通信電子線路 課件 第1章 緒論

第1章緒論1.1電子線路分類1.2非線性電子線路在通信中的應用1.3無線電波的傳播1.4本課程的特點與學習要求

1.1

電子線路分類

電子線路是指含有晶體三極管、場效應管等有源電子器件并能實現(xiàn)某種特定電功能的電路。例如,振蕩器、放大器、濾波器等各種信號的產(chǎn)生、放大、變換和處理電路。

1.按照工作頻率分類

按照工作頻率分類,電子線路可分為低頻電子線路、高頻電子線路和微波電子線路。

高頻工作頻率的范圍一般為300kHz~300MHz,如廣播、電視、短波通信設備等無線電設備均屬于高頻電子線路。微波工作頻率一般高于300MHz,如移動通信設備、衛(wèi)星通信設備、微波中繼通信設備、雷達、導航設備等均屬于微波電子線路。

由于工作頻率不同,對有源器件的性能要求、電子線路的工藝結構都不盡相同。隨著工作頻率升高,對器件的上限頻率要求也提高,晶體管極間電容、電極的引線電感、載流子擴散漂移時間等因素的影響都會逐漸明顯起來,以至于變成必須考慮的主要因素。

電路的制造工藝由印刷電路板結構轉變成微型集成電路結構,電路各級間的隔離、屏蔽和電源的饋給等都隨之發(fā)生變化。

2.按照流通的信號形式分類

按照流通的信號形式分類,電子線路可分成模擬電子線路和數(shù)字電子線路。凡是完成模擬信號的產(chǎn)生、放大、變換、處理和傳輸?shù)碾娮泳€路統(tǒng)稱為模擬電子線路。模擬信號比較

直觀形象,但是電路的抗干擾能力差且不便于用計算機處理。凡是完成數(shù)字信號的產(chǎn)生、放大、變換、處理和傳輸?shù)碾娮泳€路統(tǒng)稱為數(shù)字電子線路。數(shù)字信號可以再生,其抗干擾能力強,并且便于用計算機處理。在電子信息各個領域中,要根據(jù)不同的用途和要求選取不同的電路。

3.按照線性和非線性分類

按照線性和非線性分類,電子線路可分為線性電子線路和非線性電子線路。線性電子線路由線性元件組成,具有疊加性和均勻性,適用疊加定理。非線性電子線路含有非線性

元件。非線性電子線路具有以下幾個特點:

(3)非線性器件的響應取決于工作點位置與輸入信號大小。圖1-1所示是晶體三極管非線性轉移特性。在圖1-1(a)中,靜態(tài)工作點Q位于放大區(qū),當輸入信號很小時,動態(tài)范圍位于線性段,可以近似為線性工作,輸出信號不失真,即所謂的甲類工作狀態(tài);當輸入信號為大信號時,輸入信號有部分進入截止區(qū),即進入非線性區(qū),為非線性工作,輸出信號失真,即所謂的甲乙類工作狀態(tài)。在圖1-1(b)中,靜態(tài)工作點Q位于截止區(qū),無論輸入信號有多大,都將進入非線性區(qū),輸出信號失真,即所謂的乙類工作狀態(tài)。

圖1-1

晶體三極管非線性轉移特性

(4)采用工程近似分析方法。非線性電路的數(shù)學描述是非線性方程,在求解非線性方程時頗為復雜和困難。在工程上一般采用近似分析方法,根據(jù)實際情況對器件的數(shù)學模型

和電路條件進行合理近似,以便使用簡單的分析方法獲得具有實用意義的結果。

1.2非線性電子線路在通信中的應用非線性電子線路廣泛地應用于無線通信領域,因此又稱之為通信電子線路。

1.2.1

無線通信的發(fā)展與應用無線通信是在逐漸發(fā)展的電路理論和電磁場理論的基礎上得以實現(xiàn)的。1831年,英國的法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應定律。1837年,英國的麥克斯韋提出了電磁場理論。1888年,德國的赫茲用實驗證明了電磁波的存在。以上這一切,都為發(fā)明無線通信奠定了重要的基礎。

無線通信技術的發(fā)展具有以下三個特征:

(1)無線通信所應用的振蕩頻率不斷升高,從長波、中波發(fā)展到短波、超短波,直至微波,隨之傳送的信號頻率范圍不斷加寬,從幾百赫茲、幾千赫茲到幾千兆赫茲。

2)無線通信技術所采用的電子元件和器件不斷更新,由電子管到晶體管,又發(fā)展到集成電路。電阻器、電容器、電感線圈以及各種接插件、開關、導線等各種新型元器件不斷

出現(xiàn)。

(3)近代無線通信承擔的任務遠遠超出了通信范圍,它與各學科的發(fā)展緊密地聯(lián)系在一起,成為各門學科發(fā)展的重要工具。

下面列出無線通信技術的一些主要應用場合:

(1)無線電報——利用無線電波傳遞電報信號。

(2)無線電話——利用無線電波傳送語音信號。

(3)無線電廣播——利用無線電波給千家萬戶送去語音、音樂和各種信息。

(4)無線電傳真——將照片、文字(文件)等隨著無線電波的傳播從一個地方傳送到另一個地方。

(5)無線電廣播電視——隨著無線電波的傳播給千家萬戶送去活動影像和信息。電視技術還在工業(yè)、醫(yī)療、教育、國防、公安等部門得到廣泛應用。

(6)無線電定位——利用無線電波的反射來測定天空中、水面上或陸地上各種目標的位置和運動情況,軍事上應用極廣,如航空雷達。

(7)無線電導航——利用無線電定位設備和其他電子設備,引導飛機在復雜氣象條件下飛行和著陸,或幫助艦船在大霧中航行和靠岸。

(8)無線電超聲波技術——利用超聲波(可以在水中傳播)測海深、探魚群和暗礁的位置,測繪海深地圖。超聲波可作為水中通信工具或操縱水中武器,在這方面已發(fā)展成為一

門與國防有關的科學——水聲學。

(9)無線電天文學——無線電技術和天文學結合而形成的學科。它通過分析天體所發(fā)射的電磁波來研究宇宙,用天文無線電望遠鏡來觀測天體。

(10)無線電氣象學——用無線電技術研究地球表面大氣中的復雜氣象過程,可準確預報臺風、暖流、寒流、雨、雪等氣象情況。

(11)無線電遙測、遙控技術——利用無線電技術遠距離測量各種物理量,控制各種機件的動作,可以使生產(chǎn)過程自動化。

(12)辦公室自動化、家用電器自動化——利用無線電技術控制辦公室設備和家用電器。

(13)電子計算機系統(tǒng)是近代無線電技術發(fā)展的一大成就。

上述各種無線通信技術的應用,都伴隨著各種性質的消息的傳送。而無線通信技術在工業(yè)上的其他許多應用,卻并不傳送什么消息,如高頻加熱、高頻焊接、微波爐等。

1.2.2非線性電子線路應用舉例:無線電廣播系統(tǒng)

1.無線電廣播發(fā)送設備的工作原理

一個典型的無線電廣播發(fā)送設備(或無線電廣播發(fā)射機)的組成框圖及各點波形如圖1-2所示。

圖1-2無線電廣播發(fā)送設備的組成框圖

2.無線電廣播接收設備的工作原理

1)最簡單的接收機——直接檢波式接收機

最簡單的直接檢波式接收機的組成框圖及各點波形如圖1-3所示。圖1-3直接檢波式接收機的組成框圖及各點波形

2)高放式接收機

一般把帶有高頻放大器的接收機稱為高放式接收機。另外,為了能推動功率大一點的揚聲器放聲,還需在檢波器后面加音頻放大器。高放式接收機的組成框圖及各點波形如圖1-4所示。圖1-4高放式接收機的組成框圖及各點波形

3)超外差式接收機

超外差式接收機的組成框圖及各點波形如圖1-5所示。圖1-5超外差式接收機的組成框圖及各點波形

由于中頻頻率固定不變,選臺時中頻放大器的調(diào)諧回路就不需要再調(diào)整,中頻放大器的選擇性、通頻帶質量可以得到保證;而且中頻頻率相對較低,中頻放大電路增益可以做得較高,能提高整機增益和靈敏度。這些都是超外差式接收機的優(yōu)點。

1.3無線電波的傳播

1.3.1-無線電波波段的劃分電磁波的范圍很廣,它包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、宇宙射線等等。無線電波是波長比較長的一種電磁波,它所占有的頻率范圍很廣,約為10kHz~10000Ghz(104~1013Hz),波長范圍為30000m~0.3mm。無線電波各波段的名稱、波長與頻率范圍、相應的頻段名稱以及主要用途如表1-1所示。

1.3.2無線電波各波段的傳播特點

1.無線電波的基本傳遞方式

無線電波和光波一樣,具有直射、繞射、反射和折射等現(xiàn)象。按照由發(fā)射天線到接收天線的傳播途徑不同分類,無線電波傳播包括表面波(地面波)、天波和空間波三種方式。

1)表面波

表面波主要依靠繞射方式傳播,即電波沿著彎曲的地球表面行進到接收點,如圖1-6所示。圖1-6表面波傳播方式

2)天波

天波是依靠電離層的反射和折射到達接收點的,如圖

1-7所示。圖1-7天波傳播方式

3)空間波

空間波是在空間傳播的,主要包括直射波和反射波,如圖1-8所示?？臻g波一般適用于微波的傳播。圖1-8空間波傳播方式

2.各波段傳播特點

(1)長波波段用地面波方式傳播有利,因損耗小,可遠距離傳輸。

(2)中波波段的傳播特點與長波相似,可用地面波方式和天波方式傳播。

(3)短波波段的特點是地面的吸收比較嚴重,用地面波傳播很不利,傳播距離不超過幾十千米。

短波傳播還有兩個突出的特點:

①短波天波傳播受電離層的影響很大,而電離層的物理特性經(jīng)常變化,所以短波傳播很不穩(wěn)定。通常在兩點之間進行短波通信時,接收信號往往會突然減弱,有時甚至無法收到,這種現(xiàn)象稱為衰弱,它是短波通信的一個嚴重問題,為了保持良好的通信質量,必須根據(jù)電離層的變化規(guī)律,經(jīng)常更換工作頻率。

②在離開短波發(fā)射電臺一定距離的范圍內(nèi),有一段信號無法到達的中間地帶,這個區(qū)域稱為寂靜區(qū),如圖1-9所示。出現(xiàn)寂靜區(qū)的原因是,地面波傳播的傳輸距離不遠,而天波傳播的傳輸距離又較遠,兩者之間會出現(xiàn)一段天波和地面波都傳播不到的中間地帶。圖1-9短波通信中的寂靜區(qū)

(4)超短波和微波由于頻率太高,地面損耗大增,繞射能力不強,不能用地面波方式傳播。同時超短波和微波在電離層中反射得很小,大部分電波穿透電離層后一去不復返,故也不能用天波方式傳播。所以超短波和微波通常是靠直線傳播,即主要用空間波的傳播方式,作用距離大致限制在幾十千米的視距范圍之內(nèi)。

1.4本課程的特點與學習要求

1.本課程的內(nèi)容——三大類電路(1)高頻放大電路——在輸入信號作用下,可將直流電源提供的能量轉換為按輸入信號規(guī)律變化的被放大的輸出信號。例如,小信號諧振放大器、諧振功率放大器。

(2)高頻振蕩電路——在不