高頻電子線路Class04

1、高頻電子線路王軍王軍汕頭大學(xué)電子工程系(2)傳輸變壓器傳輸變壓器傳輸線 傳輸線主要采用雙導(dǎo)線、同軸線等。由于當(dāng)工作信號頻率很高時(shí)，信號的波長可與電路尺寸相比擬時(shí)，就不可能把導(dǎo)線和電路看作集總參數(shù)電路了。因此就必須要考慮分布參數(shù)。如圖所示。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:11-Jan-2005Sheet of File:D:DESIGN EXPLORER 99EXAMPLESMyDesign5.ddbDrawn By:C0C0L0L0R0R0G0G0i+_+_uu圖 傳輸線分布參數(shù)lR0兩根導(dǎo)線每單位長度具有的電阻。L0兩根導(dǎo)線每

2、單位長度具有的電感。C0每單位長度導(dǎo)線之間的分布電容。G0每單位長度導(dǎo)線之間的電導(dǎo)。當(dāng)G0、R0為0時(shí)，叫無損傳輸線，如果沿線每處分布參數(shù)都相等，則稱為均勻傳輸線。 00CLZc 為：為：無損傳輸線的特性阻抗無損傳輸線的特性阻抗）（一一般般大大于于為為相相對對介介電電常常數(shù)數(shù)，且且總總傳傳輸輸線線的的波波速速：421cvrr rrfcfv 0 傳傳輸輸線線上上的的波波長長： 因此電磁波在傳輸線上的傳播速度和波長都比在真空中要小。只要保證傳輸線的長度L小于波長，則可以把它看作一個(gè)集總元件，當(dāng)滿足如下條件：為為最最高高信信號號頻頻率率。maxmaxminmin,)10181(ffvl 那么只要l

3、很小，則傳輸線的高頻范圍就很寬。在忽略傳輸線上的損耗時(shí)，根據(jù)傳輸線理論，可以有以下結(jié)論： 兩線對應(yīng)點(diǎn)通過的電流必定大小相等，方向相反。 在滿足匹配的條件下，兩導(dǎo)線間電壓沿線均勻分布。傳輸線變壓器傳輸線變壓器 傳輸線變壓器就是利用繞制在磁環(huán)上的傳輸線而構(gòu)成的高頻變壓器。 圖 2 -17 為其典型的結(jié)構(gòu)和電路圖。磁環(huán)42132143(a)(b)圖 2 17 傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)和電路 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖; （b） 電路 因此，傳輸線變壓器可以看作雙線并繞的1:1變壓器，也可看做繞在磁環(huán)上的傳輸線。所以它有變壓器方式和傳輸線兩種工作方式，取決于激勵(lì)形式。如圖2-18所示。RSES1324U1.RL

4、U2.ZCI.RSES1234U1.RLUL(a)(b)I. 圖 2 18 傳輸線變壓器的工作方式 (a) 傳輸線方式; (b) 變壓器方式 傳輸線變壓器的一般應(yīng)用 1:1倒相器RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4 倒相器 可以看出，對地為正的輸入變成了對地為負(fù)的輸出，輸入輸出大小相等，方向相反。平衡和不平衡變換器RSESU1.132U2

5、.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4不平衡平衡變換器 在這個(gè)電路中，單端對地輸入變換成了雙端對地的平衡輸出，而且為了與傳輸線匹配，應(yīng)該滿足RS=ZC ,RL=ZC，同樣，只要改變激勵(lì)方式，也可以實(shí)現(xiàn)平衡非平衡變換。1:4和4:1阻抗變換器RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.

6、RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4RiLLiLLLLLRURUIURRURUURUII412222111121 因因此此：1:4阻抗變換器3dB耦合器RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4 在這個(gè)電路中，根

7、據(jù)對稱性，流過兩個(gè)RL電流應(yīng)相等，那么就有UA=UB，UAB=0，所以流過Rb的電流為0，Rb上沒功率輸出，那么，信號源輸出的功率被均勻的分配到了兩個(gè)負(fù)載電阻上，及每個(gè)電阻上的功率和輸入功率的一半，因此該電路叫3dB耦合器，也叫功率分配器。3dB耦合器2.2.3其它形式的濾波器其它形式的濾波器 隨著無線電技術(shù)的飛速發(fā)展，在高頻電子線路，特別是高頻集成模塊中，對濾波器性能的要求越來越高，比如要求非常高非常高的頻率穩(wěn)定度的頻率穩(wěn)定度，阻帶衰減特性陡峭阻帶衰減特性陡峭；因此采用普通的普通的LC濾波濾波器器的性能不可能滿足要求(Why?)。在高頻電路系統(tǒng)中除了使用LC諧振電路諧振電路外，目前還經(jīng)常使用

8、一些集中參數(shù)濾波器作為選頻電路，以改善電路的穩(wěn)定性，及其系統(tǒng)性能以及電路的微型化。目前常用的集中參數(shù)濾波器有： 石英晶體濾波器(SiO2) 陶瓷濾波器 聲表面濾波器等（Surface Acoustic Wave)。 薄膜體聲(FBAR)濾波器利用利用機(jī)械諧振機(jī)械諧振來達(dá)到濾波目的來達(dá)到濾波目的同頻率諧振，機(jī)械波波長小于電磁波波長在獲得好的濾波效果的同時(shí)縮小濾波器體積普通LC濾波器可以實(shí)現(xiàn)高性能的濾波，只不過不利于集成化、小型化或微型化；不利于在特別高頻段工作。（1）石英晶體濾波器石英晶體的物理特性壓電效應(yīng) 圖2-20石英晶體諧振器（a）晶體形狀、（b）切割方式、（c）晶振結(jié)構(gòu)、（e）晶振符號(

9、a)(b)(c)(e)石英晶體諧振器的等效電路和阻抗特性圖2-21 晶體諧振器的等效電路（a）泛音等效電路，（b）基頻等效電路Lq、Cq、rq是對應(yīng)于機(jī)械共振而等效的電感、電容和損耗電阻，C0是靜態(tài)電容，而且一般CqC0，rq也非常小。因此在忽略了rq后，阻抗Ze為：000022220002020(1/)11111111111111qqqqeqqqqqqqqqqjLCLCjCZjCLjLCCCjCL CjjCCC CLCC 00011,qqqqqqL CC CLCC 式式中中00000000011221112221(1)(1)22eeqqqqqqqqqqqqqqZZfLCCCfCC CL CL

10、CCCCpfffCC 顯然當(dāng)時(shí)發(fā)生串聯(lián)諧振，而當(dāng)時(shí)發(fā)生并聯(lián)諧振，因此，石英晶體諧振器具有兩個(gè)諧振頻率。串聯(lián)諧振頻率：并聯(lián)諧振頻率：(2-45)(2-46)泰勒級數(shù)展開,忽略高階無窮小即00qqqCCpCCC 由于接入系數(shù)很小，則外電路對晶體的影響必然也很小。圖2-19是晶體諧振器的電抗特性 由于CqC0,而且兩個(gè)電容的串聯(lián)CqC0/（Cq+C0）Cq，因此兩個(gè)諧振頻率距離非常近。在ff0電路也呈容性，而在fqf1時(shí)， 此法失效， 可用精確的串-并聯(lián)阻抗變換公式計(jì)算。在耦合振蕩回路中， 互感M是重要的調(diào)節(jié)參數(shù)。改變M，可改變耦合阻抗Zm和耦合系數(shù)k。由式(2-26)可知， 初級回路的反映(射)阻

11、抗 Zf 會(huì)改變初級并聯(lián)諧振回路的阻抗。因此， 通過調(diào)節(jié)互感M就可實(shí)現(xiàn)阻抗變換。其具體應(yīng)用參見第3章的有關(guān)內(nèi)容。2.3.2 LC網(wǎng)絡(luò)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)阻抗變換LC網(wǎng)絡(luò)的形式很多， 常見的有L()型、T型和型。用LC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)阻抗變換的共同基礎(chǔ)是串-并聯(lián)阻抗變換公式。1. 串并聯(lián)阻抗變換公式如圖2-29所示， 將串聯(lián)的電阻Rs和電抗Xs等效地變?yōu)椴⒙?lián)的電阻Rp和電抗Xp(或者相反)， 根據(jù)阻抗相等的原則， 有由此可得 (2-49a) (2-49b)ssppj1j11XRXR)1 (2ss2s2spQRRXRR22ssps2s1(1)RXXXXQ圖 2-29 串-并聯(lián)阻抗變換由上式可以很容易導(dǎo)出Rs和Xs

12、與Rp和Xp的關(guān)系。式中， 品質(zhì)因數(shù)Q為 (2-50)在1時(shí)， Rp遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Rs， 而電抗的性質(zhì)不變， Xs和Xp的數(shù)值也幾乎相等。pss2222p(1)(1)/ssssRQR QQXQQXRXQRX2. L型網(wǎng)絡(luò)阻抗變換型網(wǎng)絡(luò)阻抗變換L型網(wǎng)絡(luò)是一種異性質(zhì)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)， 按負(fù)載電阻與網(wǎng)絡(luò)電抗的并聯(lián)或串聯(lián)關(guān)系， 可以分為L-I型網(wǎng)絡(luò)(負(fù)載電阻R與p并聯(lián))與L-型網(wǎng)絡(luò)(負(fù)載電阻RL與Xs串聯(lián))兩種， 如圖2-30所示。圖中， Re為匹配后要求的負(fù)載電阻或信號源的內(nèi)阻，s和Xp分別表示串聯(lián)支路和并聯(lián)支路的電抗， 兩者性質(zhì)相異。串聯(lián)諧振形式并聯(lián)諧振形式將較大的負(fù)載轉(zhuǎn)換為一個(gè)較小的電阻，以實(shí)現(xiàn)與較小源內(nèi)

13、阻的信號源匹配222222pLLppLsspLLpLpjX RR XX RRjXjjXRRXRX222222eLppLssLpLpR XX RRXRXRXR22222ee22222222/()/()()()/()/()RR11 sLLpLLpLpLLsppLpLpLpLsspLXRRXRR XRXRRQRXXRXR XRXXRRRXssXX 復(fù)匹配，則串聯(lián)諧振圖 2-30 L型匹配網(wǎng)絡(luò)(a) L-I型網(wǎng)絡(luò)eee| |RR (R )sssLXXQQRReeR|RLpLLRXRQR怎么設(shè)計(jì)L-I型匹配網(wǎng)絡(luò)?圖 2-30 L型匹配網(wǎng)絡(luò)(b) L-型網(wǎng)絡(luò)22222222111,ssLsLLppsLsL

14、sLppLsjXXRXRRRXjXRXRXRRjXRXpeLL|11sLRXRQRRR )(LeLLsRRRQRXLeLeeppRRRRQRXX怎么設(shè)計(jì)L-II型匹配網(wǎng)絡(luò)?L型網(wǎng)絡(luò)的元件值由型網(wǎng)絡(luò)的元件值由Q值值(不要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1)唯一確定，唯一確定， 而而Q又又取決于匹配前取決于匹配前/后的負(fù)載電阻值，后的負(fù)載電阻值， 這樣， L型阻抗變換網(wǎng)絡(luò)就型阻抗變換網(wǎng)絡(luò)就很難兼顧濾波功能了很難兼顧濾波功能了。L-型網(wǎng)絡(luò)適合于型網(wǎng)絡(luò)適合于RLRe的情況，的情況， 而而L-型網(wǎng)絡(luò)適合于型網(wǎng)絡(luò)適合于RLRe。如果使用其他計(jì)算公式，其使用條件需要變化。p1eXRQ 1/ )1 (e2LLp1RQ

15、RRX2e2es11/ )1 (QRQRLQRX同并聯(lián)諧振同并聯(lián)諧振T T型和型和型阻抗變換網(wǎng)絡(luò)可以得到好的濾波特性的關(guān)鍵在于：增加了一型阻抗變換網(wǎng)絡(luò)可以得到好的濾波特性的關(guān)鍵在于：增加了一個(gè)中間阻抗個(gè)中間阻抗2.3.3 變壓器阻抗變換變壓器阻抗變換高頻變壓器高頻變壓器:對于理想變壓器，若初、次級線圈的匝數(shù)分別為N1和2，則接在次級線圈上的負(fù)載電阻RL，折合到初級回路后為 (2-56)L221LRNNR根據(jù)能量守恒定律根據(jù)能量守恒定律, ,很容易得到很容易得到傳輸線變壓器傳輸線變壓器:這已經(jīng)在前面的介紹傳輸線變壓器的時(shí)候介紹了,這里不重復(fù)講述.2.3.4 電阻網(wǎng)絡(luò)阻抗變換電阻網(wǎng)絡(luò)阻抗變換(同同

16、“高頻衰減器高頻衰減器”章節(jié)章節(jié))電阻網(wǎng)絡(luò)阻抗變換器是一種有損耗的寬帶阻抗變換器，稱為高頻電阻匹配器。利用高頻電阻匹配器，可以直接把需要相連接的兩部分高頻電路匹配連接起來。在高頻電路中，器件的終端阻抗和線路的匹配阻抗通常有50 和75 兩種。因此，最常用的電阻匹配器是50/75 的阻抗變換器，通常有電阻衰減型和變壓器變換型兩種方式。對于一般情況，通過如圖2-32所示的T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，就可以制成電阻網(wǎng)絡(luò)阻抗變換器。圖中，Z1、Z2分別為兩端的匹配阻抗，匹配器的最小衰減量為 (2-57)1122212121minZZZZZZ圖 2-32 T型電阻網(wǎng)絡(luò)匹配器11223|ZRRZR從源往右看要有輸入阻