高頻電路原理與分析（第7版）PPT完整全套教學(xué)課件

目錄第1章緒論第2章高頻電路基礎(chǔ)與系統(tǒng)問(wèn)題第3章高頻諧振放大器第4章正弦波振蕩器第5章頻譜的線性搬移電路第6章振幅調(diào)制、解調(diào)及混頻第7章頻率調(diào)制與解調(diào)第8章反饋控制電路第9章高頻電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)第1章緒論1.1

無(wú)線通信系統(tǒng)概述1.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制1.3高頻電子線路發(fā)展趨勢(shì)1.4本課程的特點(diǎn)思考題與習(xí)題

1.1-無(wú)線通信系統(tǒng)概述

1.1.1-無(wú)線通信系統(tǒng)的組成與收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)

無(wú)線通信(或稱無(wú)線電通信)的類型很多,可以根據(jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類。不同的無(wú)線通信系統(tǒng),其設(shè)備組成和復(fù)雜度雖然有較大差異,但它們的基本組成不變,圖1-1是典型的無(wú)線通信系統(tǒng)基本組成方框圖。圖1-1

無(wú)線通信系統(tǒng)的基本組成

圖中虛線以上部分為發(fā)送設(shè)備(發(fā)射機(jī)),虛線以下部分為接收設(shè)備(接收機(jī)),天線及天線開關(guān)為收發(fā)共用設(shè)備。信道為自由空間。話筒和揚(yáng)聲器屬于通信的終端設(shè)備,分別為信源和信宿。上下兩個(gè)音頻放大器分別是為放大話筒輸出信號(hào)和推動(dòng)揚(yáng)聲器工作而設(shè)置的,屬低頻部件,本書不討論。上面的音頻放大器輸出的信號(hào)控制高頻載波振蕩器的某個(gè)(些)參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制;下面的解調(diào)器就是針對(duì)上面發(fā)射端的調(diào)制而進(jìn)行的檢波(調(diào)制的逆過(guò)程)。

已調(diào)制信號(hào)的頻率若不夠高,可根據(jù)需要進(jìn)行倍頻或上混(變)頻;若幅度不夠,可根據(jù)需要進(jìn)行若干級(jí)(通常有預(yù)放、激勵(lì)和輸出三級(jí))放大,經(jīng)天線輻射出去。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。

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。根據(jù)調(diào)制和上變頻是否合二為一,發(fā)送設(shè)備結(jié)構(gòu)分為直接變換結(jié)構(gòu)和兩次變換結(jié)構(gòu)兩種方式,在每種方式中也都可以采用單通道調(diào)制和雙通道正交調(diào)制方式,圖1-1中的發(fā)射機(jī)為典型的一次變頻結(jié)構(gòu)。

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)的頻譜通常靠近零頻附近,屬于低頻信號(hào),稱為基帶信號(hào);

第二種變換稱為調(diào)制,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))。調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào),相應(yīng)的沒(méi)有進(jìn)行調(diào)制之前的基帶信號(hào)也可稱為調(diào)制信號(hào)。調(diào)制時(shí)還需要一個(gè)高頻振蕩信號(hào),稱為載波,它可由高頻振蕩器或頻率合成器產(chǎn)生。載波通常為單一頻率的正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)。

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。接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)通常采用超外差(SuperHeterodyne)形式,圖1-1-中的接收機(jī)即為一次變頻超外差結(jié)構(gòu)。隨著設(shè)備小型化和系統(tǒng)化,接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了許多新的形式,如圖1-2和圖1-3分別為鏡頻抑制式和直接變換式(DirectConversion)或零中頻(ZeroIF)式接收機(jī)結(jié)構(gòu)。不同的接收設(shè)備結(jié)構(gòu)有不同的特點(diǎn)。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)圖1-3零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代高性能寬帶超外差接收機(jī)中,通常采用向上變頻(UpConversion)方式,并至少需要兩次頻率變換。其中的多個(gè)本振信號(hào)的頻率穩(wěn)定度要求較高(如0.5~1ppm),這就需要采用復(fù)雜的鎖相環(huán)或高性能的頻率合成電路,也可以采用本振頻率漂移抵消設(shè)計(jì),但這增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

在超外差接收機(jī)中,中頻頻率是固定的,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。通常中頻頻率相對(duì)較低,中頻放大器可以獲得很高的穩(wěn)定增益,降低了射頻級(jí)實(shí)現(xiàn)高增益的難度,相應(yīng)地,AGC范圍也就較大。由于使用高性能的中頻濾波器(通常是晶體濾波器或聲表面波濾波器),接收機(jī)的選擇性好,抗干擾能力強(qiáng)。超外差結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)就是組合干擾頻率點(diǎn)多,特別是對(duì)于鏡像頻率干擾的抑制頗為麻煩,因此出現(xiàn)了多種鏡頻抑制接收方案。其中,Hartley與Weaver變換結(jié)構(gòu)理論上完全消除了鏡像響應(yīng)和鏡像噪聲,結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單,然而,這兩種方法在實(shí)踐中都有明顯的缺點(diǎn)。

直接變換結(jié)構(gòu)也是按照超外差原理設(shè)計(jì)的,只是讓本地振蕩頻率等于載頻,使中頻為零(因此也稱為零中頻結(jié)構(gòu)),也就不存在鏡像頻率,從而也就避免了鏡頻干擾的抑制問(wèn)題。接收的信號(hào)通過(guò)直接變換處理成為零中頻的低頻基帶信號(hào),但不一定經(jīng)過(guò)解調(diào),可能需要在基帶上進(jìn)行同步與解調(diào)。另外,直接變換結(jié)構(gòu)中射頻部分只有高放和混頻器,具有增益低,易滿足線性動(dòng)態(tài)范圍的要求;由于下變頻后為低頻基帶信號(hào),只需用低通濾波器來(lái)選擇信道即可,省去了價(jià)格昂貴的中頻濾波器,體積小、功耗低、便于集成,多用于便攜式的低功耗設(shè)備中。但是,直接變換結(jié)構(gòu)也存在著本振泄漏與輻射、直流偏移(DCOffset)、閃爍噪聲、兩支路平衡與匹配問(wèn)題等缺點(diǎn)。

可以總結(jié)出無(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(高頻前端)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)。

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(也稱鎖相環(huán)PLL)。此外,還要考慮高頻電路中所用的元件、器件和組件,以及信道或接收機(jī)中的干擾與噪聲問(wèn)題。需要說(shuō)明的是,雖然許多通信設(shè)備可以用集成電路(IC)來(lái)實(shí)現(xiàn),但是上述的單元電路通常都是由有源的和無(wú)源的元器件構(gòu)成的,既有線性電路,也有非線性電路。這些基本單元電路的組成、原理及有關(guān)技術(shù)問(wèn)題,就是本書的研究對(duì)象。

應(yīng)當(dāng)指出,實(shí)際的通信設(shè)備比上面所舉例子要復(fù)雜得多。比如發(fā)射機(jī)的振蕩器和接收機(jī)的本地振蕩器就可以用更復(fù)雜的組件———頻率合成器(FS)來(lái)代替,它可以產(chǎn)生大量所需頻率的信號(hào)。

1.1.2無(wú)線通信系統(tǒng)的類型

無(wú)線通信系統(tǒng)的類型,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,有以下一些類型:

(1)按照工作頻段或傳輸手段分類,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。所謂工作頻率,主要指發(fā)射與接收的射頻(RF)頻率。射頻實(shí)際上就是“高頻”的廣義語(yǔ),它是指適合無(wú)線電發(fā)射和傳播的頻率。無(wú)線通信的一個(gè)發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。

(2)按照通信方式來(lái)分類,主要有(全)雙工、半雙工和單工方式。所謂單工通信,指的是只能發(fā)或只能收的方式;半雙工通信是一種既可以發(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,將天線開關(guān)換成雙工器就成了雙工方式。

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

(4)按照傳送的消息的類型分類,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。

1.1.3無(wú)線通信系統(tǒng)的要求與指標(biāo)

無(wú)線通信系統(tǒng)的基本特性主要體現(xiàn)在有效性和可靠性兩方面。有效性就是指空間、時(shí)間、頻率的利用率,主要用傳輸距離和通信容量(信道容量)指標(biāo)來(lái)衡量;而可靠性主要用信號(hào)失真度、誤碼率、抗干擾能力等指標(biāo)衡量。

傳輸距離是指信號(hào)從發(fā)送端到達(dá)接收端并能被可靠接收的最大距離,它與采用的通信體制和是否中繼有關(guān)。在無(wú)中繼的情況下,傳輸距離決定于發(fā)送端的信號(hào)功率、信號(hào)通過(guò)信道的損耗、信號(hào)通過(guò)信道混入的各種形式的干擾和噪聲以及接收機(jī)的接收靈敏度。通信容量是指一個(gè)信道能夠同時(shí)傳送獨(dú)立信號(hào)的路數(shù)或信道速率。影響信道容量的因素包括已調(diào)信號(hào)所占有的頻帶寬度、系統(tǒng)采用的調(diào)制方式、信道條件(信噪比和信干比)和信道的復(fù)用(多址)方式以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。

信號(hào)失真度指的是接收設(shè)備輸出信號(hào)不同(失真)于發(fā)送端基帶信號(hào)的程度。產(chǎn)生信號(hào)失真的原因主要包括信道特性不理想和對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的電路(發(fā)送與接收設(shè)備)特性不理想。信號(hào)通過(guò)信道時(shí),總要混入各種形式的干擾和噪聲,使接收機(jī)輸出信號(hào)的質(zhì)量下降,通信系統(tǒng)抵抗這種干擾的能力稱為通信系統(tǒng)的抗干擾能力。提高通信系統(tǒng)抗干擾能力的技術(shù)主要包括技術(shù)體制中采用的抗干擾措施、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提高的抗干擾能力和選用高質(zhì)量的調(diào)制和解調(diào)電路等幾方面。

1.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制

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)。這些無(wú)線電信號(hào)有多方面的特性,主要有時(shí)間(域)特性、頻率特性、頻譜特性、調(diào)制特性、傳播特性等。

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)。

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。圖1-4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。圖1-5頻譜圖

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。圖1-6電磁波波譜

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:

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。

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。圖1-7無(wú)線電波的主要傳播方式

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。

頻率較高的超短波及更高頻率的無(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。

5.調(diào)制特性

調(diào)制在無(wú)線通信中的作用至關(guān)重要。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。只有當(dāng)天線的尺寸大到可以與信號(hào)波長(zhǎng)相比擬時(shí),天線的輻射效率才會(huì)較高,從而以較小的信號(hào)功率傳播較遠(yuǎn)的距離,接收天線也才能有效地接收信號(hào)。若把低頻的調(diào)制信號(hào)直接饋送至天線上,要想將它有效地變換成電磁波輻射,則所需天線的長(zhǎng)度幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。如果通過(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。

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),則稱這種調(diào)制為脈沖調(diào)制。本課程中主要討論模擬消息(調(diào)制)信號(hào)和正弦載波的模擬調(diào)制,但這些原理甚至電路完全可以推廣到數(shù)字調(diào)制中去。

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)。

1.3高頻電子線路發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)線通信技術(shù)正朝著寬帶化、網(wǎng)絡(luò)化、軟件化乃至智能化方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)母哳l電路也正朝著高頻化、寬帶化、集成化和軟件化的方向發(fā)展,而高頻化、寬帶化和軟件化都體現(xiàn)在集成化之中。

廣義的高頻集成電路按照頻率可分為高頻集成電路(HFIC)和微波集成電路(MIC),按照功能或用途可分為通用集成電路和專用集成電路(ASIC),也可分為單元集成電路和系統(tǒng)集成電路(SoC)。

集成電路發(fā)展的核心是集成度的提高,而集成度的提高又依賴于工藝技術(shù)的提高和新的制造方法,主要概括為如下幾方面:

1.更高集成度(更細(xì)工藝或更高精度)

從電路集成開始,IC的發(fā)展基本上是按照摩爾(Moore)定律(每三年芯片集成度增加四倍,特征尺寸減小30%)進(jìn)行的,芯片的集成度由十幾萬(wàn)個(gè)晶體管到幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn)個(gè)晶體管甚至達(dá)到上千萬(wàn)個(gè)晶體管;封裝的引線腳多達(dá)幾百個(gè),集成在一塊芯片上的功能也越來(lái)越多,甚至于集成電路的設(shè)計(jì)與制造模式也發(fā)生了很大的變化,出現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試等相對(duì)獨(dú)立的“行業(yè)”,各“行業(yè)”各司其職,各自發(fā)展,相得益彰。如今包括高頻IC在內(nèi)的集成電路的發(fā)展仍然符合摩爾定律,而且在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),這種發(fā)展態(tài)勢(shì)不會(huì)改變。

2.更大規(guī)模和單片化

集成工藝的改進(jìn)和集成度的提高促進(jìn)了集成電路規(guī)模的擴(kuò)大。實(shí)際上,改進(jìn)集成工藝和提高集成度也正是為了制作更大規(guī)模的集成電路。從九十年代的硅工藝技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的深亞微米工藝,芯片的集成度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1000萬(wàn),已經(jīng)足以將各種功能電路(A/D、D/A和RF電路等)甚至整個(gè)電子系統(tǒng)集成到單一芯片上,成為單片集成的片上系統(tǒng)(SystemonChip,SoC)。當(dāng)前,單片化的大規(guī)模集成電路的熱點(diǎn)之一就是高頻電路或射頻電路的單片集成化。

而這些集成電路在過(guò)去大多是用雙極工藝或砷化鉀工藝制作且以薄/厚膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)的,現(xiàn)在基本上可以用CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn),如用0.5μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝可以為GPS接收機(jī)和GSM手機(jī)提供性價(jià)比優(yōu)于GaAs的RF器件,工作頻率可達(dá)1.8GHz。由此可見,CMOS射頻集成電路仍然是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。當(dāng)然,集成電路向單片化發(fā)展并不妨礙獨(dú)立的高頻集成電路的發(fā)展。

3.更高頻率

隨著無(wú)線通信頻段向高端的擴(kuò)展,勢(shì)必也會(huì)開發(fā)出頻率更高的高頻集成電路。

4.更數(shù)字化與智能化

隨著數(shù)字技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的高頻信號(hào)處理電路可以用數(shù)字和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),如數(shù)字上/下變頻器、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)器等。這種趨勢(shì)也表現(xiàn)在高頻集成電路中。從無(wú)線通信的角度來(lái)講,高頻集成電路數(shù)字化的趨勢(shì)將越來(lái)越向天線端靠近,這與軟件無(wú)線電的發(fā)展趨勢(shì)是一致的。所謂軟件無(wú)線電(SoftwareRadio),就是用軟件來(lái)控制無(wú)線電通信系統(tǒng)各個(gè)模塊(放大器、調(diào)制/解調(diào)器、數(shù)控振蕩器、濾波器等)的不同參數(shù)(頻率、增益、功率、帶寬、調(diào)制/解調(diào)方式、阻抗等)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。

5.更低功耗和更小封裝

隨著系統(tǒng)功能的增加和設(shè)備小型化的發(fā)展,芯片規(guī)模和復(fù)雜度也越來(lái)越大,因此,降低芯片功耗(通常需要降低供電電壓)和縮小芯片的封裝尺寸成為高頻IC發(fā)展的必然選擇。

應(yīng)當(dāng)指出,片上系統(tǒng)或大規(guī)模的單片集成電路中通常不僅有高頻集成電路的成分,而且包含大量的其它數(shù)字型和模擬型電路,使整個(gè)集成電路的“硬件”很難區(qū)分出高頻集成電路和其它集成電路。

高頻電路集成化存在的主要問(wèn)題除了一般集成電路都存在的工藝、成本、功耗和體積問(wèn)題之外,還有電感、大電容、選擇性濾波器等難以集成。對(duì)于無(wú)線通信來(lái)說(shuō),理想的集成化收發(fā)信機(jī),應(yīng)該是除天線、收發(fā)和頻道開關(guān)/音量電位器、終端設(shè)備及選擇性濾波器之外的其它電路都由集成電路或單片集成電路來(lái)完成。當(dāng)然,目前要做到這一點(diǎn)還是有一定困難的。但是隨著技術(shù)的發(fā)展,收發(fā)信機(jī)的完全集成化也不是不能實(shí)現(xiàn)。隨著各種無(wú)線應(yīng)用的普及,多模、多頻、多系統(tǒng)的SoC芯片越來(lái)越多,其中射頻部分還會(huì)集成無(wú)源與有源組件,甚至集成聲表面波(SAW)濾波器。

1.4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。

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。

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,也都是在為數(shù)不多的基本電路的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。因此,在學(xué)習(xí)本課程時(shí),要抓住各種電路之間的共性,洞悉各種功能之間的內(nèi)在聯(lián)系,而不要局限于掌握一個(gè)個(gè)具體的電路及其工作原理。當(dāng)然,熟悉典型的單元電路對(duì)識(shí)圖能力的提高和電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是非常有意義的。近年來(lái),集成電路和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)迅速發(fā)展,各種通信電路甚至系統(tǒng)都可以做在一個(gè)芯片內(nèi),稱為片上系統(tǒng)(SoC)。

高頻電子線路是在科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)展起來(lái)的,也只有通過(guò)實(shí)踐才能得到深入的了解。因此,在學(xué)習(xí)本課程時(shí)必須要高度重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際,在實(shí)踐中積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的高頻電子線路可以采用EDA軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真分析和電路板制作,甚至可以做電磁兼容的分析和實(shí)際環(huán)境下的仿真。因此,掌握先進(jìn)的高頻電路EDA技術(shù),也是學(xué)習(xí)高頻電子線路的一個(gè)重要內(nèi)容。

思考題與習(xí)題1-1-畫出無(wú)線通信收發(fā)信機(jī)的原理框圖,并說(shuō)出各部分的功用。1-2無(wú)線通信為什么要用高頻信號(hào)?“高頻”信號(hào)指的是什么?1-3無(wú)線通信為什么要進(jìn)行調(diào)制?如何進(jìn)行調(diào)制?1-如何?4無(wú)線電信號(hào)的頻段或波段是如何劃分的?各個(gè)頻段的傳播特性和應(yīng)用情況1-5高頻電子線路有哪些發(fā)展趨勢(shì)?1-6高頻電子線路的主要特點(diǎn)有哪些?第2章高頻電路基礎(chǔ)與系統(tǒng)問(wèn)題2.1高頻電路中的元器件2.2高頻電路中的組件2.3阻抗變換與阻抗匹配2.4電子噪聲與接收靈敏度2.5非線性失真與動(dòng)態(tài)范圍2.6高頻電路的電磁兼容

2.1高頻電路中的元器件2.1.1高頻電路中的元件各種高頻電路基本上是由有源器件、無(wú)源元件和無(wú)源網(wǎng)絡(luò)組成的。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,但要注意它們?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。高頻電纜、高頻接插件和高頻開關(guān)等由于比較簡(jiǎn)單,這里不加討論。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。

1.電阻器

一個(gè)電阻R的高頻等效電路如圖2-1所示,其中,CR為分布電容,LR

為引線電感,R為電阻。分布電容和引線電感越小,表明電阻的高頻特性越好。電阻器的高頻特性與制作電阻的材料、電阻的封裝形式和尺寸大小有密切關(guān)系。一般說(shuō)來(lái),金屬膜電阻比碳膜電阻的高頻特性要好,而碳膜電阻比線繞電阻的高頻特性要好;表面貼裝(SMD)電阻比引線電阻的高頻特性要好,小尺寸的電阻比大尺寸的電阻的高頻特性要好。圖2-1電阻的高頻等效電路

2.電容器

由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體即構(gòu)成電容。作為電路元件的電容器一般只考慮其電容量值(標(biāo)稱值),在理論上也只按電容量來(lái)處理。但實(shí)際上一個(gè)電容器的等效電路卻如圖2-2(a)所示。其中,電阻RC為極間絕緣電阻,它是由于兩導(dǎo)體間的介質(zhì)的非理想(非完全絕緣)所致,通常用損耗角δ或品質(zhì)因數(shù)QC來(lái)表示;電感LC為分布電感或(和)極間電感,小容量電容器的引線電感也是其重要組成部分。圖2-2-電容器的高頻等效電路

3.電感器

高頻電感器與普通電感器一樣,電感量是其主要參數(shù)。電感量L產(chǎn)生的感抗為jωL,其中,ω為工作角頻率。高頻電感器一般由導(dǎo)線繞制(空心或有磁芯、單層或多層)而成(也稱電感線圈),由于導(dǎo)線都有一定的直流電阻,所以高頻電感器具有直流電阻R。把兩個(gè)或多個(gè)電感線圈靠近放置就可組成一個(gè)高頻變壓器。

與電容器類似,高頻電感器也具有自身諧振頻率SRF。在SRF上,高頻電感的阻抗的幅值最大,而相角為零,如圖2-3所示。圖2-3高頻電感器的自身諧振頻率SRF

2.1.2

高頻電路中的有源器件

從原理上看,用于高頻電路的各種有源器件,與用于低頻或其它電子線路的器件沒(méi)有什么根本不同。它們是各種半導(dǎo)體二極管、晶體管以及半導(dǎo)體集成電路,這些器件的物理機(jī)制和工作原理,在有關(guān)課程中已詳細(xì)討論過(guò),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)。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。常用的點(diǎn)接觸式二極管(如2AP系列),工作頻率可到100~200MHz,而表面勢(shì)壘二極管,工作頻率可高至微波范圍。

另一種在高頻中應(yīng)用很廣的二極管是變?nèi)荻O管,其特點(diǎn)是電容隨偏置電壓變化。我們知道,半導(dǎo)體二極管具有PN結(jié),而PN結(jié)具有電容效應(yīng),它包括擴(kuò)散電容和勢(shì)壘電容。當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí),擴(kuò)散效應(yīng)起主要作用;而當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí),勢(shì)壘電容將起主要作用。利用PN結(jié)反偏時(shí)勢(shì)壘電容隨外加反偏電壓變化的機(jī)理,在制作時(shí)用專門工藝和技術(shù)經(jīng)特殊處理而制成的具有較大電容變化范圍的二極管就是變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj與外加反偏電壓u之間呈非線性關(guān)系(見第7章)。

變?nèi)荻O管在工作時(shí)處于反偏截止?fàn)顟B(tài),基本上不消耗能量,噪聲小,效率高。將它用于振蕩回路中,可以作成電調(diào)諧器,也可以構(gòu)成自動(dòng)調(diào)諧電路等。變?nèi)莨苋粲糜谡袷幤髦?可以通過(guò)改變電壓來(lái)改變振蕩信號(hào)的頻率。這種振蕩器稱為壓控振蕩器(VCO)。壓控振蕩器是鎖相環(huán)路的一個(gè)重要部件。電調(diào)諧器和壓控振蕩器也廣泛用于電視接收機(jī)的高頻頭中。具有變?nèi)菪?yīng)的某些微波二極管(微波變?nèi)莨?還可以進(jìn)行非線性電容混頻、倍頻。

還有一種以P型、N型和本征(I)型三種半導(dǎo)體構(gòu)成的PIN二極管,它具有較強(qiáng)的正向電荷儲(chǔ)存能力。它的高頻等效電阻受正向直流電流的控制,是一電可調(diào)電阻。它在高頻及微波電路中可以用作電可控開關(guān)、限幅器、電調(diào)衰減器或電調(diào)移相器。

2.晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管(FET)

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。目前雙極型小信號(hào)放大管,工作頻率可達(dá)幾千兆赫茲,噪聲系數(shù)為幾分貝。小信號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)管也能工作在同樣高的頻率,且噪聲更低。一種稱為砷化鎵的場(chǎng)效應(yīng)管,其工作頻率可達(dá)十幾千兆赫茲以上。在高頻大功率晶體管方面,在幾百兆赫茲以下頻率,雙極型晶體管的輸出功率可達(dá)十幾瓦至上百瓦。而金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET),甚至在幾千兆赫茲的頻率上還能輸出幾瓦功率。

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相乘器,工作頻率也可達(dá)一百兆赫茲以上。隨著集成技術(shù)的發(fā)展,也生產(chǎn)出了一些高頻的專用集成電路(ASIC)。其中包括集成鎖相環(huán)、集成調(diào)頻信號(hào)解調(diào)器、單片集成接收機(jī)以及電視機(jī)中的專用集成電路等。

2.2

高頻電路中的組件

2.2.1高頻振蕩回路

高頻振蕩回路是高頻電路中應(yīng)用最廣的無(wú)源網(wǎng)絡(luò),也是構(gòu)成高頻放大器、振蕩器以及各種濾波器的主要部件,在電路中完成阻抗變換、信號(hào)選擇等任務(wù),并可直接作為負(fù)載使用。下面分簡(jiǎn)單振蕩回路、抽頭并聯(lián)振蕩回路和耦合振蕩回路三部分來(lái)討論。

1.簡(jiǎn)單振蕩回路

振蕩回路就是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)形成的回路。只有一個(gè)回路的振蕩電路稱為簡(jiǎn)單振蕩回路或單振蕩回路。簡(jiǎn)單振蕩回路的阻抗在某一特定頻率上具有最大或最小值的特性稱為諧振特性,這個(gè)特定頻率稱為諧振頻率。簡(jiǎn)單振蕩回路具有諧振特性和頻率選擇作用,這是它在高頻電子線路中得到廣泛應(yīng)用的重要原因。

1)串聯(lián)諧振回路

圖2-4串聯(lián)振蕩回路及其特性圖2-4(a)是最簡(jiǎn)單的串聯(lián)振蕩回路。圖中,r是電感線圈L中的損耗電阻,r通常很小,可以忽略,C為電容。振蕩回路的諧振特性可以從它們的阻抗頻率特性看出來(lái)。圖2-4串聯(lián)振蕩回路及其特性

對(duì)于圖2-4(a)的串聯(lián)振蕩回路,當(dāng)信號(hào)角頻率為ω時(shí),其串聯(lián)阻抗為

稱為回路的品質(zhì)因數(shù),它是振蕩回路的另一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)式(2-5)畫出相應(yīng)的曲線如圖2-5所示,稱為諧振曲線。由圖可知,回路的品質(zhì)因數(shù)越高,諧振曲線越尖銳,回路的選擇性越好。因此,回路品質(zhì)因數(shù)的大小可以說(shuō)明回路選擇性的好壞。另外一個(gè)反映回路選擇性好壞的參數(shù)———矩形系數(shù)的概念將在后面給出。在高頻中通常Q是遠(yuǎn)大于1的值(一般電感線圈的Q值為幾十到一二百)。在串聯(lián)回路中,電阻、電感、電容上的電壓值與阻抗值成正比,因此串聯(lián)諧振時(shí)電感及電容上的電壓為最大,其值為電阻上電壓值的Q倍,也就是恒壓源的電壓值的Q倍。發(fā)生諧振的物理意義是,此時(shí),電容中儲(chǔ)存的電能和電感中儲(chǔ)存的磁能周期性地轉(zhuǎn)換,并且儲(chǔ)存的最大能量相等。圖2-5串聯(lián)諧振回路的諧振曲線

在實(shí)際應(yīng)用中,外加信號(hào)的頻率ω與回路諧振頻率ω0之差Δω=ω-ω0表示頻率偏離諧振的程度,稱為失諧。當(dāng)ω與ω0很接近時(shí),

應(yīng)當(dāng)指出,以上所用到的品質(zhì)因數(shù)都是指回路沒(méi)有外加負(fù)載時(shí)的值,稱為空載Q值或Q0。當(dāng)回路有外加負(fù)載時(shí),品質(zhì)因數(shù)要用有載Q值或QL來(lái)表示,其中的電阻r應(yīng)為考慮負(fù)載后的總的損耗電阻。

圖2-6串聯(lián)回路在諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系

2)并聯(lián)諧振回路

串聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為低內(nèi)阻(如恒壓源)的情況或低阻抗的電路(如微波電路)。當(dāng)頻率不是非常高時(shí),并聯(lián)諧振回路應(yīng)用最廣。

并聯(lián)諧振回路是與串聯(lián)諧振回路對(duì)偶的電路,其等效電路、阻抗特性和輻角特性分別如圖2-7(b)、(c)和(d)所示。圖2-7并聯(lián)諧振回路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性

圖2-8表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系。

當(dāng)信號(hào)頻率低于諧振頻率,即ω<ω0時(shí),感抗小于容抗,此時(shí)整個(gè)回路呈感性阻抗;當(dāng)ω>ω0時(shí),整個(gè)回路呈容性阻抗。圖2-7(d)也表示出了此關(guān)系。

應(yīng)當(dāng)指出,以上討論的是高Q的情況。如果Q值較低時(shí),并聯(lián)振蕩回路諧振頻率將低于高Q情況的頻率,并使諧振曲線和相位特性隨著Q值而偏離。圖2-8并聯(lián)回路中諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系

例2-1設(shè)一放大器以簡(jiǎn)單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載,信號(hào)中心頻率fs=10MHz,回路電容C=50pF,(1)試計(jì)算所需的線圈電感值。(2)若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q=100,試計(jì)算回路諧振電阻及回路帶寬。(3)若放大器所需的帶寬B0.7=0.5MHz,則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求?

2.抽頭并聯(lián)振蕩回路

在實(shí)際應(yīng)用中,常常用到激勵(lì)源或負(fù)載與回路電感或電容部分連接的并聯(lián)振蕩回路,即抽頭并聯(lián)振蕩回路。圖2-9是幾種常用的抽頭振蕩回路。采用抽頭回路,可以通過(guò)改變抽頭位置或電容分壓比來(lái)實(shí)現(xiàn)回路與信號(hào)源的阻抗匹配(如圖2-9(a)、(b)),或者進(jìn)行阻抗變換(如圖2-9(d)、(e))。也就是說(shuō),除了回路的基本參數(shù)ω0、Q和R0外,還增加了一個(gè)可以調(diào)節(jié)的因子。這個(gè)調(diào)節(jié)因子就是接入系數(shù)(抽頭系數(shù))p。它被定義為:與外電路相連的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質(zhì)總電抗之比。p也可以用電壓比來(lái)表示,即

因此,又把抽頭系數(shù)稱為電壓比或變比。下面簡(jiǎn)單分析圖2-9(a)和(b)兩種電路。圖2-9幾種常見抽頭振蕩回路

仍然考慮窄帶高Q的實(shí)際情況。對(duì)于圖2-9(a),設(shè)回路處于諧振或失諧不大時(shí),流現(xiàn)電感的電流L仍然比外部電流大得多,即IL?I,因而UT比U大。當(dāng)諧振時(shí),輸入端呈的電阻設(shè)為R,從功率相等的關(guān)系看,有

事實(shí)上,接入系數(shù)的概念不只是對(duì)諧振回路適用,在非諧振回路中通常用電壓比來(lái)定義接入系數(shù)。根據(jù)分析,在回路失諧不大,p又不是很小的情況下,輸入端的阻抗也有類似關(guān)系

對(duì)于圖2-9(b)的電路,其接入系數(shù)p可以直接用電容比值表示為

在實(shí)際中,除了阻抗需要折合外,有時(shí)信號(hào)源也需要折合。對(duì)于電壓源,由式(2-18)可得

對(duì)于如圖2-10所示的電流源,其折合關(guān)系為

需要注意,對(duì)信號(hào)源進(jìn)行折合時(shí)的變比是p,而不是p2。

在抽頭回路中,由于激勵(lì)端的電壓U小于回路兩端電壓UT,從功率等效的概念來(lái)考慮,回路要得到同樣功率,抽頭端的電流要更大些(與不抽頭回路相比)。這也意味著諧振時(shí)的回路電流IL和IC與I的比值要小些,而不再是Q倍。由

及

可得

例2-2

如圖2-11,抽頭回路由電流源激勵(lì),忽略回路本身的固有損耗,試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。圖2-11例2的抽頭回路

解由于忽略了回路本身的固有損耗,因此可以認(rèn)為Q→∞。由圖可知,回路電容為

在上述近似計(jì)算中,u1(t)與u(t)同相。考慮到R1對(duì)實(shí)際分壓比的影響,u1(t)與u(t)之間還有一小的相移。

3.耦合振蕩回路

在高頻電路中,有時(shí)用到兩個(gè)互相耦合的振蕩回路,也稱為雙調(diào)諧回路。把接有激勵(lì)信號(hào)源的回路稱為初級(jí)回路,把與負(fù)載相接的回路稱為次級(jí)回路或負(fù)載回路。圖2-12-是兩種常見的耦合回路。圖2-12(a)是互感耦合電路,圖2-12(b)是電容耦合回路。圖2-12-兩種常見的耦合回路及其等效電路

耦合振蕩回路在高頻電路中的主要功用,一是用來(lái)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換以完成高頻信號(hào)的傳輸;一是形成比簡(jiǎn)單振蕩回路更好的頻率特性。通常應(yīng)用時(shí)都滿足下述兩個(gè)條件:一是兩個(gè)回路都對(duì)信號(hào)頻率調(diào)諧;另一個(gè)是都為高Q電路。下面以圖2-12(a)的互感耦合回路為主來(lái)分析說(shuō)明它的原理和特性。反映兩回路耦合大小的是兩線圈間的互感M,以及互感與初次級(jí)電感L1、L2的大小關(guān)系。耦合阻抗為Zm=jXm=jωM。為了反映兩回路的相對(duì)耦合程度,可以引入一耦合系數(shù)k,它定義為Xm與初次級(jí)中與Xm同性質(zhì)兩電抗的幾何平均值之比,即

對(duì)于圖2-12(b)電路,耦合系數(shù)為

若不計(jì)常數(shù)因子,式(2-30)與式(2-31)具有相同的頻率特性。A出現(xiàn)在分子和分母中,這表示兩回路的耦合程度要影響曲線的高度和形狀。以ξ為變量,對(duì)式(2-30)求極值可知,當(dāng)耦合因子A小于1時(shí),在ξ=0處有極大值。當(dāng)A大于1,則有兩個(gè)極大值,在ξ=0處有凹點(diǎn)。此時(shí)|Z21|曲線為雙峰。求出|Z21|的極大值|Z21|max,可以求出不同A時(shí)的歸一化轉(zhuǎn)移阻抗

通常將A=1的情況稱為臨界耦合,而將此時(shí)耦合系數(shù)稱為臨界耦合系數(shù)

而將A>1,或k>k0稱為過(guò)耦合;A<1,或k<k0稱為欠耦合。

圖2-13為歸一化的轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性。由圖可見,當(dāng)k<k0的欠耦合時(shí),曲線較尖,帶寬窄,且其最大值也較小(比k≥k0時(shí))。通常不工作在這種狀態(tài)。當(dāng)k增加至k0的臨界耦合時(shí),曲線由單峰向雙峰變化,曲線頂部較平緩。臨界耦合時(shí)的特性可將A=1代人式(2-32)得到圖2-13耦合回路的頻率特性

當(dāng)允許頻帶內(nèi)有凹陷起伏特性時(shí),可以采用k>k0的過(guò)耦合狀態(tài),它可以得到更大的帶寬。但凹陷點(diǎn)的值小于0.707的過(guò)耦合情況沒(méi)有什么應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)式(2-32)的頻率特性可以分析出最大凹陷點(diǎn)也為0.707時(shí)的耦合因子及帶寬,它們分別為

必須再一次指出,以上分析只限于高Q值的窄帶耦合回路。

2.2.2

高頻變壓器和傳輸線變壓器

1.高頻變壓器

變壓器是靠磁通交鏈,或者說(shuō)是靠互感進(jìn)行耦合的。兩個(gè)耦合的線圈,通常只有當(dāng)兩者緊耦合時(shí),方稱它為變壓器。如果用前面定義的互感耦合系數(shù)k表示,只有當(dāng)k接近1時(shí),性能才接近理想變壓器。因此,高頻變壓器同樣以某種磁性材料作為公共的磁路,以增加線圈間的耦合。但高頻變壓器在磁芯材料和變壓器結(jié)構(gòu)上都與低頻變壓器有較大不同,主要表現(xiàn)在:

(1)為了減少損耗,高頻變壓器常用導(dǎo)磁率μ高、高頻損耗小的軟磁材料作磁芯。最常用的高頻磁芯是鐵氧體材料(鐵氧體材料也可用于低頻中),一般有錳鋅鐵氧體MXO和鎳鋅鐵氧體NXO兩種。前者導(dǎo)磁率(通常以相對(duì)導(dǎo)磁率表示)高,但高頻損耗大,多用于幾百千赫茲至幾兆赫茲范圍,或者允許有較大損耗的高頻范圍。后者導(dǎo)磁率較低,但高頻損耗小,可用于幾十兆赫茲甚至更高的頻率范圍。

(2)高頻變壓器一般用于小信號(hào)場(chǎng)合,尺寸小,線圈的匝數(shù)較少。因此,其磁芯的結(jié)構(gòu)形狀與低頻時(shí)不同,主要采用圖2-14(a)、(b)的環(huán)形結(jié)構(gòu)和罐形結(jié)構(gòu)。初次級(jí)線圈直接穿繞在環(huán)形結(jié)構(gòu)的磁環(huán)上,或繞制在骨架上,放于兩罐之間。罐形結(jié)構(gòu)中磁路允許有氣隙,可以用調(diào)節(jié)氣隙大小的方法來(lái)微調(diào)變壓器的電感。圖2-14(c)是雙孔磁芯,它是環(huán)形磁芯的一種變形,可以在兩個(gè)孔中分別繞制線圈。圖2-14高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)

高頻變壓器的近似等效電路如圖2-15(b)所示。它忽略了實(shí)際變壓器中存在的各種損耗(磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗和導(dǎo)線電阻損耗)和漏感。除了元件數(shù)值范圍不同外,它與低頻變壓器的等效電路沒(méi)有什么不同。圖中,虛線內(nèi)為理想變壓器,L為初級(jí)勵(lì)磁電感,LS為漏感,CS為變壓器的分布電容。圖2-15高頻變壓器及其等效電路

目前,在低阻抗負(fù)載電路中(幾十歐姆至上百歐姆),在變壓比(N1/N2-或N2/N1)不很大的情況下,高頻變壓器的頻帶寬度可以做到3~4個(gè)倍頻程(即最高頻率與最低頻率比為8~16)甚至還可更高些。

在某些高頻電路中經(jīng)常會(huì)用到一種具有中心抽頭的三繞組高頻變壓器,稱之為中心抽頭變壓器,它可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入信號(hào)的相加或相減,在某些端口間有隔離,另一些端口間有最大的功率傳輸。

圖2-16(a)是一中心抽頭變壓器的示意圖。初級(jí)為兩個(gè)等匝數(shù)的線圈串聯(lián),極性相同,設(shè)初次級(jí)匝比n=N1/N2。作為理想變壓器看待,線圈間的電壓和電流關(guān)系分別為

中心抽頭變壓器的一種典型應(yīng)用就是作為四端口器件,圖2-16(b)表示了這一情況。四端口上接有Z1、Z2、Z3、Z4阻抗,根據(jù)不同應(yīng)用,可在某些端口加信號(hào)源。圖2-16中心抽頭變壓器電路

2.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。圖2-17傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)和電路

傳輸線變壓器中的傳輸線主要是指用來(lái)傳輸高頻信號(hào)的雙導(dǎo)線、同軸線。圖2-17(a)的互相絕緣的雙導(dǎo)線(一般用漆包線)應(yīng)扭絞在一起,也常用細(xì)同軸電纜繞制。傳輸線就是利用兩導(dǎo)線間(或同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間)的分布電容和分布電感形成一電磁波的傳輸系統(tǒng)。它傳輸信號(hào)的頻率范圍很寬,可以從直流到幾百、上千兆赫茲(同軸電纜)。傳輸線的主要參數(shù)是波速、波長(zhǎng)及特性阻抗。波速與波長(zhǎng)分別為

從原理上講,傳輸線變壓器既可以看作是繞在磁環(huán)上的傳輸線,也可以看作是雙線并繞的1∶1變壓器,因此它兼有傳輸線和高頻變壓器兩者的特點(diǎn)。傳輸線變壓器有兩種工作方式(也可以說(shuō)是兩種模式)。一種是傳輸線工作方式,一種是變壓器工作方式,如圖2-18所示。不同方式?jīng)Q定于信號(hào)對(duì)它的不同激勵(lì)。傳輸線工作方式的特點(diǎn)是,在傳輸線的任一點(diǎn)上,兩導(dǎo)線上流過(guò)的電流大小相等、方向相反。兩導(dǎo)線上電流所產(chǎn)生的磁通只存在于兩導(dǎo)線間,磁芯中沒(méi)有磁通和損耗。當(dāng)負(fù)載電阻RL與ZC相等而匹配時(shí),兩導(dǎo)線間的電壓沿線均勻分布(指振幅),這種方式傳輸特性的頻率很寬。

在變壓器方式中,信號(hào)源加在一個(gè)繞組兩端,在初級(jí)線圈中有勵(lì)磁電流,此電流在磁環(huán)中產(chǎn)生磁通。由于有磁芯,勵(lì)磁電感較大,在工作頻率上其感抗值遠(yuǎn)大于特性阻抗ZC和負(fù)載阻抗。此外,在兩線圈端(1、2-和3、4端)有同相的電壓。

圖2-18傳輸線變壓器的工作方式

在傳輸線的實(shí)際應(yīng)用中,通常兩種方式同時(shí)存在,可以利用這兩種方式完成不同的作用。正是因?yàn)橛辛藗鬏斁€方式,傳輸線變壓器才有更寬的頻率特性。

傳輸線變壓器的用法很多,但其基本形式是1∶1和1∶4阻抗變換器。用兩個(gè)或多個(gè)傳輸線變壓器進(jìn)行組合,還可以得到其它阻抗變換器。也有用三線并繞構(gòu)成傳輸線變壓器的。圖2-19傳輸線變壓器的應(yīng)用舉例

2.2.3石英晶體諧振器

1.物理特性

石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片制成。石英晶體是SiO2-的結(jié)晶體,在自然界中以六角錐體出現(xiàn)。它有三個(gè)對(duì)稱軸:Z軸(光軸)、X軸(電軸)、Y軸(機(jī)械軸)。各種晶片就是按與各軸不同角度切割而成的。圖2-20就是石英晶體形狀和各種切型的位置圖。在晶片的兩面制作金屬電極,并與底座的插腳相連,最后以金屬殼封裝或玻璃殼封裝(真空封裝),成為晶體諧振器,如圖2-21所示。圖2-20石英晶體的形狀及各種切型的位置圖2-21石英晶體諧振器

2.等效電路及阻抗特性

圖2-22-是石英晶體諧振器的等效電路。圖2-22(a)是考慮基頻及各次泛音的等效電路,由于各諧波頻率相隔較遠(yuǎn),互相影響很小,對(duì)于某一具體應(yīng)用(如工作于基頻或工作于泛音),只需考慮此頻率附近的電路特性,因此可以用圖2-22(b)來(lái)等效。圖中,C0是晶體作為電介質(zhì)的靜電容,其數(shù)值一般為幾個(gè)皮法至幾十皮法。Lq、Cq、rq

是對(duì)應(yīng)于機(jī)械共振經(jīng)壓電轉(zhuǎn)換而呈現(xiàn)的電參數(shù)。rq是機(jī)械摩擦和空氣阻尼引起的損耗。圖2-22-晶體諧振器的等效電路

由圖2-22(b)可看出,晶體諧振器是一串并聯(lián)的振蕩回路,其串聯(lián)諧振頻率fq和并聯(lián)諧振頻率f0

分別為圖2-23晶體諧振器的電抗曲線

晶體諧振器與一般振蕩回路比較,有幾個(gè)明顯的特點(diǎn):

(1)晶體的諧振頻率fq和f0非常穩(wěn)定。這是因?yàn)長(zhǎng)q、Cq、C0由晶體尺寸決定,由于晶體的物理特性,它們受外界因素(如溫度、震動(dòng)等)影響小。

(2)晶體諧振器有非常高的品質(zhì)因數(shù)。一般很容易得到數(shù)值上萬(wàn)的Q值,而普通的線圈和回路Q值只能到一二百。

(3)晶體諧振器的接入系數(shù)非常小,一般為10-3數(shù)量級(jí),甚至更小。

(4)晶體在工作頻率附近阻抗變化率大,有很高的并聯(lián)諧振阻抗。所有這些特點(diǎn)決定了晶體諧振器的頻率穩(wěn)定度比一般振蕩回路要高。

3.晶體諧振器的應(yīng)用

晶體諧振器主要應(yīng)用于晶體振蕩器中。振蕩器的振蕩頻率決定于其中振蕩回路的頻率。在許多應(yīng)用中,要求振蕩頻率很穩(wěn)定。將晶體諧振器用作振蕩器的振蕩回路,就可以得到穩(wěn)定的工作頻率。

晶體諧振器的另一種應(yīng)用是用它作成高頻窄帶濾波器。圖2-24(a)是一種差接橋式晶體帶通濾波器的電路。圖2-24(b)是濾波器的衰減特性。在圖2-24(a)中,負(fù)載電阻RL與信號(hào)源處于橋路的兩對(duì)角線上。對(duì)于這種電路,根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)理論,當(dāng)晶體阻抗Z1與Z2-異號(hào)時(shí),濾波器處于通帶;Z

1與Z2同號(hào)時(shí)處于阻帶。由圖2-23的晶體電抗特性可知,濾波器的通帶只是在fq和f0之間,其余范圍為阻帶。衰減最大處對(duì)應(yīng)于電橋完全平衡,即Z1=Z2。由于晶體和電路中都有損耗,負(fù)載也不可能與濾波器完全匹配,實(shí)際晶體濾波器的通帶衰減并不為零。圖2-24晶體濾波器的電路與衰減特性

晶體濾波器的特點(diǎn)是中心頻率很穩(wěn)定,帶寬很窄,阻帶內(nèi)有陡峭的衰減特性。晶體濾波器的通帶寬度只有千分之幾,在許多情況下限制了它的應(yīng)用。為了加寬濾波器的通帶寬度,就必須加寬石英晶體兩諧振頻率之間的寬度。這通?？梢杂猛饧与姼信c石英晶體串聯(lián)或并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)(這也是擴(kuò)大晶體振蕩器調(diào)頻頻偏的一種有效方法)。此外,若在圖2-24(a)電路中,Z2也用一晶體(即Z1、Z2-都用晶體),并使兩者的fq錯(cuò)開,使一晶體的f0與另一晶體的fq相等,可以將濾波器的通帶展寬一倍。

2.2.4集中濾波器

1.陶瓷濾波器

某些陶瓷材料(如常用的鋯鈦酸鉛Pb(ZrTi)O3)經(jīng)直流高壓電場(chǎng)給以極化后,可以得到類似于石英晶體中的壓電效應(yīng),這些陶瓷材料稱為壓電陶瓷材料。陶瓷諧振器的等效電路也和晶體諧振器相同,其品質(zhì)因數(shù)較晶體小得多(約為數(shù)百),但比LC濾波器的要高,串并聯(lián)頻率間隔也較大。因此,陶瓷濾波器的通帶較晶體濾波器要寬,但選擇性稍差。由于陶瓷材料在自然界中比較豐富,因此,陶瓷濾波器相對(duì)較為便宜

簡(jiǎn)單的陶瓷濾波器是由單片壓電陶瓷形成雙電極或三電極,它們相當(dāng)于單振蕩回路或耦合回路。性能較好的陶瓷濾波器通常是將多個(gè)陶瓷諧振器接入梯形網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)成的。它是一種多極點(diǎn)的帶通(或帶阻)濾波器。單片陶瓷濾波器通常用在放大器射極電路中,取代旁路電容。圖2-25是一種兩端口的陶瓷濾波器的原理電路,圖(a)、(b)分別為兩個(gè)和五個(gè)諧振子連接成的四端陶瓷諧振器。諧振子數(shù)目越多,濾波器性能越好。由于陶瓷諧振器的Q值通常比電感元件高,所以,濾波器的通帶內(nèi)衰減小而帶外衰減大,矩形系數(shù)也較小。這類濾波器通常都封裝成組件供應(yīng)。高頻陶瓷濾波器的工作頻率范圍約為幾兆赫茲至一百兆赫茲,相對(duì)帶寬為千分之幾至百分之十。圖中陶瓷濾波器的電路符號(hào)與晶體諧振器的相同。圖2-25陶瓷濾波器電路

2.聲表面波濾波器

近20年來(lái),一種稱為聲表面波(SurfaceAcousticWave縮寫為SAW)的器件得到了廣泛的應(yīng)用,它是沿表面?zhèn)鞑C(jī)械振動(dòng)波的彈性固體器件。所謂SAW,是在壓電固體材料表面產(chǎn)生并傳播彈性波,其振幅隨深入固體材料的深度而迅速減小。與沿固體介質(zhì)內(nèi)部傳播的體聲波(BAW)比較,SAW有兩個(gè)顯著特點(diǎn):一是能量密度高,其中約90%的能量集中于厚度等于一個(gè)波長(zhǎng)的表面薄層中;二是傳播速度慢,約為縱波速度的45%,是橫波速度的90%。

圖2-26(a)是聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。在某些具有壓電效應(yīng)材料(常用有石英晶體、鋯鈦酸鉛PZT陶瓷、鈮酸鋰LiNbO3等)的基片上,制作一些對(duì)(叉)指形電極作換能器,稱為叉指換能器(IDT)。當(dāng)對(duì)指形兩端加有高頻信號(hào)時(shí),通過(guò)壓電效應(yīng),在基片表面激起同頻率的聲表面波,并沿軸線方向傳播。除一端被吸收材料吸收外,另一端的換能器將它變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。

SAW濾波器的原理可以說(shuō)明如下:聲波在固體介質(zhì)中傳播的速度大約為光速的十萬(wàn)分之一,因此,同樣頻率的信號(hào)以聲波傳播時(shí),其波長(zhǎng)為自由空間電波長(zhǎng)的十萬(wàn)分之一。比如f=30MHz、λ0=10m的信號(hào),其聲波波長(zhǎng)僅約0.1mm。當(dāng)對(duì)指形電極的間距(圖上d)為聲波長(zhǎng)的二分之一時(shí),相鄰對(duì)指激起的聲波將在另一端同相相加,這是因?yàn)橄噜徶搁g的電場(chǎng)方向相反(相位差180°),而傳播延遲了半個(gè)波長(zhǎng),又會(huì)產(chǎn)生180°相移。在偏離中心頻率的另一頻率上,則由于傳播引起的相移差(指兩個(gè)對(duì)指產(chǎn)生的波),多個(gè)對(duì)指在輸出端的合成信號(hào)互相抵消,這樣就產(chǎn)生了頻率選擇作用。

這種濾波器屬于多抽頭延遲線構(gòu)成的濾波器,又稱橫向?yàn)V波器。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)自由度大,但當(dāng)要求通頻帶寬與中心頻率之比較小和通頻帶寬與衰減帶寬之比較大時(shí),則需要較多的電極條數(shù),難以實(shí)現(xiàn)小型化。同時(shí),由于SAW是雙向傳播的,在輸入/輸出IDT電極上分別產(chǎn)生1/2的損耗,對(duì)降低損耗是不利的。

在聲表面波濾波器中,如果不采用上述均勻?qū)χ笓Q能器,而采用指長(zhǎng)、寬度或者間隔變化的非均勻換能器,也就是對(duì)圖2-26(a)中的a、b進(jìn)行加權(quán),則可以得到幅頻特性更好(如更接近矩形),或者滿足特殊幅頻特性要求的濾波器,后者如電視接收機(jī)的中頻濾波器。從式(2-47)中的相位因子可以看出,聲表面波濾波器還具有線性的相位頻率特性,即各頻率分量的延時(shí)相同,這在某些要求信號(hào)波形失真小的場(chǎng)合(如傳輸電視信號(hào))是很有用的。圖2-26聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)和幅頻特性

聲表面波器件有如下主要特性:

(1)工作頻率范圍寬,可以從幾兆赫茲到幾千兆赫茲。對(duì)于SAW器件,當(dāng)壓電基材選定之后,其工作頻率則由IDT指條寬度決定,IDT指條愈窄,頻率則愈高。利用目前較普通的0.5μm級(jí)的半導(dǎo)體工藝,可以制作出約1500MHz的SAW濾波器;利用0.35μm級(jí)的光刻工藝,能制作出2GHz的器件,借助于0.18μm級(jí)的精細(xì)加工技術(shù),可以制作出3GHz的SAW器件。

(2)相對(duì)帶寬也比較寬,一般的橫向?yàn)V波器其帶寬可以從百分之幾到百分之幾十(大的可以到百分之四五十)。若采用梯型結(jié)構(gòu)的諧振式濾波器IDT或縱向型濾波器結(jié)構(gòu),其帶寬還可以更寬。

(3)便于器件微型化和片式化。SAW器件的IDT電極條寬通常是按照SAW波長(zhǎng)的1/4來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。對(duì)于工作在1GHz下的器件,若設(shè)SAW的傳播速度是4000m/s,波長(zhǎng)則僅為4μm(1/4波長(zhǎng)是1μm),在0.4mm的距離中能夠容納100條1SAW器件芯片可以做得非常小,便于實(shí)現(xiàn)微型化。為了實(shí)現(xiàn)片式化,其封裝μ形m式寬已的由電傳極統(tǒng)。故的圓形金屬殼封裝改為方形或長(zhǎng)方形扁平金屬或LCC表面貼裝款式,并且尺寸不斷縮小。

(4)帶內(nèi)插入衰減較大。這是SAW器件的最突出問(wèn)題,一般不低于15dB。但是通過(guò)開發(fā)高性能的壓電材料和改進(jìn)IDT設(shè)計(jì)(如單方向性的IDT或方向性變換器),可以使器件的插入損耗降低到4dB以下甚至更低(如1dB左右)。

(5)矩形系數(shù)可做到1.1~2。與其它濾波器比較,它的主要特點(diǎn)是:頻率特性好,性能穩(wěn)定,體積小,設(shè)計(jì)靈活,可靠性高,制造簡(jiǎn)單且重復(fù)性好,適合于大批生產(chǎn)。目前已廣泛用于通信接收機(jī)、電視接收機(jī)和其它無(wú)線電設(shè)備中,圖2-27就是一用于通信機(jī)的聲表面波濾波器的傳輸恃性,可見其特性幾乎接近矩形。其矩形系數(shù)(圖上-40dB與-3dB帶寬之比)可小到1.1。圖2-27一種用于通信機(jī)中的聲表面波濾波器特性

3.薄膜體聲(FBAR)濾波器

隨著通信頻率的提高,表面聲波濾波器中叉指換能器的間距受到制造工藝線寬的限制,在高頻上會(huì)遇到瓶頸,而低溫共燒陶瓷又無(wú)法與半導(dǎo)體制造工藝兼容,因此,Agilent公司于2000年開發(fā)出一項(xiàng)新型電聲諧振技術(shù)——薄膜體聲諧振器FBAR(FilmBulkAcousticResonator)。它具有聲波濾波器的優(yōu)點(diǎn),而且完全采用半導(dǎo)體制造工藝制作,且因其濾波的原理取決于薄膜厚度(并非線寬),所以更易達(dá)到高頻的應(yīng)用。

同時(shí),體聲波濾波組件具有插入損失低、體積小(Agilent公司做出的FBAR濾波器比SAW濾波器體積縮小了20%)、承受功率高、整合兼容性高等優(yōu)點(diǎn),因此,被廣泛用來(lái)做為現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中的主要頻率整形器件(如濾波器、雙工器和振蕩器或VCO中的諧振器)等

薄膜體聲波組件是利用壓電薄膜電磁能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的機(jī)制來(lái)達(dá)到諧振器功能的,薄膜的耦合系數(shù)、聲速、膜厚等參數(shù)決定著Q值、帶寬、中心頻率等參數(shù)。目前FBAR的結(jié)構(gòu)以SMR(SolidlyMountedResonator)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單,且與目前半導(dǎo)體制造工藝兼容性好,因此極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

FBAR分為四部分:

(1)“薄膜”。使用薄膜半導(dǎo)體工藝建立空氣中的金屬氮化鋁金屬夾層,從而構(gòu)成FBAR諧振器。

(2)諧振發(fā)生在材料的“體”內(nèi)。當(dāng)交變電勢(shì)作用在夾層上時(shí),整個(gè)氮化鋁層膨脹、收縮,產(chǎn)生振動(dòng)。

(3)由振動(dòng)膜(“聲”部分)產(chǎn)生高Q值的機(jī)械(聲)共振。

(4)把壓電耦合用于聲諧振的獲得,以形成電諧振器。

2.2.5高頻衰減器

普通的電阻器對(duì)電信號(hào)都有一定的衰減作用,利用電阻網(wǎng)絡(luò)可以制成衰減器(Attenu-ator)和具有一定衰減的匹配器組件。在高頻電路中,器件的終端阻抗和線路的匹配阻抗通常有50Ω和75Ω兩種。

利用高頻衰減器可以調(diào)整信號(hào)傳輸通路上的信號(hào)電平。高頻衰減器分為高頻固定衰減器和高頻可變(調(diào))衰減器兩種。除了微波衰減器可以用其它形式構(gòu)成外,高頻衰減器通常都用電阻性網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)電路或PIN二極管等實(shí)現(xiàn)。

構(gòu)成高頻固定衰減器的電阻性網(wǎng)絡(luò)的形式很多,如T型、Π型、O型、L型、U型、橋T型等,其中,選定的固定電阻的數(shù)值可由專門公式計(jì)算得到。由T型和Π型網(wǎng)絡(luò)(圖2-28)實(shí)現(xiàn)的固定衰減器的衰減量與固定電阻值見表2-1,表中列出了50Ω和75Ω兩種線路阻抗時(shí)的情況。圖2-28

將固定衰減器中的固定電阻換成可變電阻,或者用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)就可以構(gòu)成可變衰減器。也可以用PIN二極管電路來(lái)實(shí)現(xiàn)可變衰減。這種用外部電信號(hào)來(lái)控制衰減量大小的可變衰減器又稱為電調(diào)衰減器。電調(diào)衰減器被廣泛應(yīng)用在功率控制、自動(dòng)電平控制(ALC)或自動(dòng)增益控制電路中。

2.3阻抗變換與阻抗匹配

阻抗匹配實(shí)際上是復(fù)阻抗匹配(共軛匹配),包括電阻匹配和電抗匹配。通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)電感或電容可將復(fù)阻抗變?yōu)閷?shí)阻抗(電阻或電導(dǎo)),實(shí)阻抗之間的匹配可通過(guò)集中參數(shù)阻抗變換和分布參數(shù)阻抗變換方法實(shí)現(xiàn)。本書只討論集中參數(shù)的阻抗變換。集中參數(shù)阻抗變換有電抗元件組成的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)和變壓器或電阻網(wǎng)絡(luò)組成的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的要求主要是阻抗變換,同時(shí)希望無(wú)損耗或者損耗盡可能低,因此,阻抗變換網(wǎng)絡(luò)一般采用電抗元件實(shí)現(xiàn)。對(duì)于采用電抗元件實(shí)現(xiàn)的窄帶阻抗變換網(wǎng)絡(luò),在完成阻抗變換的同時(shí)還有一定的濾波能力。對(duì)電阻性網(wǎng)絡(luò)(有損耗)或變壓器組成的寬帶阻抗變換網(wǎng)絡(luò),需要在完成阻抗變換后另加濾波網(wǎng)絡(luò)。

2.3.1振蕩回路的阻抗變換

可以利用抽頭并聯(lián)振蕩回路或耦合振蕩回路實(shí)現(xiàn)阻抗變換,也可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的折合。用抽頭并聯(lián)振蕩回路實(shí)現(xiàn)阻抗變換實(shí)際上就是利用抽頭并聯(lián)振蕩回路的接入系數(shù)或電壓比來(lái)對(duì)阻抗進(jìn)行折合,變換的比例是接入系數(shù)的平方。對(duì)信號(hào)源的折合則與接入系數(shù)成比例。

利用抽頭并聯(lián)振蕩回路實(shí)現(xiàn)阻抗變換的具體方法在2.2.1節(jié)中已有描述,這里需要指出的是:

(1)這種阻抗變換電路不僅可以實(shí)現(xiàn)窄帶阻抗變換,而且可以減小信號(hào)源內(nèi)阻或負(fù)載對(duì)諧振回路的影響。

(2)若信號(hào)源內(nèi)阻或負(fù)載包含電抗(非純電阻)時(shí)此法仍然適用。

(3)若并聯(lián)支路不滿足Q?1時(shí),此法失效,可用精確的串-并聯(lián)阻抗變換公式計(jì)算。

2.3.2-LC網(wǎng)絡(luò)阻抗變換

LC網(wǎng)絡(luò)的形式很多,常見的有L(Γ)型、T型和Π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,有圖2-29串-并聯(lián)阻抗變換．

2.L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(zhǎng)－I型網(wǎng)絡(luò)(負(fù)載電阻RL與Xp并聯(lián))與L－Ⅱ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(hào)源的內(nèi)阻,Xs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。圖2-30L型匹配網(wǎng)絡(luò)

由此可見,L型網(wǎng)絡(luò)的元件值由Q值(不要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1)唯一確定,而Q又取決于匹配前后的負(fù)載電阻值,這樣,L型阻抗變換網(wǎng)絡(luò)就很難兼顧濾波功能了。L－Ⅰ型網(wǎng)絡(luò)適合于RL>Re的情況,而L－Ⅱ型網(wǎng)絡(luò)適合于RL<Re的情況。

對(duì)于整個(gè)L型網(wǎng)絡(luò),由于同時(shí)接有信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻,串臂和并臂兩條支路具有相同的Q值,因此,總的有載Q值變?yōu)镼/2,對(duì)應(yīng)的通頻帶為2f0/Q,諧振頻率f0為

需要指出,如果源阻抗和負(fù)載阻抗不為純電阻時(shí),可先將其電抗分量歸并到L網(wǎng)絡(luò)中,待到阻抗匹配完成后,再?gòu)腖網(wǎng)絡(luò)中扣除相應(yīng)的電抗即可。

圖2-31T型和Π型匹配網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于Π型網(wǎng)絡(luò)可以有以下計(jì)算公式:

式(2-54)和式(2-55)的使用條件是RL(1+Q2)>Re。如果使用其他計(jì)算公式,其使用條件需要變化。

2.3.3變壓器阻抗變換

高頻變壓器及其等效電路如圖2-15所示。高頻變壓器的阻抗變換可通過(guò)緊耦合的電感線圈部分接入回路的阻抗變換方法得到。對(duì)于理想變壓器,若初、次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為N1和N2,則接在次級(jí)線圈上的負(fù)載電阻RL,折合到初級(jí)回路后為

對(duì)于中心抽頭的變壓器,如圖2-16所示,也可用與上面相同的方法進(jìn)行阻抗變換。若接在次級(jí)線圈上的負(fù)載電阻為RL,則折合到初級(jí)回路的阻抗為R'L=(2N1/N2)2RL,平均分配在兩個(gè)初級(jí)線圈上,均為2(N1/N2)2RL。

傳輸線變壓器阻抗變換是寬帶的阻抗變換器,其基本形式是1∶1和1∶4阻抗變換器,如圖2-19中(a)和(c)所示。用兩個(gè)或多個(gè)傳輸線變壓器進(jìn)行組合,還可以得到其他阻抗變壓器。利用上述原理還可以構(gòu)成其他的阻抗變換器。

若將這些阻抗變換器中的輸入輸出端互換(信號(hào)源和負(fù)載互換),則可相應(yīng)得到4∶1、9∶1、…、(n+1)2∶1的阻抗變換器,例如,將2、3端相連,4端接地,就構(gòu)成了4∶1的阻抗變換器。

2.3.4電阻網(wǎng)絡(luò)阻抗變換

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(lái)。

在高頻電路中,器件的終端阻抗和線路的匹配阻抗通常有50Ω和75Ω兩種。因此,最常用的電阻匹配器是50/75Ω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(duì)于一般情況,通過(guò)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

根據(jù)兩端的匹配阻抗和匹配器的最小衰減量,可用下面公式分別計(jì)算匹配器中的電阻值。圖2-32-T型電阻網(wǎng)絡(luò)匹配器

2.4電子噪聲與接收靈敏度

2.4.1概述所謂干擾(或噪聲),就是除有用信號(hào)以外的一切不需要的信號(hào)及各種電磁騷動(dòng)的總稱。干擾(或噪聲)按其發(fā)生的地點(diǎn)分為由設(shè)備外部進(jìn)來(lái)的外部干擾和由設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)部干擾;按產(chǎn)生的根源來(lái)分有自然干擾和人為干擾;按電特性分有脈沖型、正弦型和起伏型干擾等。

干擾和噪聲是兩個(gè)同義的術(shù)語(yǔ),沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。習(xí)慣上,將外部來(lái)的稱為干擾,內(nèi)部產(chǎn)生的稱為噪聲。本節(jié)主要討論具有起伏性質(zhì)的內(nèi)部噪聲。外部也有一部分具有起伏性質(zhì)的干擾與內(nèi)部噪聲一并討論。即使內(nèi)部干擾,也有人為的(或故障性的)和固有的兩種。故障性的人為噪聲,原則上可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)和正確調(diào)整予以消除,而設(shè)備固有的內(nèi)部噪聲才是我們要討論的內(nèi)容。

信號(hào)通過(guò)電路后與輸入信號(hào)不完全相同的現(xiàn)象(產(chǎn)生了畸變)稱之為失真,失真分為線性失真和非線性失真兩類。信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)后,由于線性系統(tǒng)的幅頻特性或相頻特性(統(tǒng)稱為頻率特性)的不理想(對(duì)輸入信號(hào)中不同頻率成分的增益不同或延時(shí)不同)而產(chǎn)生的幅度失真或相位失真(統(tǒng)稱為頻率失真)稱為線性失真。線性失真的特點(diǎn)是不產(chǎn)生新的頻率分量。通常用補(bǔ)償或均衡的辦法來(lái)減小或消除線性失真。

高頻電子電路中的器件特性,總不可避免地存在著非線性,或者由于器件靜態(tài)工作點(diǎn)位置設(shè)置不合適,或者輸入信號(hào)過(guò)大,使得器件工作于特性曲線的非線性區(qū),信號(hào)通過(guò)電路后,輸出信號(hào)和輸入信號(hào)不再保持線性關(guān)系,輸出信號(hào)頻譜中產(chǎn)生了與輸入信號(hào)頻譜中頻率不同的新的頻譜分量,這樣的失真稱為非線性失真。在“低頻電子線路”課程中已學(xué)過(guò)的放大器的非線性失真有飽和失真、截止失真、交越失真和不對(duì)稱失真四種。在高頻電路中,非線性效應(yīng)主要表現(xiàn)在增益壓縮、諧波、阻塞(Blocking)、交叉調(diào)制和互相調(diào)制等方面。

對(duì)放大器來(lái)講,通常稱之為失真;對(duì)于混頻器來(lái)講,通常稱之為干擾。抑制非線性失真的措施有負(fù)反饋、選擇合適工作點(diǎn)和中頻頻率、減小輸入信號(hào)的電平或干擾的數(shù)量與電平、選擇非線性小的器件、采用平衡電路等。

應(yīng)該指出,干擾和噪聲問(wèn)題涉及的范圍很廣,理論和計(jì)算都很復(fù)雜,詳細(xì)分析已超出本書范圍,本節(jié)將主要介紹有關(guān)電子噪聲的一些基本概念和性能指標(biāo)。

2.4.2-電子噪聲的來(lái)源與特性

原理上說(shuō),任何電子線路中都有電子噪聲,但是因?yàn)橥ǔｋ娮釉肼暤膹?qiáng)度很弱,因此它的影響主要出現(xiàn)在有用信號(hào)比較弱的場(chǎng)合,比如,在接收機(jī)的前級(jí)電路(高放、混頻)中,或者多級(jí)高增益的音頻放大、視頻放大器中就要考慮電子噪聲對(duì)它們的影響。在設(shè)計(jì)某些設(shè)備或電子系統(tǒng)中,也要考慮電子噪聲對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)性能的影響

1.電阻熱噪聲

一個(gè)導(dǎo)體和電阻中有著大量的自由電子,由于溫度的原因,這些自由電子要作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng),要發(fā)生碰幢、復(fù)合和產(chǎn)生二次電子等現(xiàn)象,溫度越高,自由電子的運(yùn)動(dòng)越劇烈。就一個(gè)電子來(lái)看,電子的一次運(yùn)動(dòng)過(guò)程,就會(huì)在電阻兩端感應(yīng)出很小的電壓,大量的熱運(yùn)動(dòng)電子就會(huì)在電阻兩端產(chǎn)生起伏電壓(實(shí)際上是電勢(shì))。就一段時(shí)間看,電阻兩端出現(xiàn)正負(fù)電壓的概率相同,因而兩端的平均電壓為零。但就某一瞬間看,電阻兩端電勢(shì)en的大小和方向是隨機(jī)變化的。這種因熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的起伏電壓就稱為電阻的熱噪聲,圖2-33就是電阻熱噪聲的一段取樣波形。圖2-33電阻熱噪聲電壓波形

根據(jù)式(2-59)表示的噪聲電勢(shì),電阻的熱噪聲可以用圖2-34(a)的等效電路表示,即由一個(gè)噪聲電壓源和一個(gè)無(wú)噪聲的電阻串聯(lián)。根據(jù)戴維南定理,也可以化為圖2-34(b)的電流源電路,圖中G=1/R。圖2-34電阻熱噪聲等效電路

為了方便計(jì)算電路中的噪聲,也可以引入噪聲電壓譜密度或噪聲電流譜密度?？紤]到噪聲的隨機(jī)性,只有均方電壓、均方電流才有意義,因此,定義均方電壓譜密度和均方電流譜密度分別對(duì)應(yīng)于單位頻帶內(nèi)的噪聲電壓均方值和噪聲電流均方值,在圖2-34中,它們分別為

2)線性電路中的熱噪聲

(1)多個(gè)電阻的熱噪聲。

設(shè)有多個(gè)電阻,它們串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)連接,現(xiàn)要計(jì)算總的電阻熱噪聲與每個(gè)電阻熱噪聲的關(guān)系。這里以兩個(gè)電阻(R1、R2)串聯(lián)電路為例,求串聯(lián)后的電阻熱噪聲。我們有理由假設(shè),兩個(gè)電阻上的噪聲電勢(shì)en1、en2是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的,因而,從概率論觀點(diǎn)來(lái)說(shuō),也是互不相關(guān)的。

設(shè)串聯(lián)后的電勢(shì)瞬時(shí)值為

根據(jù)式(2-59),其均方值為

因en1