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1、射頻模擬電路 開課學(xué)院： 電子工程學(xué)院 授課教師： 敬守釗 聯(lián)系電話辦公地點： 科C313射頻模擬電路課程概況 前導(dǎo)課程：電路分析基礎(chǔ)、信號與系統(tǒng)、 模擬電路基礎(chǔ) （低頻、線性） （電子器件、基本放大器） 研究內(nèi)容：用于各種無線電通訊設(shè)備的 單元電路（高頻、主要非線性） 課程別名：高頻電路、高頻電子線路、通 信電子線路、非線性電子線路 課程教材：射頻模擬電路與系統(tǒng)， 張玉興等，電子科大出版社 參考書目：高頻電子線路，楊紹城， 電子科技大學(xué)出版社 高頻電子線路，張肅文， 高等教育出版社 考試方式：一頁紙開卷 成績構(gòu)成：平時20，期末80 平時成績：課堂紀律、作業(yè) 緒論

2、0.1 射頻模擬電路在通信系統(tǒng)中 的地位 射頻模擬電路幾乎包括了無線通信系統(tǒng)中的所有單元電路 圖0-1為無線電發(fā)射機與無線電接收機的原理框圖。圖中，石英晶體振蕩器、緩沖放大、倍頻器、調(diào)制、功率放大、低噪聲高頻放大、混頻、本地振蕩、中頻放大、檢波等都是射頻電路要討論的內(nèi)容 通信：準確而迅速地傳遞信息 1、語言與文字（最基本的傳輸手段） 2、光通信（遠距離通信，迅速準確） 3、電通信（用電磁能量傳遞信息：有線通 信、無線通信） 無線通信發(fā)展史 1837年，莫爾斯(Morse)利用電能以光速沿導(dǎo)線傳播的特點發(fā)明有線電報； 1864年，英國物理學(xué)家麥克斯韋(Maxwell)發(fā)表“電磁場的動力學(xué)塬理”這

3、一著名論文，從理論上證明了電磁波的存在； 1876年，貝爾（Bell）發(fā)明有線電話（語言變成電信號） 1887年，德國物理學(xué)家赫茲（Hertz）用實驗證明電磁場理論，電磁波具有光的特性 1895年，意大利科學(xué)家馬可尼首次實現(xiàn)幾百米距離的無線通訊 1901年，首次完成橫跨大西洋的通訊 1904年，弗萊明發(fā)明電子二極管（檢波） 1907年，李。德。福雷斯特發(fā)明電子三極管（放大、振蕩、調(diào)制、檢波波形變換） 1948年，肖克利等人發(fā)明了晶體三極管 （設(shè)備小型化、便攜式、節(jié)能、長壽命） 20世紀60年代（1958年），集成電路出現(xiàn) 1967年，中、大規(guī)模集成電路出現(xiàn) 1978年，超大規(guī)模集成電路出現(xiàn)（模

4、擬電路數(shù)字化） 自19世紀末迅速發(fā)展起來的以電信號為消息載體的通信系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代通信系統(tǒng)。調(diào)制：裝載信息的過程 調(diào)制概念：讓載波的某個特征量（振幅、頻率和相位）按信息的變化規(guī)律而變化。 調(diào)制的方法：連續(xù)波調(diào)制、脈沖波調(diào)制 連續(xù)波調(diào)制包括：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相 調(diào)制的目的： 1、區(qū)別不同的音頻信號 2、以切實可行的天線發(fā)射超外差接收 早期直放式解調(diào)接收機 難以區(qū)分相鄰頻道，無抗干擾能力 超外差接收優(yōu)點： 1、容易分離相鄰頻道信號，抗干擾能力強 2、易于實現(xiàn)高增益0.2 非線性電路的基本特點 嚴格講，任何器件，如晶體二極管、雙結(jié)晶體管、場效應(yīng)管，都是非線性的。這種非線性是指器件特性的非線性，不考慮時間

5、的非線性。這種器件被稱為時不變非線性器件。 時不變非線性器件的特點： 非線性定義 Q 點的直流電導(dǎo) Q點切線的斜率定義為Q點的交流電導(dǎo)（微分電導(dǎo)）：非線性器件的 與 是不相等的。 與 不相等的不一定是非線性器件。( )if vQVv QIi QQVIg/0QIivig0gg0gg非線性器件特性 在 上疊加一個交變電壓 電流波形與電壓波形之間發(fā)生了嚴重的畸變，這就是非線性的結(jié)果。電流波形是周期的，可分解為無窮多個余弦信號之和。 tVVvmQcosQVv 不滿足疊加原理 111( )cosmv tVt222( )cosmv tVt1122( )coscosmmv tVtVt001112223211

6、2231122( )(coscos)(coscos)(coscos)mmmmmmv taa VtVta VtVta VtVt非線性電路分析方法 嚴格分析：非線性代數(shù)方程和微分方程（含高階），考慮噪聲時無法求解； 近似分析：工程上根據(jù)實際情況對器件數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進行合理近似： 1、折線分析法（圖解） 2、冪級數(shù)分析法（連續(xù)可導(dǎo)情況下），取前 三項近似 3、開關(guān)函數(shù)法（大信號作用于二極管） 4、大小信號分析法（線性時變參數(shù)分析法）0.3 射頻模擬電路發(fā)展動態(tài) 射頻集成芯片應(yīng)用廣泛 新型分離器件不斷出現(xiàn)（高性能特殊器件） 數(shù)模結(jié)合（軟件無線電） 射頻概念延伸0.4 課程特點及學(xué)習(xí)方法課程特

7、點：1. 工程性強：著重培養(yǎng)學(xué)生的電子電路工程設(shè)計能力。2. 分析方法靈活：如折線法、冪級數(shù)法、開關(guān)函數(shù)法、線性時變參數(shù)法等。3. 實踐性強：結(jié)合工程實際電路，培養(yǎng)分析電路的能力。 學(xué)習(xí)方法 1、以搞懂電路工作原理為基本目標 2、認真自主完成作業(yè)，強化基本概念，掌 握基本分析方法 3、學(xué)會EDA軟件的使用，如： ADS，Multisim，Systemvue， Protel，AutoCAD， 通過軟件仿真可進一步了解系統(tǒng)工作原理 主要學(xué)習(xí)內(nèi)容第一章：射頻電子學(xué)基礎(chǔ)（基本概念；R、L、C的高頻特性；LC諧振電路的特性），6學(xué)時第二章：射頻電子系統(tǒng)中的放大器設(shè)計（高頻小信號放大器；高頻諧振功率放大器

8、；。），14學(xué)時第三章：波形發(fā)生器與變換電路（反饋振蕩原理；三端式振蕩電路；石英晶體振蕩器；。），8學(xué)時第四章：調(diào)制與解調(diào)（頻譜線性變換概念；振幅調(diào)制與解調(diào)；角度調(diào)制與解調(diào)） ，10學(xué)時第五章：混頻器（混頻器模型；有源混頻電路；二極管混頻器的折線分析；平衡混頻器），4學(xué)時第六章：。第1章 射頻電子學(xué)基礎(chǔ) 1.1 射頻模擬電路概述 元件參數(shù)：集中參數(shù)與分布參數(shù) 分析方法：路與場 射頻損耗：趨膚效應(yīng)、輻射損耗、介質(zhì)損耗 射頻干擾：輻射、耦合 射頻“地” 電屏蔽、磁屏蔽 去藕、旁路 圖1-1 趨膚深度示意圖 1f圖1-2 地線上電位差引起的寄生反饋 圖1-3 屏蔽盒及接地 圖1-4 RF電路中電源的

9、去耦合 圖1-5 耦合電容、旁路電容及RFC電感值的選取 （a） （b） （c） （d）1110iRCRFC(510)iLR11110LRC21110SRCRFC12121(510)LC CCC1.2 電磁頻譜分段 圖1-6 電磁頻譜分段1.3 物理常數(shù)和單位，微波頻段的劃分及字母表示法 表1-4 IEEE/工業(yè)界頻段劃分的標準命名 頻段命名頻率范圍用途HF330MHz短波廣播、軍事通信VHF30300MHz電視、調(diào)頻廣播；雷達、導(dǎo)航UHF3001000MHz電視廣播、雷達、移動通訊L10002000MHz雷達、移動通訊S20004000MHz雷達、中繼、衛(wèi)星通訊（續(xù)表） 頻段命名頻率范圍用途

10、C40008000MHz雷達、中繼、衛(wèi)星通訊X800012 000MHz雷達、中繼、衛(wèi)星通訊Ku1218GHz雷達、中繼、衛(wèi)星通訊K1827GHz雷達、中繼、衛(wèi)星通訊Ka2740GHz雷達、中繼、衛(wèi)星通訊毫米波40300GHz雷達、射電天文、衛(wèi)星通訊亞毫米波300GHz雷達、射電天文、衛(wèi)星通訊1.4 射頻無源元件 無源元件：不需要直流電源就能正常工作 有源元件：需要直流電源才能正常工作 1.4.1 RF電路中的電阻 電阻的高頻特性與制造電阻的材料、電阻的封裝和尺寸大小密切相關(guān) 金屬膜碳膜線繞 薄膜表貼引線 小尺寸大尺寸 電阻的主要參數(shù)：標稱阻值、百分誤差（精度）、額定功率、溫度系數(shù)等圖1-7

11、金屬膜電阻與薄膜電阻 圖1-8 電阻的 圖1-9 電阻“R”的絕對值 等效電路描述 阻抗隨頻率的變化表1-5 表貼電阻的規(guī)格 幾何形狀尺寸代碼長度L，mils(mm)寬度W，mils(mm)額定功率（W）040240（1.0）20（0.50）1/16060360（1.5）30（0.75）1/10080580（2.0）50（1.25）1/81206120（3.0）60（1.50）1/41812120（3.0）80（2.00）1/2 1.4.2 RF電路中的電感 RF電路中要使用許多電感，如諧振電路、濾波器、射頻扼流圈、阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、匹配網(wǎng)絡(luò)、移相網(wǎng)絡(luò)、頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)等。 電感線圈在電路中扮演不同的

12、角色，外形也不相同。 任何一段導(dǎo)線都可形成電阻和電感。 電感的損耗：導(dǎo)體（含趨膚）、輻射、介質(zhì)DC2cond(16)lRaDC/ (2 )(17)R RaDC() / (2 )(18)LRa圖1-10 各種電感線圈和互感線圈 圖1-10 各種電感線圈和互感線圈（續(xù)）（m） （n） （o） （p）圖1-11 電感線圈中的分布電容與串聯(lián)電阻 圖1-12 高頻電感線圈的等效電路圖1-13 空心線圈的頻率響應(yīng) 220(1 10 )rNLal022/(1 10 )SrNaClNb wire2cu(1 10 )SlRca1(j)j1jj(1 10 )SSSSRLCZRLCd 空芯（高功率）F4骨架陶瓷骨架

13、磁芯 電感的主要參數(shù)：標稱電感值、百分誤差（精度）、品質(zhì)因數(shù)Q（損耗），額定電流、自諧頻率等 1.4.3 RF電路中的電容 電容是射頻電路中的主要元件之一，從電路功能的角度看，有耦合電容（隔直電容）、旁路電容、去耦電容及槽路電容等。 電容的結(jié)構(gòu)、工藝、價格按低頻、中頻、高頻、微波等應(yīng)用而有所不同。 電容的損耗:導(dǎo)體(含趨膚)、介質(zhì)(導(dǎo)電、極化、電離) 電容的主要參數(shù)：標稱電容值、百分誤差 (精度)、額定電壓（耐壓）、品質(zhì)因數(shù)Q（損耗）、自諧頻率等 圖1-14 電容器的若干類型 （d） （e） （f）（g） （h） （i）圖1-15 片式貼裝（SMD）電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖1-16 高頻電容電等效電

14、路圖1-17 47pF引線電容的頻率響應(yīng) 0(1 11 )rACad dieltantan(1 11 )eSSAACGddbtan1(1 11 )2SeeRcGfCDC0cu(1 11 )2aLRfe DC2cond(1 11 )lRda1.5 簡單串、并聯(lián)諧振回路與雙調(diào)諧耦合諧振回路 1.5.1 簡單串、并聯(lián)諧振回路的基本特性 諧振回路可以完成選頻、移相、頻率-相位轉(zhuǎn)換、頻率-幅度轉(zhuǎn)換及阻抗變換等功能。 諧振回路由電感與電容串聯(lián)或并聯(lián)組成 簡單LC串并聯(lián)諧振回路的基本組成如圖1-75所示 諧振電感在微波頻段可以是一段終端開路或終端短路的傳輸線，或是長度規(guī)定的同軸腔、圓柱腔、矩形腔等。圖1-7

15、4 LC諧振回路的電路結(jié)構(gòu)（a） （b）圖1-75 簡單LC串并聯(lián)諧振回路的基本組成（a）串聯(lián) （b）實際并聯(lián) （c）理想并聯(lián) 諧振現(xiàn)象及諧振頻率 簡單串、并聯(lián)諧振電路的阻抗在某一特定頻率上具有最小值或最大值的特性稱為諧振特性； 該特定頻率稱為諧振頻率 穩(wěn)態(tài)分析用拉普拉斯變換； 非穩(wěn)態(tài)下（瞬態(tài)）分析用線性微分方程一、串聯(lián)諧振回路SSsinvVt1j()jZrLrxC 1、諧振現(xiàn)象及諧振頻率圖1-76 串聯(lián)諧振回路的基本特性 諧振時，Vs僅對r供能 ；L、C交換能量1j()jZrLrxC1xLC01/LCSS22221()VVIrxrLCarctanxr 0000SjjLLVL IVr 2、特性

16、阻抗與品質(zhì)因數(shù) 特性阻抗：諧振時的感抗或容抗： 品質(zhì)因數(shù)Qo (空載) ：特性阻抗與損耗電阻之比： 電感Q（幾十幾千）；電容Q（幾百幾萬）/1/ ()ooL CLC00011/LLQrrrCrC01QWQo 3、串聯(lián)諧振特點 諧振時，回路電流與信號源電壓同相(即諧振時呈純電阻)，且為最大值： 諧振時，L、C上的電壓振幅相同（相位相反），且為最大值，并為信號源電壓的Qo倍： 串聯(lián)諧振稱為電壓諧振 大功率應(yīng)用中要注意電容耐壓！ 問題：當信號源頻率高于或低于諧振頻率時，串聯(lián)回路呈什么特性？/IoVsm r0000SjjLLVL IVrS0S0020011jjjCVVVICCrCr 4、諧振曲線 定義

17、：歸一化抑制比 (復(fù)數(shù)) ： 串聯(lián)諧振電路任意頻率下的電流表達式與諧振時電流表達式之比 ： 定義：廣義失諧 歸一化抑制比 歸一化抑制比的幅頻特性曲線稱為諧振曲線0000200000001()1()1111()1()11()SSVrjLIrCIVrrjLCLjjQrLCLCjQ )(000 Qj11211|二、并聯(lián)諧振回路 1、并聯(lián)電路等效、回路阻抗與諧振頻率 并聯(lián)電路按上右圖分析比較方便：根據(jù)端口阻抗相同的原理實現(xiàn)變換（ ）。 由左圖：SSsiniIt1(j)1j1j(1)j(1)j()rLL CCZrLCCr LCLrLCLr 由右圖： 比較得： 令： 稱為并聯(lián)諧振回路的諧振電阻。它是電感器

18、的損耗電阻r（與之串聯(lián)）折合到電感器的兩端（與之并聯(lián)）后的等效電阻。 損耗電阻r愈小，RP愈大，r0，則RP1j(1)jPYZCr LCLGBPCrGL1BCL1/PPLRGCr圖1-77 并聯(lián)諧振回路的基本特性 諧振時， Is僅對Rp供能 ； L、C交換能量1BCL1j(1)jPYZCr LCLGBLCP1jSSSejj(1)PIIIVVYGBCr LCLS22()(1)IVCr LCLarctanPBG CrLIGIVSPSP0000SS0S01jjjjCLLIVCIIQ ICCrr0000SS00011/(j)jjjLVLIVrLIILL CrCr 2、特性阻抗與品質(zhì)因數(shù) 特性阻抗：諧振

19、時的感抗或容抗： 品質(zhì)因數(shù)Qo (空載) ：特性阻抗與損耗電阻之比： 精確值：/1/ ()ooL CLC00011/ppLLQrrrCrCRRr01Q1/PPLRGCr22(1)oooooPRQrQ rQQL222111(1)PorQLCLLC2000000/PPPLLCRQCRrL CR00011PPPCRRLCLLG 3、并聯(lián)諧振特點 諧振時，端口電壓與信號源電流同相(即諧振時呈純電阻)，且為最大值： 諧振時，L、C上的電流振幅相同（相位相反），且為最大值，并為信號源電流的Qo倍： 并聯(lián)諧振稱為電流諧振 諧振時，外電流相對于回路電流可以忽略！ 問題：當信號源頻率高于或低于諧振頻率時，并聯(lián)回

20、路呈什么特性？pVoIsmR0000SS0S01jjjjCLLIVCIIQ ICCrr0000SS00011/(j)jjjLVLIVrLIILL CrCr 4、諧振曲線 定義：歸一化抑制比 (復(fù)數(shù)) ： 并聯(lián)諧振電路任意頻率下的端電壓表達式與諧振時的端電壓表達式之比 ： 廣義失諧 歸一化抑制比 歸一化抑制比的幅頻特性曲線稱為諧振曲線)(000 Qj11211|000011j(1)1j1j()PPGVVGCLQ三、諧振曲線 1、串聯(lián)諧振回路與并聯(lián)諧振回路具有相同的歸一化表達式 2、Qo越大，諧振曲線越尖銳，選頻特性越好 3、 Qo越大，相頻特性越陡峭，穩(wěn)頻特性越好j11211arctan 圖1-

21、78 串聯(lián)諧振回路與并聯(lián)諧振回路的歸一化響應(yīng)特性 圖1-79 信號源內(nèi)阻與負載電阻對諧振回路品質(zhì)因數(shù)的影響（a） （b） 1.5.2 信號源內(nèi)阻與負載電阻對諧振回路品質(zhì)因數(shù)的影響 1.5.2 信號源內(nèi)阻與負載電阻對諧振回路品質(zhì)因數(shù)的影響 阻抗中的電抗可歸入串聯(lián)諧振回路或并聯(lián)諧振回路的電抗中（改變串聯(lián)諧振回路或并聯(lián)諧振回路的諧振頻率）；有耗部分歸入回路總損耗，得到有載品質(zhì)因數(shù)： 可見 ，串聯(lián)電路要求R小，并聯(lián)電路要求R大。0SLsLLQrRR0S1()LpPLQL GGGoLQQ 1.5.3 品質(zhì)因數(shù)的物理意義 品質(zhì)因數(shù)是描繪儲能系統(tǒng)性能指標的關(guān)健參數(shù)（即儲能與耗能之間的關(guān)系） 特性阻抗與品質(zhì)因

22、數(shù)密切相關(guān)： 回路有相同的損耗時，則特性阻抗愈大的回路品質(zhì)因數(shù)愈高。 圖1-80 串聯(lián)諧振回路中的能量關(guān)系 （a） （b）0LrQC00111LLQLrrrcrLC一個周期中的耗能：儲能與耗能之比：故： 諧振回路的品質(zhì)因數(shù)是系統(tǒng)中的總儲能與一個周期中的耗能之比乘以 。 222011122RRmmWPTrI TrIf2002012211222mLLCRmLIWWf Lf LQWrrrIf0022LCRWWf LLQWrr2Q回路儲能每周期耗能 1.5.4 簡單串、并聯(lián)諧振回路的通頻帶與選 擇性 通頻帶與選擇性是一切收發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標 1、通頻帶 定義：三分貝通頻帶(或半功率點通頻帶) ：歸一化抑

23、制比下降到0.707或 時的頻率范圍。 ，簡稱3dB帶寬 一般情況下，在射頻范圍內(nèi)： 廣義失諧： 絕對頻移（失諧量）：21120707. 0ff0rLQ00.7072 f000000022)()(ffQQQQLLLL00fff令歸一化抑制比：2220.707001111|22121 ()1 ()LLffQQffLQff0707. 02結(jié)論：簡單諧振回路的通頻帶與 成反比， 愈大，通頻帶愈窄。 LQLQ2、選擇性 用矩形系數(shù)來度量選擇性能。定義：當 降到0.1時的通頻帶與降到0.707時的通頻帶之比為矩形系數(shù)，記為 。 |707. 01 . 01 . 022ffKr 總是大于1，理想矩形的 。

24、1 . 0rK0.11rK 愈接近1，選擇性愈好。 1 . 0rK得3dB通頻帶：令：結(jié)論：簡單串并聯(lián)回路的選擇性很不好，它的矩形系數(shù)遠大1。20.101|0.121()LfQf200.12101LffQ200.101019.95LrLfQKfQ圖1-81 回路的通頻帶與選擇性 0.10.12 f 【例1-1】如圖1-75（b）所示并聯(lián)諧振回路，設(shè)回路空載品質(zhì)因數(shù)Q0=90，諧振回路的諧振頻率為：f0=465kHz，C=200pF，信號源電流振幅值IS=0.1mA。 求：（1）諧振電阻RP；若信號源內(nèi)阻RS=150k，負載電阻RL不接，有載品質(zhì)因數(shù)QL等于多少？通頻帶20.707等于多少？ （2）若信號源內(nèi)阻RS=150k，負載電阻RL=150k，有載品質(zhì)因數(shù)QL等于多少？通頻帶20.707等于多少？ 1.5.6簡單串、并聯(lián)諧振回路的部分接入及阻抗變比折合 采用部分接入的辦法，可降低信號源內(nèi)阻及負載電阻對諧振回路的影響，提高回路的有載品質(zhì)因數(shù) 1、串并聯(lián)阻抗等效互換 得到： 相除得到： 串聯(lián)形式的有載品質(zhì)因數(shù)=并聯(lián)形式的有載品質(zhì)因數(shù) 即串并聯(lián)互換前后的品質(zhì)因數(shù)不會發(fā)生變化222222112222222222111R XR XRjXjRXRXRjX22222221XRXRX22212222R XRRXLQXRRX2211221222211()LRRRRQX221222211(