dBm表示。

又，SSG的输出位准为在额定负载情况下的表示值。

（数字信号及其频谱）2-1 高频信号放大器所应具备的特征放大电路可以说是模拟信号处理电路的基本单元，尤其对高频接收机与发射机而言。

在接收机里，放大电路要将从天线所输入的?V单位的小信号加以放大，在发射机方面，功率放大电路也要将信号放大至以W为单位的信号级别。

在本章中，将依次分析小信号高频放大器，宽频带放大器，功率放大器等3种不同类型的放大电路。

2-1 在高频放大电路所要求的特性对於所使用的频带的功率增益要高在直流放大和低频放大电路中，增益(Gain)一般是指电压增益；而在高频率电路中，增益一般常用功率增益来表示。

例如，在图2-1所示的电路中，由天线所输入的信号为-30dBm(0.00lmW)，当高频放大器的功率增益为25dB时，输出信号变成为-5dBm。

图2-1 高频电路的增益为功率增益(在高频放大器中，一般是以每级功率增益限制在20~30dB的程度来设计。

如图若输入信号为-30dBm，增益为25dB时，放大後的信号成为-5dBm。

)产生的杂讯要很小S/N称为信噪比，常用于表示信号的品质，反映具体信号中有用信号和杂讯的比率。

如图2-2所示，由於放大器在放大信号的同时，内部本身也会产生杂讯，故信号在输出端较之输入端的S/N值要小，品质会变差。

对於由於放大而造成信号S/N变化，可以用杂讯指数NF表示。

理想放大器的NF为0dB。

图2-3所示的为改善NF的例子，在杂讯指数为8dB的接收机，连接前置放大器(pre-amplifier)的高频放大器。

此时的前置放大器的NF为2dB，功率增益为25dB。

因此，连接前置放大器後的NF可以用以下公式表示。

将数值代人此公式，可以得到连接前置放大器後的NF成为NF=10log[1.58+(6.3-1)/316]=2.03dB由此可以看出，加入前置放大器，可以改善全体的NF，而得到高增益，低杂讯的放大器。