第2章高频基础电路

高频电子线路第2章高频基础电路本章教学基本要求1.了解选频回路（滤波器）的种类及其在电路中的作用；掌握LC串、并联回路的组成、原理和特性。2.掌握几种常用的无源阻抗变换电路的结构、工作原理和分析设计方法。3.掌握LC阻抗匹配网络的类型、原理及计算方法。高频电子线路本章教学内容2.1无源集总元件的电路模型及频率特性2.2LC串并联谐振回路2.3阻抗变换电路2.4信号的功率传输与匹配网络2.5滤波器高频电子线路2.1无源集总元件的电路模型及频率特性各种高频电路基本上是由有源器件、无源元件和无源网络组成的。•无源器件（PassiveComponent）：通常是指一些不可能提供能量增长的元器件，包括：电阻器、电容器、电感器、传输线以及二极管等•有源器件（ActiveComponent）：通常是指一些有可能提供或者具备能量增长的元器件，包括：半导体二极管、半导体晶体管，真空电子管等高频电子线路2.1无源集总元件的电路模型及频率特性无源电路与有源电路的简单定义：•无源电路（Passivecircuit）：常由若干无源器件所构成，无法提供能量增长，主要用于阻抗匹配或变换、抵消寄生元件的影响（扩展带宽）、提高频率选择性（谐振、滤波和调谐）以及移相网络、负载等，电路形式包括：混频器、滤波器、检波器、开关、限幅器。•有源电路（Activecircuit）：常由半导体器件或其它电子真空元器件所构成，可提供能量增长，主要用于信号的放大、振荡、谐振和滤波等，电路形式包括：放大器、振荡器、变频器、有源滤波器以及收发装置。高频电子线路无源器件在射频电路中应用的特点：任何无源器件（包括：金属导线、电阻器、电容器和电感器）都不再是单纯的元件电路的结构尺寸决定了和限制了工作频率寄生参数的存在而难以实现或丧失了纯电路元件（R、L、C）性能趋肤效应和辐射效应严重影响着电路性能因为元器件实现方式都与传输线理论有关2.1无源集总元件的电路模型及频率特性高频电子线路电阻器是电子线路中最常用的无源元件之一。在电子电路中，一个或多个电阻可构成降压或分压电路用于有源器件的直流偏置，也可作为直流或电子电路的负载电阻完成某些特定功能。电阻的主要类型：高密度碳介质合成的碳膜电阻；鎳或其它材料的线绕电阻；温度穏定材料的金属膜电阻；铝或铍基材料薄膜片的表面贴装（SMD）电阻。2.1.1电阻器的电路模型及频率特性高频电子线路2.1.1电阻器的电路模型及频率特性R为电阻;Ca为电阻引脚极板间等效电容;Cb为引线间的电容;L为电阻引线电感。500Ω金属膜电阻自谐振频率点显然，分布电容和引线电感越小，则电阻的高频特性越好。在实际应用时，要选用分布电容和引线电感尽可能小的即高频特性好的电阻，即需要根据电路工作频率的高低选用不同类型的电阻。高频电子线路电阻的高频特性与制作电阻的材料、电阻的封装形式和尺寸大小有密切关系。一般来说，金属膜电阻比碳膜电阻的高频特性要好；碳膜电阻比线绕电阻的高频特性要好；表面贴装（SMD）电阻比上述引线电阻的高频特性要好；小尺寸电阻比大尺寸电阻的高频特性要好。当工作频率为高频时，可选用金属膜电阻和表面贴装（SMD）电阻。表面贴装（SMD）电阻，尺寸小且无引线，其高频特性好，多用于射频频段。2.1.1电阻器的电路模型及频率特性高频电子线路2.1.2电容器的电路模型及频率特性C为理想电容、L为引线和极板间等效电感,RS为引线的导体损耗电阻,Ge为介质损耗电导。由于制造工艺的提高与介质材料的优化，多数电容器在工作频率较低的频段，引线和极板间等效电感、引线的导体损耗电阻和介质损耗电导的影响可以忽略，可认为是一个理想电容。47pF电容的阻抗频率特性自谐振频率点高频电子线路工作频率低于几百MHz时，电容器可近似为理想电容。隨着频率的增大，等效的引线与介质损耗电阻不能忽略，引线与极板等效电感的影响也不能忽略，电容的阻抗的绝对值减小，但仍显容抗值。即工作频率小于自谐振频率时，可作为电容应用；当工作频率等于自谐振频率时，电容等效为串联谐振，阻抗最小；当工作频率大于自谐振频率后，等效电感影响加大，阻抗值增大为电感应用区，电容等效为电感。不同介质材料的电容器的阻抗频率特性不同，不同电容值的电容器自谐振频率不相同。高频电子线路工作频率在几百kHz～几百MHz的频率段宜选用高频陶瓷电容、云母电容和金属化聚丙烯电容，用表面贴装式或插装式都能满足损耗很小，可认为是理想电容。工作频率进入射频频段宜选用片式多层陶瓷电容器、片式塑封交流瓷介电容器和片式有机薄膜电容器。但电容器的电容值不一定是理想值。射频电路中经常需要旁路、电源去耦滤波和射频接地等辅助电路，通常可以利用电容器具有自谐振频率的特点来实现。高频电子线路2.1.3电感器的电路模型及频率特性L为理想电感,Cs为电感线间的分布电容,Rs为电感本身的损耗电阻。自谐振频率，由L与Cs并联确定。在工作频率低于自谐振频率之前，由于集肤效应，损耗电阻随频率增加而显著增大，使等效阻抗升高很快。可见在工作频率低于自谐振频率的范围为电感应用区。相反，当工作频率高于自谐振频率时，分布电容Cs影响显著，显示电容特性。电感的阻抗频率特性自谐振频率点高频电子线路电感器的成品类型较多，可以满足从低频到高频以及射频的不同需求。在一般情况下，骨架为铁氧体的片式电感器仅限于在中、低频段工作，而骨架材料是铝、陶瓷或空心的片式电感器则可以在高频(HF)段、甚高频(VHF)段或超高频(UHF)段工作。适用于HF和VHF段的电感器电感量一般为0.1～1000μH,适用于UHF段的电感器电感量一般为1.5～100nH。对于工作频率在几百kHz～几百MHz范围內的高频电子线路来说,电感器的选取或自制都应该使电感器的自谐振频率尽可能高,即分布电容很小,且品质因数要高。在这样的条件下，电感器可忽略分布电容的影响，等效为电感与自损耗电阻串联。高频电子线路引言选频的基本概念所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要的频率分量。选频网络的分类单振荡回路耦合振荡回路振荡回路（由L、C组成）各种滤波器LC集中滤波器石英晶体滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器2.2LC串并联谐振回路高频电子线路2.2LC串并联谐振回路2.2.1电感、电容元件的高频等效1.电感的高频等效(在几百kHz～几百MHz)等效为理想电感与损耗电阻串联,如图(b)。2.电容的高频等效(在几百kHz～几百MHz)等效为理想电容。10Q并联形式000/QLr000/1LQg高频电子线路2.2.2串联谐振回路1.无负载电阻的串联谐振回路回路的阻抗；回路电阻谐振频率回路品质因数为空载品质因数0rrCLrZ1j001LC0000LLQQrr高频电子线路2.有负载电阻的串联谐振回路1)回路的阻抗回路电阻2)谐振频率3)回路品质因数L0rrrCLrrZ1jL001LC)(1L00L000LrrCrrLrLQ高频电子线路流过电路的电流谐振时，流过电路电流最大称为谐振电流。在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为相对电流：00L0j11)j()j(QIICLrUZUI1j)j(rUI/)j(004)串联谐振回路的阻抗特性高频电子线路00L0j11)j()j(QII2002L011)()(QII00Larctan)(Q相对幅频特性相对相频特性其模为：高频电子线路00Larctan)(Q相对相频特性当输入信号频率ω=ω0时，回路的阻抗最小，等于纯阻r，φ=0，回路电流滞与激励电压同相位；当ωω0时,复阻抗增大，且为感抗，φ0，随ω增大趋于-π/2,回路电流滞后激励电压相位为φ；当ωω0时,复阻抗增大，且为容抗，φ0，随ω减小趋于π/2,回路电流超前激励电压相位为φ。高频电子线路串联谐振的相对幅频特性与相频特性阻抗特性等效纯电阻等效感抗等效容抗L2L1QQ000相对幅频特性L2L1QQ相对相频特性高频电子线路2.2.3并联谐振回路1.无负载电阻的并联谐振回路并联回路的导纳)(j)(jj100BGCLrY2220)(LrLCB222000)(LrrG高频电子线路并联谐振回路谐振频率其中,为回路无阻尼振荡频率为回路的空载品质因数当时,；较低时,。满足条件时谐振电阻10Q0Q10Q20020P111QLrLC()0B01LC000QLr0P0P02002002202000P)1(1rQrQrLrGRR高频电子线路2.有负载电阻的并联谐振回路在的条件下,而回路电阻为和并联并联回路的导納为10QCrLrQR00200/0RLRLCgLCRY1j1j100Lj1QgL0L0111ggRRRgLC10P10Q)/(L0L0RRRRR高频电子线路有载品质因数并联谐振回路的阻抗的模及相角gCLgLRQ000L12002L11)(QRYZ00Larctan)(Q高频电子线路时回路谐振，为纯电阻，其阻值最大为；时，回路呈容抗特性；时，回路呈感抗特性。0R0000Larctan)(Q相对幅频特性相对相频特性2002L0oo11)()(QUU00Larctan)(Q高频电子线路LrCCIC.IR.R0IL.L0B11/2Q1＞Q2Q1Q20－/2/2感性Q2Q1Q1＞Q2容性Z(a)(b)(c)(d)＋－U.0|zp|/R0I.RLC串联谐振回路及其特性并联谐振回路及其等效电路、阻抗特性和辐角特性高频电子线路RLC串联谐振回路及其特性串联回路并联回路阻抗或导纳谐振频率品质因数Q阻抗ωω0容抗感抗ωω0感抗容抗CLrZ1j001LC01LCCLrYjj10RCQ0高频电子线路习题1、LC选频网络的作用是。（答案：从输入信号中选出有用频率的信号抑制干扰的频率的信号）2、LC选频网络的电路形式是。（答案：串联回路和并联回路）3、LC串联谐振电路Q值下降，单位谐振曲线，回路选择性。（答案：平坦；差）4、LC串联谐振回路Q值下降，频带，选择性。（答案：增宽；变差）高频电子线路习题5、LC并联谐振回路谐振时，阻抗为。（答案：最大且为纯电阻）6、LC并联谐振回路，当f=f0即谐振时回路阻抗最且为，失谐时阻抗变，当ff0时呈，ff0是呈。（答案：大；纯电阻；小；感性；容性）7、并联谐振回路谐振时，电纳为，回路总导纳为。(答案：零；最小值)8、LC串联回路谐振时阻抗阻抗最，且为纯电阻，失谐时阻抗变，当ff0呈，当ff0呈。(答案：小；大；容性；感性)高频电子线路习题P472-12-22-3高频电子线路在RF电路中，常常遇到不同传输线间的连接、不同元器件间的连接和天线与馈线间的连接等问题。如果是直接连接，必然是会产生反射，产生驻波，影响了功率传输，严重时会引起馈线的绝缘层及发射机末级功放管的损坏。因此，需要在连接点间插入匹配网络，以达到阻抗匹配，保证功率无反射地传输。2.3阻抗变换电路高频电子线路2.3阻抗变换电路另外，为了使信号源输出功率大，也希望外电路的输入阻抗与源阻抗实现共轭匹配，因此，在外电路与信号源之间通常也需要匹配网络。高频电子线路以收音机的末级功放输出电路为例。图中左边框内是功放输