[理学]高频电子线路教案----doc

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f<300k

按工作频率分高频电子线路300k

微波电子线路f>300mhz

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

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

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。

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

①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。

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。

t V V sm s ωsin =

?ωωj e Z jX R C

L j R Z =+=-

+=)1

(其中，2222)1(C L R X R Z ωω-+=+= 幅角：R

C L zrctg R

X

arctg

ωω?1

-

==

)

1

(C

L j R V Z

V I s

s ωω-+==

当L 、C 、R 不变而的S V 频率变化为某一值0

ω时，电抗X=0 ， 回路电流R V Z V I S S ==为最大值，回路发生了谐振。由电抗01=-=C

L X ωω可得：

谐振频率LC

10=

ω或LC

f π210=

定义：谐振时的感抗值或容抗值为特性阻抗C

L L LC

C

L =

===1100ωωρ 2.1—3谐振特性

串联谐振回路谐振时具有如下特性：

● 谐振时，电抗X=0，阻抗jX R C

L j R Z +=-+=)1

(ωω最小且为纯阻； 当0ωω≠时，X ≠0 0ωω>，C L ωω1

>

回路呈感性； 0ωω<，C L ωω1

<回路呈现容性。

● 谐振时，回路电流最大，R

V I S =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：

s o S L V R

L j L j R V L j I V ωωω===0000 C

R V j

C

j I V s co 000

1ωω -==

定义品质因数C

L

R CR R

L

R

Q 1100=

=

=

=

ωωρ

则：S L V jQ V =0 S

L V jQ V -=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S V 和电流O I 同相，电流O I 为最大值。 0L V 0L V 超前O I 90度；0C V 滞后 0I 90度， S V 0

I 0C V 和0L V 相位相反，且Lom V 和Com

V 都比Sm V 大Q 倍。 0C V 实际损耗包含在线圈中，

2202220221Q V L R R

V L R I V sm sm om LOm +=+=

+=ωω

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t I i m ωsin 0=

L 的瞬时能量（磁能）为：t LI Li W m L ω202

2sin 2121==

C 的瞬时能量（电能）为：C C CV W 2

2

1=

??-=-===

t V t C

I tdt I C idt C v cm om om C ωωωωcos )cos (sin 1

1代入上式有： t CV W cm C ω22cos 2

1

=

， 电容存储能量的最大值为： om sm sm sm cm LI R V L V C L R C QV C CV 222222

22

121)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om LI 2

2

1。如图2.1—3所示。谐振时，L 和C 上存储的瞬时能量和为：

om om om L C LI t LI t LI W W W 222222

1

cos 21sin 21=+=

+=ωω 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：R I R I P om om 2

22

1)2

(

=

= 一个周期内的耗能：0

2121f R I PT W om R =

= 回路储能与每周耗能比：ππω2212121000

22

Q R L R Lf f R I LI W W W om om

R C L ====+

或：π2=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2π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：

?

??

?

??-+=

???

?

?

??-?+=

??? ??-+=?

?

? ??

-+=w w w w jQ I

w w cR w w w R L w I wc wL R j R V wc wL j R V I

s

s

0000001111111 含

振频特性和相频特性。

:S 称为回路的选择性，或谐振曲线方程。它表示回路谐振不变时（C.L 等），谐振回路的相对幅值随信号源频率变化的规律。谐振曲线如图所示。

Q 值越大，曲线越尖锐，对外加电压的选频与显著，选择性越好。

式子：?

??

?

??-+=w w w w jQ I I 000

11

定义：0w w w -=?外加电压频率与回路谐振频率之差为，绝对失谐量（或失调量）表示的程度。偏离0w w

()()2

2

02

0020

0000002

2000000000011

21111

221

R X

ξξξ+≈?

??? ?

??+≈

?

??? ??-+==

?=-?≈-+=--???? ??-=???? ??-=-???

? ??-om m

om

m

I I w w Q w w w w Q I I S w w w w w w w ww w w w w ww w w w w w w w w w w w w Q w w w w R L w R

wc

wL w w w w Q 或

＝附近时，

在当＝（谐振时的阻抗）（失谐时的阻抗）＝为广义失调（谐）量。＝定义：

特性方程。小量失谐时的通用谐振0

2w w

Q

?≈ξ 由该式可绘制通用谐振曲线：

2

00211

???

? ??-+==

w w w w Q I I S om

m

二．通频带

Q f f Q w w w w

Q w w Q I I w w f w w w w w om m om m 0

7.007.002

0127

.07.0121

22212211

21I 2

1

I ,22,2

1＝或＝，＝＝所以有：通频带的边界频率处，半功率点。所以，边界频率又称为，

振时的一半回路中损耗的功率为谐在边界频率上，为通频带的边界频率，或称为通频带。用倍时，对应的频率的

回路电流降为谐振电流??∴±??

???

?

??+=

==

??-ξ

Q

w w 1

2:

07.0=?相对通频带为 结论：通频带与回路的品质因数Q 成反比，Q 越高，谐振曲线越尖锐，回路的选择性越 好，频带越窄。因此对串联谐振回路。Q 与7.02w ?存在着矛盾。 2.1－6 相频特性曲线

相频特性曲线是值：回路电流的相角ψ随频率变化的曲线w 。

ξψξψarctg w w

w w

arctg w w w w arctg R X arctg w w w w jQ -,2Q

:2Q Q 11

I I :0

000000≈∴?=?-≈???? ??-=-=?

??

?

??-+在小量失谐时＝

由式子 有这两式分别绘制串联振荡回路的相频特性曲线和通用相频特性曲线.

曲线越陡

容性时感性时同相与即时,,0,0,021000Q Q w w w w V I w w s >><<>==ψψψ

2.1－7信号远内阻及负载对串联谐振回路的影响 由于下降的接入，将使与Q R l s R

R

R R L w Q L s L ++=

0 有载Q 值

R

L

w Q 0=

无载（空载）Q 值。显然，Q Q L < 因此接入信号源及负载电阻后,串联振荡回路选择性变坏，频带展宽。

串联振荡回路适用于：信号源内阻及负载电阻不太大的情况。

例P18。1－2－1已知串联谐振回路L=400μH,要求回路调节在1MHz 上，试决定回路电容。

2.2并联谐振回路

2.2－1 概述

串联谐振回路适用于信号源内阻为0或不太大的情况。如果信号源内阻很大宜采用并联谐振回路。 L.C 信号源并联。电容C 损耗不计，损耗电阻R 集中在电感支路。 2.2－2 谐振条件

()

()??? ?

?-++=

+++=wC wL j R jwC

jwL R jwC jwL R jwC jwL R Z 11

11

当?

?? ?

?

-+=

?

?? ?

?

-+=

>>wL wC j L

CR

wC wL j R R wL C

L

11

1Z ,时

设外加电流源的电流为s

I ,则并联谐振回路的端电压为: ??

? ??

-+==wL wC j L CR I Z I V s

s

1

若回路总损耗电阻r=30Ω,求该回路的通频带及对f=980kHz 信号的抑制能力。 解：()

()

pF L

f C LC

f 6310

40010121

21

,216

2

62

00=????=

=

∴=

-πππ

()()dB

s dB S f f Q S KHz

Q f Bw r L w Q 9.10285.0lg 20lg 20285

.010100010980100028411

211

9.11841084

301040010122

332

006

007.06

600-====???

?????-??+=

???? ?

??+=

====????==-π

采用导纳分析：设振荡回路的导纳??

? ??-+==

+=wL wC j L CR Z jB G Y 11 其中，L CR G =

为电导 wL

wC B 1

-=为电纳

Y

I V sm

m =

当回路电纳为0时 B ＝0

s s I CR L L

CR I V V ===0 回路电压与电流s

I 同相，并联回路对外加信号源频率发生并联谐振 01

=-

=wL

wC B 并联谐振条件 则，谐振频率LC

f LC

w p p π211=

=

或

当R wL >>的条件不满足:

()

??

? ??-+-=

?

?? ?

?

-+-=??? ??-++=wCR R wL

j wL

R

j

CR L wC wL j R wC R

j

C L wC wL j R jLC jwL R Z 111111

谐振时，Z 为实数。则：

wCR

R wL wL R 1

-

=-

由此解得并联谐振角频率为：3

2

1L R LC w p -

= 2.2－3 谐振特性

并联谐振回路有如下特性：

1） 谐振时，电纳B ＝0。导纳p p G jB G Y =+=为最小值

电压p

s

G I V =0达到最大值且与电流s

I 同相。其中 p G 为谐振电导 L CR

G p =

, 其倒数CR L G R p

p ==1为谐振电阻，其值最大 C

L

R CR w R

L w Q p p p 11==

=

特性阻抗C

L

=ρ 并且谐振电阻：()L Qw R

L w R C L RC L R p p p =?=?==

112

或：wpC Q R C w R wpC RC L R p p

p 1

111222

?==????? ??== 结论:并联谐振电阻等于感抗值或容抗值的p Q 倍。当p Q >>1时，p R 很大。

并联谐振时：阻抗最大，并为纯阻。无谐时，阻抗减小，Z 含电阻e X 和电阻e R 2） 谐振时，电感及电容中的电流幅值为外加电流源s I 的p Q 倍。

谐振时：s p p p s p p s p p p p Cp

I jQ C

w Q I C jw R I C jw V C jw C

jw V I =??=?=?==110 s p p p s p p s p p Lp I jQ L w Q I L

w j R I L w j L jw V I -=??-=??-==110 结论：谐振时，电容支路电流超前信号源电流s I 0

90；电感支路电流滞后于s

I 0

90。实际小于0

90。 2.2－4 谐振曲线，相频特性曲线和通频带。

并联谐振回路，当R wL >>时，任意频率下谐振回路电压：

()谐振时回路端电压0

111111V R I w w w w jQ R I R wC wL j R

C L I wC wL j R jwC jwL R I Z I V p s p p p p

s s

s

s

=???

?

??-+=

?????

?

?

?

-

+?=?

?? ??

-++== 谐振曲线

作图选择性分别写出含幅频特性和相频特性,,11

V :11

,1V

200S w w w w Q V w w w w jQ V V w w w w jQ V p p p om

m p p p p p p =???

?

???????? ??-

+=???

?

??-+=???? ??-+=∴

当

p

p

p p p om

m p w w

Q w w w w Q V w w ?=+???

?

???????? ??-

+=2:,1111

V :

2

2

ξξ即附近时在 ξarctg w w

arctgQ p

p

-=?-=ψ2 000021

B w w Q w w w w G

C w G wL wC G p p ??≈???

? ??-=-

=

=

谐振时的电导

失谐时电纳ξ 结论：并联振荡或路的通用谐振曲线与相频特性与串联回路相同。

通频带：..2

112小量失谐时为通频带对立的频率w w V V S om

m

-=

=

p p p p p p Q f f Q w w w w =?=?∴=???? ?

??7.07.02

222,12Q 或＝ξ 结论：p Q 愈高，谐振曲线愈尖锐。选择性愈好，通频带愈窄。 2.2－5 信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响

并联谐振电路后的例题

已知：为负载电阻。为信号源内阻，L g R R r pF C H L ,12,200,586Ω===μ

试求未接信号与负载和ΩK 200,均为L g R R 时，回路等效品质因数，谐振电阻，通频带及失谐

KHz f 10±=?的选择性

解：（1）未接负载及信号源时

()()

dB S dB S f

f Q w w w w Q V V S KHz

Q f f KHz

LC f r C L

r Q K Cr L R p

p

m

m

p p p p p 16lg 204562014311

21111

3.3143456

245610

2001058621

21143

12102001058624412

10200105862

2

2

22

207.012

612

6

126

-==?

?

?

???+=

???

? ???+≈

???

? ??-

+==

===?=???===??===Ω

=???==------ππρ

（2）接

合并电阻：Ω=++=

=K R R R R L p g T 712441*********

5.4110200105861071107112

6

33

=???=

?=

=

--C

L R Q T

ρ

减小

KHz Q

f f p 2.115

.41143

27.0==

=

? 展宽

()()()

p

p p p p p T p p T l L p s T om

m

LG w L

w R Q L w LG w L w R R R R dB S dB S f f Q V V S 1G G G 1

1Q G G G G ,R .2.6lg 204561025.4111

211

L p s L p s T 2

22

02=

=

++=

==++=-==??? ????+=

???

? ???+==

品质因数：＝电导表示：选择性变差

结论：品质因数减小，选择性变差，频带展宽。()L L s L s Q G G R R 越大越小和,,下降越多. 并联谐振回路适用于信号源内阻很大和负载电阻也大的情况,以便L Q 较高获得较好的选择性。 2.2－6 串并联谐振回路比较