高頻電子線路-第1章

1、高頻電子線路清華大學(xué)出版社2012.6v本課程主要分析高頻電波信號的產(chǎn)生、放大和接收的電路，因此稱為“高頻電子線路”。v廣義的“高頻”指的是射頻(Radio Frequency，RF)，它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率，其頻率范圍非常寬。v只要電路尺寸比工作波長小得多，可用集總參數(shù)來分析實現(xiàn)。v當(dāng)電路尺寸大于工作波長或相當(dāng)時，應(yīng)采用分布參數(shù)的方法來分析實現(xiàn)。v本課程的第17章討論可用集中參數(shù)描述的高頻電路，而分布參數(shù)分析法在第8章介紹。本課程學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容？本課程學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容？v第1章 系統(tǒng)基礎(chǔ)知識v第2章 小信號選頻放大電路v第3章 高頻功率放大電路v第4章 正弦波振蕩電路v第5章 振幅調(diào)制、

2、解調(diào)與混頻電路v第6章 角度調(diào)制與解調(diào)電路v第7章 反饋控制電路v第8章 高頻電路的分布參數(shù)分析v第9章 高頻電路的集成與EDA技術(shù)簡介v無線電報的發(fā)明開始了無線電通信的時代，并逐步涉及陸地、海洋、航空、航天等固定和移動無線通信領(lǐng)域，從1920年的無線電廣播、1930年的電視傳輸，直到1980年的移動電話和1990年的全球定位系統(tǒng)及當(dāng)今的移動通信和無線局域網(wǎng)，無線通信市場還在飛速發(fā)展，移動通信手機(jī)、有線電視調(diào)制解調(diào)器以及射頻標(biāo)簽的電信產(chǎn)品迅速地滲入我們的生活，變成大眾不可缺少的工具。v高頻電子線路的發(fā)展推動了無線通信技術(shù)的發(fā)展，是當(dāng)代無線通信的基礎(chǔ)，是無線通信設(shè)備的重要組成部分。學(xué)習(xí)本課程有何

3、意義？學(xué)習(xí)本課程有何意義？第1章 系統(tǒng)基礎(chǔ)知識v無線電頻段是如何劃分的？無線通信為何要用高頻電磁波？v高頻電子線路有什么特點？v無線通信系統(tǒng)究竟包括哪些電路？它們都有什么功用？v表征高頻電路(系統(tǒng))性能的參數(shù)有哪些？1.1 無線通信系統(tǒng)概述v為了便于分析和應(yīng)用，人們對電磁波按頻率或波長進(jìn)行分段，分別稱為頻段或波段。各種頻率的電磁波都是不可再生的重要資源，國際社會和任何國家都必須對它進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、嚴(yán)格管理。v無線通信系統(tǒng)電路的基本組成，由工作頻率的高低可分為射頻級、中頻級和基帶級三級電路，射頻級和中頻級屬于本書高頻電路的研究范疇，它們的基本功能電路應(yīng)該包括：濾波器、放大器、高頻振蕩器、混頻或變頻

4、器、調(diào)制與解調(diào)器。1.1.1 電磁波頻段的劃分與應(yīng)用 極低頻（ELF) 軍事潛艇通信 甚低頻（VLF) 導(dǎo)航、聲納、航空 低頻（LF) 航海與航空導(dǎo)航信標(biāo)、航空導(dǎo)航 中頻（MF) 中波廣播、航海與航空導(dǎo)航信標(biāo) 高頻（HF) 短波廣播、業(yè)余無線電甚高頻（VHF) 電視與調(diào)頻廣播、無線尋呼、地面移動通信 超高頻（UHF) 電視與調(diào)頻廣播、無繩電話、個人無線電 特高頻（SHF) 微波鏈路、衛(wèi)星通信 極高頻（EHF) 雷達(dá)、射電天文學(xué) 微米波 遠(yuǎn)程探測、激光通信、光空間通信 紅外光 300kHz30MHz3000MHz300GHz3kHz頻率電波利用電離層的折射、反射和散電波利用電離層的折射、反射和散

5、射作用進(jìn)行傳播的方式稱為天波射作用進(jìn)行傳播的方式稱為天波 沿地球表面沿地球表面進(jìn)行傳播的進(jìn)行傳播的電波傳播模電波傳播模式稱為地表式稱為地表面波。面波。 在對流層中進(jìn)行的電波傳在對流層中進(jìn)行的電波傳播方式稱為空間波播方式稱為空間波電磁波在地面上遠(yuǎn)距離傳播的方式電磁波在地面上遠(yuǎn)距離傳播的方式1.1.2 無線通信系統(tǒng)的基本組成音頻放大器調(diào)制器激勵放大功率放大與濾波載波振蕩器天線開關(guān)高頻放大與濾波混頻器中頻放大與濾波解調(diào)器音頻放大器話筒本地振蕩器揚聲器變頻器射頻級中頻級基帶級模擬無線通信系統(tǒng)模擬無線通信系統(tǒng)數(shù)字無線通信系統(tǒng)數(shù)字無線通信系統(tǒng)1.2 高頻電路中的元器件與分析模型v無源元件主要是電阻(器)、

6、電容(器)和電感(器)，它們都屬于線性元件，在高頻電路中通常起濾波、阻抗匹配、旁路、耦合、去耦、移相等作用。v有源器件主要是半導(dǎo)體二極管、三極管和集成電路，它們本質(zhì)上都屬于非線性器件，在高頻電路中完成信號的放大、非線性變換等功能。1.2.1 高頻無源元件電阻器、電容器和電感器的高頻等效模型電阻器、電容器和電感器的高頻等效模型1.2.2 高頻有源器件半導(dǎo)體二極管伏安特性半導(dǎo)體二極管伏安特性T1ss(e1)(e1)quuUkTiIIbeTbcTccsecs(e1)(e1)uUuUIIII雙極型晶體管的大信號雙極型晶體管的大信號E-M電路模型電路模型雙極型晶體管的線性電路模型雙極型晶體管的線性電路模

7、型晶體管高頻共發(fā)射極混合晶體管高頻共發(fā)射極混合形等效電路形等效電路當(dāng)輸出端短路后，當(dāng)輸出端短路后，rbe、Cbe和和Cbc三者并聯(lián)，此時三者并聯(lián)，此時cecm bebbebebc01j2()UIg rIfrCC特征頻率特征頻率fT和最大振蕩頻率和最大振蕩頻率fmaxmmTbebcbe2 ()2ggfCCC電流增益降至電流增益降至1時的頻率時的頻率Tmaxbbbe8ffr C功率增益降至功率增益降至1時的頻率時的頻率TTffff模擬乘法器模擬乘法器zxy( )( )( )u tK u tu t模擬乘法器是一種理想的線性頻譜搬移電路模擬乘法器是一種理想的線性頻譜搬移電路1.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)v增益、

8、噪聲、非線性、靈敏度和動態(tài)范圍是描述高頻電路最常用的指標(biāo)v接收機(jī)所能接收的最低信號電平直接受到其固有噪聲的限制，而它能接收的最高電平又受到非線性失真的限制1.3.1 增益電壓增益：電壓增益：無載電壓增益無載電壓增益o0iuUAU(有載有載)電壓增益電壓增益oLLL0ioLioLuuUURRAAURRURR當(dāng)當(dāng) 時電壓增益接近最大值時電壓增益接近最大值在高頻時，電路阻抗比直流或低頻的值小，常用功率增益來量度系統(tǒng)的在高頻時，電路阻抗比直流或低頻的值小，常用功率增益來量度系統(tǒng)的放大能力放大能力LoRR0uuAA定義幾種類型的功率定義幾種類型的功率22iiis2isiURPURRR系統(tǒng)吸收系統(tǒng)吸收(輸

9、入輸入)的功率的功率2ssas4UPR源的額定輸出功率源的額定輸出功率2222L0LLLoi22LoLoLuR AURPUURRRRR222222o0i0ioasooosi444uuUA UARPURRRRR負(fù)載消耗的功率負(fù)載消耗的功率系統(tǒng)的額定輸出功率系統(tǒng)的額定輸出功率基于上面四種類型的功率，可以定義下面四種功率增益基于上面四種類型的功率，可以定義下面四種功率增益四種功率增益四種功率增益22LsLit02sasiLo4uR RPRGAPRRRR22LLiip02iLLouuPR RRGAAPRRR22oasia0sasiouPRRGAPRRR22iim0oo4uuRRGAARR轉(zhuǎn)化功率增益轉(zhuǎn)

10、化功率增益(傳遞傳遞)功率增益功率增益額定額定(資用資用)功率增益功率增益最大功率增益最大功率增益Gp是人們常用的功率增益，也稱為工作功率增益，它表示系統(tǒng)實際輸出功是人們常用的功率增益，也稱為工作功率增益，它表示系統(tǒng)實際輸出功率與輸入功率之比率與輸入功率之比分析和計算噪聲問題時，用額定功率和額定功率增益分析和計算噪聲問題時，用額定功率和額定功率增益用對數(shù)形式用對數(shù)形式dB(分貝分貝)值來表示比值值來表示比值功率增益的功率增益的dB值定義值定義ppLi(dB)101g101g101gGGPP電壓增益的電壓增益的dB值定義值定義Li(dB)20lg20lg20lguuAAUUdBm(分貝毫瓦分貝毫

11、瓦)定義：定義：P(dBm)= 10lgP(mW)/1mWdBW(分貝瓦分貝瓦)定義：定義：P(dBW)= 10lgP(W)/1WdBmV(分貝微伏分貝微伏)定義：定義：U(dBmV)= 20lgU(mV) /1mVdBV(分貝伏分貝伏)定義：定義：U(dBV)= 20lg U(V) /1VpLiLi(dB)(dBm)(dBm)(dB)(dB V)(dB V)uGPPAUU注意：注意：兩個兩個dBm(dBmV)相減，結(jié)果為相減，結(jié)果為dB。dBm(dBmV)與與dB之間可以加、之間可以加、減，結(jié)果仍為減，結(jié)果仍為dBm(dBmV)在在50系統(tǒng)中，功率與電壓單位對應(yīng)關(guān)系系統(tǒng)中，功率與電壓單位對應(yīng)

12、關(guān)系P1W10mW1mW0.1mW1011mW0dBW,30dBm10dBm0dBm10dBm110dBmUm 10V1.0V 0.316V0.1V1mV 20dBV0dBV,120dBmV-10dBV,110dBmV100dBmV0dBmV1.3.2 噪聲和噪聲系數(shù)1噪聲來源：噪聲來源：電阻熱噪聲和半導(dǎo)體管噪聲電阻熱噪聲和半導(dǎo)體管噪聲電阻熱噪聲等效電路電阻熱噪聲等效電路4( )( )4IVkTSfSfkTRR22nn( )( )IVISfBWUSfBW電阻電阻R的噪聲額定功率的噪聲額定功率2nnA4UPkT BWR電阻的噪聲額定功率只與電阻的噪聲額定功率只與溫度及通頻帶有關(guān)，而與本溫度及通頻

13、帶有關(guān)，而與本身阻值和負(fù)載無關(guān)身阻值和負(fù)載無關(guān)(注意，注意，實際功率是與負(fù)載有關(guān)的實際功率是與負(fù)載有關(guān)的)。這一結(jié)論可以推廣到任何這一結(jié)論可以推廣到任何無源二端網(wǎng)絡(luò)。無源二端網(wǎng)絡(luò)。有源器件和系統(tǒng)的噪聲來源比較復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計師為了衡量其噪聲性能的好有源器件和系統(tǒng)的噪聲來源比較復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計師為了衡量其噪聲性能的好壞，提出了噪聲系數(shù)這一性能指標(biāo)。壞，提出了噪聲系數(shù)這一性能指標(biāo)。2噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(Noise Figure，NF)定義定義信噪比信噪比SNR定義定義isiniosono/SNRPPSNRPPioSNRNFSNRsianianoasoanoaania/1/PPPNFPPG

14、 P標(biāo)準(zhǔn)噪聲系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)噪聲系數(shù)noaa01PNFG kT BWT0=290KPnoa：輸出噪聲額定功率：輸出噪聲額定功率Pnia： 輸入噪聲額定功率輸入噪聲額定功率噪聲系數(shù)表征了信號通過系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲造成信噪比惡化的程度。噪聲系數(shù)表征了信號通過系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲造成信噪比惡化的程度。如果系統(tǒng)是無噪的，相應(yīng)的噪聲系數(shù)為如果系統(tǒng)是無噪的，相應(yīng)的噪聲系數(shù)為1。有噪系統(tǒng)的噪聲系數(shù)均大于有噪系統(tǒng)的噪聲系數(shù)均大于1。系統(tǒng)內(nèi)部噪聲產(chǎn)生的輸出功率系統(tǒng)內(nèi)部噪聲產(chǎn)生的輸出功率nsnoaaniaaniaaniaaniaa0(1)(1)PPGPNF GPGPNFGPNFGkT BW放大器級聯(lián)的噪聲放大器級聯(lián)的噪

15、聲21a11NFNFNFG對于對于n級放大器級放大器321a1a1a2a1a(1)111nnNFNFNFNFNFGG GGG為了減小多級放大器的噪聲系數(shù)，必須降低前級放大器為了減小多級放大器的噪聲系數(shù)，必須降低前級放大器(尤其是第一級尤其是第一級)的噪聲系數(shù)，而且增大前級放大器的噪聲系數(shù)，而且增大前級放大器(尤其是第一級尤其是第一級)的額定功率增益。的額定功率增益。3等效輸入噪聲溫度等效輸入噪聲溫度a0a0e()NF G kT BWG k TT BW噪聲溫度與噪聲系數(shù)的等效關(guān)系噪聲溫度與噪聲系數(shù)的等效關(guān)系e0e01(1)TNFTTNFT 級聯(lián)系統(tǒng)的等效噪聲溫度級聯(lián)系統(tǒng)的等效噪聲溫度e2e3ee

16、e1a1a1a2a1a(1)nnTTTTTGG GGG低噪聲時采用噪聲溫度比采用噪聲系數(shù)更容易和更方便顯示其噪聲性能的差別。低噪聲時采用噪聲溫度比采用噪聲系數(shù)更容易和更方便顯示其噪聲性能的差別?！纠?.1】 某接收機(jī)由高放、混頻、中放三級電路組成。已知混頻器的額某接收機(jī)由高放、混頻、中放三級電路組成。已知混頻器的額定功率增益定功率增益Ga2=0.2，噪聲系數(shù)，噪聲系數(shù)NF2=10dB，中放噪聲系數(shù)，中放噪聲系數(shù)NF3=6dB，高，高放噪聲系數(shù)放噪聲系數(shù)NF1=3dB。如要求加入高放后使整個接收機(jī)總噪聲系數(shù)降低。如要求加入高放后使整個接收機(jī)總噪聲系數(shù)降低為加入前的為加入前的1/10，則高放的額

17、定功率增益，則高放的額定功率增益Ga1應(yīng)為多少？高放和混頻兩級應(yīng)為多少？高放和混頻兩級的等效噪聲溫度為多少？的等效噪聲溫度為多少？解：先將噪聲系數(shù)分貝數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，解：先將噪聲系數(shù)分貝數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，3dB、10dB、6dB分別對應(yīng)為分別對應(yīng)為2、10、4。因為未加高放時接收機(jī)噪聲系數(shù)為因為未加高放時接收機(jī)噪聲系數(shù)為32a214110250.2NFNFNFG所以，加高放后接收機(jī)噪聲系數(shù)應(yīng)為所以，加高放后接收機(jī)噪聲系數(shù)應(yīng)為12.510NFNF 又由于又由于321a1a1a211NFNFNFNFGG G 因此有因此有23a2a11(1)(1) /(101)(41) /0.24816.8dB2.52NFN

18、FGGNFNF高放和混頻兩級的等效噪聲溫度為高放和混頻兩級的等效噪聲溫度為2e10a11(1)101(21)290344.375(K)48NFTNFTG 1.3.3 非線性失真v在由各種有源器件構(gòu)成的線性放大器中，由于有源器件的特性是非線性的，在放大過程中總會產(chǎn)生各種各樣的失真，因此，必須限制信號的大小，使失真限制在允許的范圍內(nèi)，才能實現(xiàn)線性放大。v但在諸如混頻、調(diào)制和解調(diào)等頻譜搬移電路中，有源器件的非線性又正是實現(xiàn)這些功能電路所必需的。1非線性器件的描述方法非線性器件的描述方法一個非線性電路系統(tǒng)的輸入一個非線性電路系統(tǒng)的輸入x(t)和輸出和輸出y(t)可以描述成可以描述成 230123y t

19、x txtxt該法稱為冪級數(shù)展開法該法稱為冪級數(shù)展開法其它還有解析函數(shù)和折線表示法其它還有解析函數(shù)和折線表示法2諧波諧波當(dāng)輸入信號為當(dāng)輸入信號為x(t)=Acos t時，輸出信號為時，輸出信號為 223301233232013322332201coscoscoscos1cos23coscos3243coscos2cos32424y tAtAtAtAAAttttAAAAAttt含輸入頻率含輸入頻率的項稱為的項稱為“基頻基頻”，高階項，高階項n稱為稱為“諧波諧波”(Harmonics)3增益壓縮增益壓縮輸出基波信號為輸出基波信號為 223311133cos( )44AAy tAtx t如果如果1和

20、和3的符號相反，則信號增益將隨幅度的符號相反，則信號增益將隨幅度A的增大而減小，此現(xiàn)的增大而減小，此現(xiàn)象稱為增益壓縮。象稱為增益壓縮。常用常用1dB壓縮點壓縮點(1-dB compression point，輸入，輸入Pi1dB、輸出、輸出Po1dB)來度量放大器的線性來度量放大器的線性231dB1111dB3320lg20lg140.145AA1dB壓縮點處的輸入信號壓縮點處的輸入信號幅度為幅度為4大信號阻塞大信號阻塞如果電路同時接收到一個有用信號如果電路同時接收到一個有用信號A1cos1t和一個干擾信號和一個干擾信號A2cos2t，即，即 1122coscosx tAtAt則輸出信號基波分

21、量為則輸出信號基波分量為3211131312133( )cos42y tAAA At當(dāng)當(dāng)A2A1時，上式可簡化為時，上式可簡化為 21132113cos2y tAAt如果如果1和和3的符號相反，有用信號所得到的增益將遠(yuǎn)小于的符號相反，有用信號所得到的增益將遠(yuǎn)小于1，即有用信號被大，即有用信號被大干擾信號阻塞了，或者稱為干擾信號阻塞了，或者稱為“減敏減敏”(Desensitization)，即放大器或接收器的靈，即放大器或接收器的靈敏度降低了。敏度降低了。5交調(diào)失真交調(diào)失真如果干擾信號含有調(diào)幅成分如果干擾信號含有調(diào)幅成分2222cos(1cos)cos(1,)mAtAmttm調(diào)制指數(shù)干擾調(diào)幅信號

22、會通過非線性轉(zhuǎn)移到有用信號上：干擾調(diào)幅信號會通過非線性轉(zhuǎn)移到有用信號上： 2111131122222113121cos3cos1coscos31cos22coscos222mmmy tAtAt AmttmmAA Atmtt如果有用信號也為幅度調(diào)制信號，則解調(diào)后的信號含有干擾信號，產(chǎn)生了交如果有用信號也為幅度調(diào)制信號，則解調(diào)后的信號含有干擾信號，產(chǎn)生了交叉調(diào)制叉調(diào)制 。交調(diào)失真是由非線性器件的三次方項產(chǎn)生的。交調(diào)失真是由非線性器件的三次方項產(chǎn)生的。6互調(diào)失真互調(diào)失真兩個頻率不同的正弦波通過非線性系統(tǒng)后輸出信號的頻率分量兩個頻率不同的正弦波通過非線性系統(tǒng)后輸出信號的頻率分量o=m1 +n2(m和和

23、n 不為不為0)稱為稱為(m+n)階互調(diào)分量階互調(diào)分量由三階失真引起的互調(diào)分量稱為三階互調(diào)分量由三階失真引起的互調(diào)分量稱為三階互調(diào)分量(IM3)，如果，如果1和和2差別差別很小，需要重點考慮的是很小，需要重點考慮的是212和和221這兩項，因為它們就在基波這兩項，因為它們就在基波分量附近分量附近如果兩個輸入信號的幅度相等如果兩個輸入信號的幅度相等A1=A2=A，三階互調(diào)分量為，三階互調(diào)分量為 3IM3312213cos(2)cos(2)4ytAtt用來衡量互調(diào)失真程度的參數(shù)主要是三階互調(diào)截用來衡量互調(diào)失真程度的參數(shù)主要是三階互調(diào)截點點 IP3(Third-order Intercept Poi

24、nt，對應(yīng)的輸入，對應(yīng)的輸入功率值稱為功率值稱為IIP3，而輸出功率值則稱為，而輸出功率值則稱為OIP3)三階互調(diào)截三階互調(diào)截點處的輸入點處的輸入信號幅度為信號幅度為1IP3343A1dB壓縮點和壓縮點和IP3的關(guān)系的關(guān)系IP31dB3.039.6dBAAIIP3 的簡單測量：的簡單測量：1o3o3in31o22PPPIIPPOIPPdBm3indBmdBm2PIIPP對數(shù)對數(shù)(dBm)域中：域中：在在W或或mW域中：域中：1o3in3o2in3o1o3PIIPPPPPPIIPIM3功率功率基波功率基波功率級聯(lián)電路的等效級聯(lián)電路的等效IIP3：最后（第最后（第2級）輸出的級）輸出的IM3分量功

25、率分量功率P3o由兩部分組成：第由兩部分組成：第1級輸出的級輸出的IM3分量通分量通過第過第2級直接放大的輸出功率級直接放大的輸出功率P3o1，第，第1級輸出基波分量通過第級輸出基波分量通過第2級非線性產(chǎn)生的級非線性產(chǎn)生的IM3分量功率分量功率P3o2，它們分別為，它們分別為23123 121 123,13,1233121 13 2123,23,2ppininopoppinoooG G PPPG PIIPIIPG G PPPPIIPIIP得兩級系統(tǒng)的得兩級系統(tǒng)的IIP3 為為p13o3in1o3,13,2111GPIIPPPIIPIIP功率單位是功率單位是W或或mW1.3.4 靈敏度與動態(tài)范圍1靈敏度靈敏度接收機(jī)的一個很重要的指標(biāo)是靈敏度接收機(jī)的一個很重要的指標(biāo)是靈敏度(Sensitivity)，它定義為：在給定，它定義為：在給定要求的輸出信噪比的條件下，接收機(jī)所能檢測的最低輸入信號電平。要求的輸出信噪比的條件下，接收機(jī)所能檢測的最低輸入信號電平。要求接收機(jī)輸出最小額定信噪比為要求接收機(jī)輸出最小額定信噪比為SNRo,min，則最低的可檢測輸入功率，則最低的可檢測輸入功率電平為：電平為：si,min0o,minPkTBW NF SNR在在T0=290K室溫下，室溫下，s