高頻電子線路電子教案PPT

1、高頻電子線路主講：曹暉電話_mail: caoJjxy_dzgc 宀01無(wú)線電通信發(fā)展簡(jiǎn)史 0.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制 0.3通信系統(tǒng)的組成 04元件的高頻特性05本課程的特點(diǎn)、研究對(duì)象及任務(wù) * w v本書(shū)主要討論用于各種無(wú)線電技術(shù)設(shè)備和系統(tǒng)高 頻電子線路，主要結(jié)合無(wú)線電通信這一方式討論設(shè)備 和系統(tǒng)中高頻電路的線路組成、工作原理及工程設(shè) 計(jì)計(jì)算。本書(shū)介紹0.1 無(wú)線電通信發(fā)展簡(jiǎn)史信息傳輸是人類社會(huì)生活的重要內(nèi)容。古代的烽火到近代的旗語(yǔ)都是人們尋求快速遠(yuǎn)距 離通信的手段。1837年，莫爾斯發(fā)明了電報(bào)，創(chuàng)造了莫爾斯電碼，開(kāi)始了通信的新紀(jì)元。1865年，英國(guó)的麥克斯韋總結(jié)了前

2、人的科學(xué)成 果，提出電磁波學(xué)說(shuō)。1876年，貝爾發(fā)明了電話，能夠直接將語(yǔ)言信號(hào)變?yōu)殡娔苎貙?dǎo)線傳送。1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲(Hertz)用一個(gè)振蕩偶子產(chǎn)生了電磁波，在歷史上第一次直 接驗(yàn)證了電磁波的存在;1897年，意大利科學(xué)家馬可尼(Marconi) 在赫茲實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無(wú)線電信 號(hào)的傳送，這個(gè)距離在當(dāng)時(shí)不過(guò)一百碼，但一 年后他就實(shí)現(xiàn)了船只與海岸的通信。1901年12月12 0,馬可尼做了跨越大西洋 傳送無(wú)線電信號(hào)的表演。這一次他把信號(hào)從英 國(guó)的Cornwall發(fā)送到加拿大的N ewfoundland 馬可尼因此獲得1909年度諾貝爾獎(jiǎng)。與他分享這一年度諾貝爾獎(jiǎng)的是布勞恩（Br

3、aun）,因 為布氏發(fā)現(xiàn)金屬硫化物具有單向?qū)щ娦裕@一成 果可用于無(wú)線電接收裝置;1904年，英國(guó)科學(xué)家弗萊明（Fleming）獲得了一項(xiàng)專利，在專利說(shuō)明書(shū)中描述了一個(gè)高頻交變電流整流用的兩極真空管,標(biāo)志著進(jìn) 入無(wú)線電電子學(xué)時(shí)代1906年，美國(guó)科學(xué)家弗雷斯特（Forest）發(fā)明了真空三極管，是電子技術(shù)發(fā)展史上第一個(gè)重要里程碑。1906年，美國(guó)科學(xué)家費(fèi)森登(Fessenden) 在Massachusetts領(lǐng)導(dǎo)了第一次廣播；1912年，英國(guó)科學(xué)家?？藸査?Eccles)提 出了無(wú)線電波通過(guò)電離層傳播的理論，這一理論 使得一群業(yè)余愛(ài)好者在1921年實(shí)現(xiàn)了短波試驗(yàn)性 廣播；同年，美國(guó)的費(fèi)森登(Fes

4、senden)和阿姆斯 特朗(Armstrong)改進(jìn)了接收機(jī)的工作方式， 發(fā)明了外差式接受系統(tǒng)，這種形式仍是目前許多 無(wú)線電接收機(jī)的主要工作方式；1938年，美國(guó)科學(xué)家査農(nóng)（Shannon）指出，利用布爾（Boole）代數(shù)能對(duì)復(fù)雜的開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行分析,電子科學(xué)中一個(gè)嶄新的分支就逐漸形成，發(fā)展起來(lái)。這就是電子計(jì)算機(jī)最初的理論。夷正的電子計(jì)算機(jī)一般說(shuō)來(lái)是1942年開(kāi)始研制的(Electronic numerical integrator and computer)。這臺(tái)計(jì)算機(jī)直到1946年完成，它主要是為美國(guó)陸軍阿貝爾丁檢驗(yàn)基地計(jì)算彈道而設(shè)計(jì)的, 共用了 18000個(gè)真空管;ENIAC項(xiàng)目開(kāi)始：1

5、943完成：1946速度：5000次每秒輸入/輸出：卡片、光、開(kāi)關(guān)、 插頭占平面積：1000平方英尺項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：John MauchlyJ. Presper EckertElectronic numerical integrator and computer幾乎與此同時(shí)，一個(gè)引起電子科學(xué)革命性 變化的工作也在進(jìn)行，這就是對(duì)半導(dǎo)體器件的 研制。而現(xiàn)今半導(dǎo)體器件幾乎占領(lǐng)了電子科學(xué) 所有特殊的和普通的領(lǐng)域。1948年，確切地說(shuō)應(yīng)是1947年12月23日， 第一只晶體管在貝爾實(shí)驗(yàn)室(Bell Telephone Laboratories )誕生，這是電子技術(shù)發(fā)展史上第 二個(gè)重要里程碑。晶體管的出世要?dú)w

6、功于: 肖克萊(Shockley ) 巴丁( Bardeen )布拉頓(Bratein ) ( 1902年生于中國(guó)廈門(mén)他們分享了 1956年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)肖克萊后來(lái)對(duì)美國(guó)舊金山西南端硅谷做出 了開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。而巴丁則又與庫(kù)柏(Cooper)和施萊弗 (Schrieffer)由于對(duì)超導(dǎo)理論的貢獻(xiàn)共享了 1972年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。晶體管出現(xiàn)后，無(wú)線電技術(shù)及電子學(xué)本身發(fā)生了巨大變化，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展;2（X紀(jì)60年代，中、大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路的不斷涌現(xiàn)，是電子技術(shù)發(fā)展史上第三個(gè)重要 里程碑。1959年，美國(guó)科學(xué)家基爾比（Kilby）造出了世 界上第一塊集成電路。1967年研制成大規(guī)模集成（L

7、SI）電路。1978年研制成超大規(guī)模集成（VLSI）電路，從此電子技術(shù)進(jìn)入了微電子技術(shù)時(shí)代。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多電子 技術(shù)新的分支。而今所謂三C技術(shù)、三A革命 無(wú)一不是電子技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展所導(dǎo)致 的直接結(jié)果。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展不僅影響了電子技術(shù)， 也影響了其它技術(shù)的發(fā)展。如：冶金術(shù)，精加 工，材料科學(xué)，化學(xué)等。20世紀(jì)初首先解決了無(wú)線電報(bào)通信問(wèn)題。接著又 解決了用無(wú)線電波傳送語(yǔ)言和音樂(lè)的問(wèn)題，從而 開(kāi)展了無(wú)線電話通信和無(wú)線電廣播。以后傳輸圖象 的問(wèn)題也解決了，出現(xiàn)了無(wú)線電傳真和電視。20世 紀(jì)30年代中期到第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空的 需要，無(wú)線電定位技術(shù)迅速發(fā)展和雷達(dá)的出現(xiàn)

8、，帶 動(dòng)了其他科學(xué)的興起，如無(wú)線電天文學(xué)、無(wú)線電氣 象學(xué)等。20世紀(jì)50年代以來(lái)，宇航技術(shù)的發(fā)展又促 進(jìn)了無(wú)線電技術(shù)向更高的階段發(fā)展。無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展是從利用電磁波傳輸信 息的無(wú)線電通信擴(kuò)展到計(jì)算機(jī)科學(xué)、宇航技術(shù)、自 動(dòng)控制以及其他各學(xué)科領(lǐng)域的。0.Z借壬頻譜在高頻電路中，我們要處理的無(wú)線電信號(hào)主要 有三種：基帶（消息）信號(hào)、高頻載波信號(hào)和已 調(diào)信號(hào)。所謂基帶信號(hào)，就是沒(méi)有進(jìn)行調(diào)制之前 的原始信號(hào)，也稱調(diào)制信號(hào)。1.時(shí)間特性一個(gè)無(wú)線電信號(hào),可以將它表示為電壓或電流 的時(shí)間函數(shù)，通常用時(shí)域波形或數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述。無(wú)線電信號(hào)的時(shí)間特性就是信號(hào)隨時(shí)間變化 快慢的特性。信號(hào)的時(shí)間特性要求傳輸該信號(hào)的

9、電路的時(shí)間特性（如時(shí)間常數(shù)）與之相適應(yīng)。2.頻譜特性對(duì)于較復(fù)雜的信號(hào)（如話音信號(hào)、圖像信號(hào) 等），用頻譜分析法表示較為方便。圖1信號(hào)分解對(duì)于周期性信號(hào)，可以表示為許多離散的頻率分量（各 分量間成諧頻關(guān)系），例如圖2即為圖1所示信號(hào)的頻譜圖； 對(duì)于非周期性信號(hào)，可以用傅里葉變換的方法分解為連續(xù)譜， 信號(hào)為連續(xù)譜的積分。頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分，它們分別反 映信號(hào)中各個(gè)頻率分量的振幅和相位的分布情況。任何信號(hào)都會(huì)占據(jù)一定的帶寬。從頻譜特性上看，帶 寬就是信號(hào)能量主要部分（一般為90%以上）所占據(jù)的頻 率范圍或頻帶寬度。I加 I ” I莎 I莎3.頻率特性任何信號(hào)都具有一定的頻率或波長(zhǎng)。

10、我們 這里所講的頻率特性就是無(wú)線電信號(hào)的頻率或波 長(zhǎng)。電磁波輻射的波譜很寬.如圖3所示。無(wú)線電波只是一種波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的電磁波，占 據(jù)的頻率范圍很廣。在自由空間中，波長(zhǎng)與頻率 存在以下關(guān)系：c=紫外線無(wú)線電波105紅外線1O101015可見(jiàn)光X射線1O20宇宙射線1025A/m3xlO3 3x10230一73X10T23X10T7(3.8-7.8)xl07圖3電磁波波譜0.3通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)組成框圖如下圖所示:l=1= | 發(fā)送設(shè)備 |輸出換能器=1接收設(shè)備=l| 4iii借號(hào)傳輸原理調(diào)制的概念及波形所謂調(diào)制，就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的參數(shù)，使載波信號(hào)的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)（振幅、頻率或相位

11、）按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。調(diào)制信號(hào)調(diào)初信號(hào)対敎粧漩信號(hào)已調(diào)信號(hào)（fN 波） 電離層對(duì)信號(hào)的吸收 作用強(qiáng)人造衛(wèi)星采用那個(gè)波段和地面聯(lián)系？中長(zhǎng)波和短波均被電離層反射而無(wú)法穿過(guò)電離 層，所以只能依靠超短波段我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星W=20.009MHz （2 = 15 米）來(lái)傳送東方紅樂(lè)曲和遙測(cè)的信號(hào)。0.3.4接收設(shè)備接受設(shè)備的任務(wù)是將信道傳送過(guò)來(lái)的已調(diào)信號(hào)進(jìn)行處理，以恢復(fù)出與發(fā)送端相一致的基帶信號(hào)，這種從已調(diào)波中恢復(fù)基帶信號(hào)的處理過(guò)程，稱為解調(diào)。顯然解調(diào)是調(diào)制的反過(guò)程。0.3.5輸出換能器輸出換能器的作用是將接收設(shè)備輸出的基帶信號(hào)變換成原來(lái)形式的消息，如聲音，景物等，供收信者使用?；祛l器本地0.4元件

12、的髙頻特性高頻電路中使用的元器件與在低頻電路中使 用的元器件基本相同，但是注意它們?cè)诟哳l使用 時(shí)的高頻特性。高頻電路中的元件主要是電阻（器）、電容 （器）和電感（器），它們都屬于無(wú)源的線性元件。 高頻電路中完成信號(hào)的放大，非線性變換等功能 的有源器件主要是二極管，晶體管和集成電路。 *心1.電阻器一個(gè)實(shí)際的電阻器，在低頻時(shí)主要表現(xiàn)為電阻特性，但在高頻使用時(shí)不僅表現(xiàn)有電阻特性的一面,而且還表現(xiàn)有電抗特性的一面。電阻器的電抗特性 反映的就是高頻特性。一個(gè)電阻R的高頻等效電路如圖所示，其中Cr 為分布電容，Lr為引線電感，R為電阻。電阻的高頻等效電路=i電阻R隨頻率增高而增加，這主要是集膚效應(yīng) 的影

13、響。所謂集膚效應(yīng)是指隨著工作頻率的增高， 流過(guò)導(dǎo)線的交流電流向?qū)Ь€表面集中這一現(xiàn)象，當(dāng) 頻率很高時(shí)，導(dǎo)線中心部位幾乎完全沒(méi)有電流流過(guò), 這相當(dāng)于把導(dǎo)線的橫截面積減小為導(dǎo)線的圓環(huán)面積, 導(dǎo)電的有效面積較直流時(shí)大為減小，電阻r增大。工 作頻率越高，圓環(huán)的面積越小，導(dǎo)線電阻就越大。（演示）2.電感線圈IIIf J電感線圈在高頻頻段除表現(xiàn)出電感L的特性外， 還具有一定的損耗電阻r和分布電容。在分析一般長(zhǎng)、 中、短波頻段電路時(shí)，通常忽略分布電容的影響。 因而，電感線圈的等效電路可以表示為電感L和電 阻r串聯(lián)，如圖所示。Lra mnr1 電感線圈的串聯(lián)等效電路fir.在無(wú)線電技術(shù)中通常不是直接用等效電阻廠

14、，而是引入線 圈的品質(zhì)因數(shù)這一參數(shù)來(lái)表示線圈的損耗性能。品質(zhì)因數(shù)定義為無(wú)功功率與有功功率之比：無(wú)功功率有功功率設(shè)流過(guò)電感線圈的電流為人則電感厶上的無(wú)功功率為 I2（oL,而線圈的損耗功率，即電阻r的消耗功率為丹，故由 上式得到電感的品質(zhì)因數(shù)I2o）L cdL I2r r0值是一個(gè)比值，它是感抗仙L與損耗電阻r之比，0值 越高損耗越小，一般情況下,線圈的0值通常在幾十到一二 百左右。3電容器一個(gè)實(shí)際的電容器除表現(xiàn)電容特性外，也具有損耗電阻和分布電感。在分析一般米波以下頻段的諧振回路時(shí)，常常只考慮電容和損耗。電容器的 等效電路也有兩種形式，如圖所示。電容器的串、并聯(lián)等效電路Cp4高頻電路中的有源器

15、件從原理上看，用于高頻電路的各種有源器件，與用于低頻或其他電子線路的器件沒(méi)有根本不同0只是由于工作在高頻范圍，對(duì)器件的某些性能要求更高。隨著半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，能滿足高頻應(yīng)用要 求的器件越來(lái)越多，也出現(xiàn)了一些專門(mén)用途的高頻半導(dǎo)體器 件1）二極管半導(dǎo)體二極管在高頻中主要用于檢波、調(diào)制、解調(diào)及混頻等非線性變換電路中，工作在低電平。因此主要用點(diǎn)接 觸式二極管和表面勢(shì)壘二極管（又稱肖特基二極管）O兩者都 利用多數(shù)載流子導(dǎo)電機(jī)理，它們的極間電容小，工作頻率 高。2)晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管(FET)在高頻中應(yīng)用的晶體管仍然是雙極晶體管和各種場(chǎng)效應(yīng)管，這些管子比用于低頻的管子性能更好，在外形結(jié)構(gòu)方面也

16、有所不同。高頻晶體管有兩大類型:一類是作小信號(hào)放大的高頻小功率管，對(duì)它們的主要要求是高增益和低=i噪聲;另一類為高頻功率放大管，除了增益外，要求其在高頻有較大的輸出功率。3）集成電路用于高頻的集成電路的類型和品種要比用于低頻的集成電路少得多，主要分為通用型和專用型兩種。目前通用型的寬帶集成放大器，工作頻率可達(dá)一、二百兆赫茲，增益可達(dá)五、六十分貝，甚至更高。用于高頻的晶體管模擬乘法器，工作頻率也可達(dá)一百兆赫茲以上。本書(shū)的絕大部分電路都屬于非線性電路，一般都用非線性電路的分析方法來(lái)分析00.4本課程的特點(diǎn)高頻電子線路幾乎都是由線性元件和非線性的器 件組成的。其中的非線性器件可以用線性等效電路 來(lái)表示，分析方法也可以用線性電路的分析方法。學(xué)習(xí)本課程的方法積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。 在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，要抓住各種電路之間的共 性