高頻電路第一章

高頻電路第一章第1頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述1.1.1無(wú)線通信系統(tǒng)的組成

無(wú)線通信(或稱(chēng)無(wú)線電通信)的類(lèi)型很多，可以根據(jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類(lèi)。

通信：從發(fā)送者到接受者之間信息的徹底。用電信號(hào)（或光信號(hào)）傳輸?shù)南到y(tǒng)稱(chēng)為通信系統(tǒng)，也稱(chēng)電信系統(tǒng)。

信源：信息的來(lái)源。

信道：信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，又稱(chēng)傳輸媒介，大體分為有線信道和無(wú)線信道。第2頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

圖1-1無(wú)線通信系統(tǒng)的基本組成第3頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

虛線以上部分為發(fā)送設(shè)備(發(fā)信機(jī))，虛線以下部分為接收設(shè)備(收信機(jī))，天線及天線開(kāi)關(guān)為收發(fā)共用設(shè)備。

接收機(jī)一般都采用超外差的形式，在通過(guò)高頻選頻放大(初步的選擇放大并抑制其它無(wú)用信號(hào))后進(jìn)行下混(變)頻，取出中頻后再進(jìn)行中頻放大(主選擇放大，具有較大的放大增益和較強(qiáng)的濾波能力)和其它處理，然后進(jìn)行解調(diào)。

超外差接收機(jī)的主要特點(diǎn)就是由頻率固定的中頻放大器來(lái)完成對(duì)接收信號(hào)的選擇和放大。當(dāng)信號(hào)頻率改變時(shí)，只要相應(yīng)地改變本地振蕩信號(hào)頻率即可。第4頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

發(fā)送設(shè)備主要完成調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波等功能，其結(jié)構(gòu)大同小異。

在發(fā)送設(shè)備中，一般存在兩種變換：第一種變換是將信源產(chǎn)生的原始信息變換成電信號(hào)，而這一信號(hào)的頻譜通?？拷泐l附近，屬于低頻信號(hào)，稱(chēng)為基帶(Baseband)信號(hào)；第二種變換稱(chēng)為調(diào)制(Modulating)，是將基帶信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)形式(一般為射頻或高頻的帶通信號(hào))。第5頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四接收設(shè)備的任務(wù)主要是有選擇地放大空中微弱電磁信號(hào)(同時(shí)要盡可能保證信息的質(zhì)量)，并恢復(fù)有用信息。在接收設(shè)備中有相應(yīng)的兩種反變換。

將接收到的已調(diào)信號(hào)變換(恢復(fù))為基帶信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)(Demodulating)，把實(shí)現(xiàn)解調(diào)的部件稱(chēng)為解調(diào)器(Demodulator)。解調(diào)時(shí)一般也需要一個(gè)本地的高頻振蕩信號(hào)，稱(chēng)為恢復(fù)載波(或插入載波)。收發(fā)設(shè)備中的調(diào)制器和解調(diào)器合稱(chēng)為調(diào)制解調(diào)器(Modem)。第6頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖1-2鏡像抑制接收機(jī)結(jié)構(gòu)(a)Hartley結(jié)構(gòu)；(b)Weaver結(jié)構(gòu)第7頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖1-3零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)⊕第8頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四無(wú)線通信系統(tǒng)的基本組成，從中也可看出高頻電路的基本內(nèi)容應(yīng)該包括:

(1)高頻振蕩器(信號(hào)源、載波信號(hào)或本地振蕩信號(hào))；

(2)放大器(高頻小信號(hào)放大器及高頻功率放大器)；

(3)混頻或變頻(高頻信號(hào)變換或處理)；

(4)調(diào)制與解調(diào)(高頻信號(hào)變換或處理)。第9頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在無(wú)線通信系統(tǒng)中通常需要某些反饋控制電路，這些反饋控制電路主要是自動(dòng)增益控制(AGC)或自動(dòng)電平控制(ALC)電路，自動(dòng)頻率控制(AFC)電路和自動(dòng)相位控制(APC)電路(也稱(chēng)鎖相環(huán)PLL)。第10頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.1.2無(wú)線通信系統(tǒng)的類(lèi)型無(wú)線通信系統(tǒng)的類(lèi)型，可以根據(jù)不同的方法來(lái)劃分。按照無(wú)線通信系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的不同特性，有以下一些類(lèi)型:

(1)按照工作頻段或傳輸手段分類(lèi)，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。工作頻率，主要指發(fā)射與接收的射頻(RF)頻率。第11頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(2)按照通信方式來(lái)分類(lèi)，主要有(全)雙工、半雙工和單工方式。單工通信：只能發(fā)或只能收的方式；半雙工通信：既可以發(fā)也可以收但不能同時(shí)收發(fā)的通信方式；而雙工通信是一種可以同時(shí)收發(fā)的通信方式。圖1-1的例子是半雙工方式，將天線開(kāi)關(guān)換成雙工器就成了雙工方式。

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(3)按照調(diào)制方式的不同來(lái)劃分，有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)以及混合調(diào)制等。

AM:用基帶信號(hào)去改變高頻載波信號(hào)的振幅稱(chēng)為調(diào)幅。

FM或PM：用基帶信號(hào)去改變高頻載波信號(hào)的頻率或相位。

第13頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(4)按照傳送的消息的類(lèi)型分類(lèi)，有模擬通信和數(shù)字通信，也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。

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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。對(duì)于較簡(jiǎn)單的信號(hào)(如正弦波、周期性方波等)，用這種方法表示很方便。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)的電路的時(shí)間特性(如時(shí)間常數(shù))與之相適應(yīng)。1.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制第15頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

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。這是因?yàn)槿魏涡问降男盘?hào)都可以分解為許多不同頻率、不同幅度的正弦信號(hào)之和，如圖1-4所示。圖中實(shí)線為一重復(fù)頻率為F的方波脈沖信號(hào)，點(diǎn)劃線為該脈沖信號(hào)的直流分量，短虛線為其基波分量，長(zhǎng)虛線為其直流分量、基波分量和三次諧波分量之和。諧波次數(shù)越高，幅度越小，影響就越小。第16頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖1-4信號(hào)分解第17頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四對(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1-5即為圖1-4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。第18頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖1-5頻譜圖第19頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四任何信號(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。不同的信號(hào)，其帶寬不同，比如，話音的頻率范圍大致為100Hz～6kHz，其主要能量集中在300Hz～3.4kHz。射頻頻率越高，可利用的頻帶寬度就越寬，不僅可以容納許多互不干擾的信道，從而實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用或頻分多址，而且也可以傳播某些寬頻帶的消息信號(hào)(如圖像信號(hào))，這是無(wú)線通信采用高頻的原因之一。第20頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

3.頻率特性任何信號(hào)都具有一定的頻率或波長(zhǎng)。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1-6所示。第21頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

圖1-6電磁波波譜第22頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四無(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=fλ

(1-1)式中:c為光速，f和λ分別為無(wú)線電波的頻率和波長(zhǎng)，因此，無(wú)線電波也可以認(rèn)為是一種頻率相對(duì)較低的電磁波。對(duì)頻率或波長(zhǎng)進(jìn)行分段，分別稱(chēng)為頻段或波段。不同頻段信號(hào)的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同，傳播的能力和方式也不同，因而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。表1-1列出了無(wú)線電波的頻(波)段劃分、主要傳播方式和用途等。表中關(guān)于傳播方式和用途的劃分是相對(duì)而言的，相鄰頻段間無(wú)絕對(duì)的分界線。第23頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第24頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四應(yīng)當(dāng)指出，不同頻段的信號(hào)具有不同的分析與實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于米波以上(含米波，λ≥1m)的信號(hào)通常用集總(中)參數(shù)的方法來(lái)分析與實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于米波以下(λ<1m)的信號(hào)一般應(yīng)用分布參數(shù)的方法來(lái)分析與實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，這也是相對(duì)的。另外，從表中可以看出，頻段劃分中有一個(gè)“高頻”段，其頻率范圍為3～30MHz，這是“高頻”的狹義解釋?zhuān)傅木褪嵌滩l段。本課程涉及的波段可從中波到微波波段。第25頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

4.傳播特性無(wú)線通信的傳輸媒質(zhì)主要是自由空間。頻率或波長(zhǎng)不同，電磁波在自由空間的傳播方式也不同。傳播特性指的是無(wú)線電信號(hào)的傳播方式、傳播距離、傳播特點(diǎn)等。無(wú)線電信號(hào)的傳播特性主要根據(jù)其所處的頻段或波段來(lái)區(qū)分。電磁波從發(fā)射天線輻射出去后，不僅電波的能量會(huì)擴(kuò)散，接收機(jī)只能收到其中極小的一部分，而且在傳播過(guò)程中，電波的能量會(huì)被地面、建筑物或高空的電離層吸收或反射，或者在大氣層中產(chǎn)生折射或散射等現(xiàn)象，從而造成到達(dá)接收機(jī)時(shí)的強(qiáng)度大大衰減。根據(jù)無(wú)線電波在傳播過(guò)程所發(fā)生的現(xiàn)象，電波的傳播方式主要有直射(視距)傳播、繞射(地波)傳播、折射和反射(天波)傳播及散射傳播等，如圖1-7所示。決定傳播方式和傳播特點(diǎn)的關(guān)鍵因素是無(wú)線電信號(hào)的頻率。第26頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖1-7無(wú)線電波的主要傳播方式(a)直射傳播；(b)地面繞射傳播；(c)電離層反射傳播；(d)對(duì)流層散射傳播第27頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一般來(lái)講，無(wú)線電信號(hào)的輻射是多方向的。由于地球是一個(gè)巨大的導(dǎo)體，電波沿地面?zhèn)鞑?繞射)時(shí)能量會(huì)被吸收(趨膚效應(yīng)引起)，通常是波長(zhǎng)越長(zhǎng)(或頻率越低)，被吸收的能量越少，損耗就越小，因此，中、低頻(或中、長(zhǎng)波)信號(hào)可以以地波的方式繞射傳播很遠(yuǎn)，并且比較穩(wěn)定，多用作遠(yuǎn)距離通信與導(dǎo)航。實(shí)際上，繞射依賴于電波的波長(zhǎng)、物體的體積與形狀、繞射點(diǎn)入射波的振幅、相位和極化情況等，當(dāng)電波的波長(zhǎng)大于物體的體積時(shí)容易發(fā)生繞射。第28頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四短波波段的無(wú)線電波沿地面?zhèn)鞑サ木嚯x很近，遠(yuǎn)距離傳播主要靠電離層。電離層對(duì)通過(guò)的電波也有吸收作用，頻率越高的信號(hào)，電離層吸收能力越弱，或者說(shuō)電波的穿透能力越強(qiáng)。因此，頻率太高的信號(hào)會(huì)穿過(guò)電離層而達(dá)到外層空間。另一方面，電離層也是一層介質(zhì)，對(duì)射向它的無(wú)線電波會(huì)產(chǎn)生反射與折射作用。入射角越大，越易反射；入射角太小，容易折射。第29頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電波的反射傳播不只是存在于電離層中。由于電波在不同性質(zhì)的介質(zhì)的交界處都會(huì)發(fā)生反射，因此，當(dāng)電波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)將產(chǎn)生反射，也就是說(shuō)，反射發(fā)生于地球表面、建筑物表面等許多地方。第30頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在離地面大約10～12km范圍內(nèi)的大氣層稱(chēng)為對(duì)流層，該層的空氣密度較高，所有的大氣現(xiàn)象(如風(fēng)、雨、雷、電等)都發(fā)生在這一層。散射現(xiàn)象也主要發(fā)生在對(duì)流層。在這個(gè)層中由于大氣湍流運(yùn)動(dòng)等原因形成的不均勻性就是電波的散射源。散射具有很強(qiáng)的方向性和隨機(jī)性。接收到的能量與入射線和散射線的夾角有關(guān)。散射信號(hào)隨時(shí)間的變化分為慢衰落和快衰落兩種，前者決定于氣象條件，后者由多徑傳播引起。散射傳播還有一定的散射損耗。散射傳播距離約為100～500km，適合的頻率在400～6000MHz之間。需要指出，散射是在電波通過(guò)的介質(zhì)中存在小于波長(zhǎng)的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常大時(shí)產(chǎn)生的，因此，散射發(fā)生于粗糙表面、小物體或不規(guī)則物體等許多地方。第31頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四頻率較高的超短波及其更高頻率的無(wú)線電波，主要沿空間直線傳播。由于地球曲率的原因,直射傳播的距離有限，通常只能為視距，因此也稱(chēng)為視距傳播。當(dāng)然，直線傳播方式可以通過(guò)架高天線、中繼或衛(wèi)星等方式來(lái)擴(kuò)大傳輸距離。總之，長(zhǎng)波信號(hào)以地波繞射為主；中波和短波信號(hào)可以以地波和天波兩種方式傳播，不過(guò)，前者以地波傳播為主，后者以天波(反射與折射)為主；超短波以上頻段的信號(hào)大多以直射方式傳播，也可以采用對(duì)流層散射的方式傳播。第32頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

5.調(diào)制特性無(wú)線電傳播一般都要采用高頻(射頻)的另一個(gè)原因就是高頻適于天線輻射和無(wú)線傳播。通過(guò)調(diào)制，把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬至高頻載波頻率，則收發(fā)天線的尺寸就可大為縮小。此外，調(diào)制還有一個(gè)重要作用就是可以實(shí)現(xiàn)信道的復(fù)用，提高信道利用率。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)按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。第33頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四根據(jù)載波受調(diào)制參數(shù)的不同，調(diào)制分為三種基本方式，它們是振幅調(diào)制(調(diào)幅)、頻率調(diào)制(調(diào)頻)、相位調(diào)制(調(diào)相)，分別用AM、FM、PM表示，還可以有組合調(diào)制方式。當(dāng)調(diào)制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)調(diào)制時(shí)，通常稱(chēng)為鍵控，三種基本的鍵控方式為振幅鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)和相位鍵控(PSK)。一般情況下，高頻載波為單一頻率的正弦波，對(duì)應(yīng)的調(diào)制為正弦調(diào)制。若載波為一脈沖信號(hào)，則稱(chēng)這種調(diào)制為脈沖調(diào)制。不同的調(diào)制信號(hào)和不同的調(diào)制方式，其調(diào)制特性不同。調(diào)制的逆過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)或檢波，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的原調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。第34頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.3本課程的特點(diǎn)高頻電子線路廣泛應(yīng)用于通信與電子系統(tǒng)中，高頻電子線路的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求也通常具有系統(tǒng)性。應(yīng)用于電子系統(tǒng)和電子設(shè)備中的高頻電子線路幾乎都是由線性的元件和非線性的器件組成的。嚴(yán)格來(lái)講，所有包含非線性器件的電子線路都是非線性電路，只是在不同的使用條件下,非線性器件所表現(xiàn)的非線性程度不同而已。比如對(duì)于高頻小信號(hào)放大器，由于輸入的信號(hào)足夠小，而又要求不失真放大，因此，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。但是，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。第35頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四與線性器件不同，對(duì)非線性器件的描述通常用多個(gè)參數(shù)，如直流跨導(dǎo)、時(shí)變跨導(dǎo)和平均跨導(dǎo)，而且大都與控制變量有關(guān)。在分析非線性器件對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)時(shí)，不能采用線性電路中行之有效的疊加原理，而必須求解非線性方程(包括代數(shù)方程和微分方程)。在實(shí)際中，要想精確求解十分困難，一般都采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的方法進(jìn)行近似分析。在工程上也往往根據(jù)實(shí)際情況對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡(jiǎn)單的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果，而不必過(guò)分追求其嚴(yán)格性。精確的求解非常困難，也不必要。第36頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期四高頻電子線路能夠?qū)崿F(xiàn)的功能和單元電路很多，實(shí)現(xiàn)每一種功能的電路形式更是千差萬(wàn)別，但它們都是基于非線性器件實(shí)現(xiàn)的，也都是在為