高频电子线路

高频电子线路主编曾兴文高等学校电子信息类规划教材西安电子科技大学出版社第1章绪论第2章高频电路基础第3章高频谐振放大器第4章正弦波振荡器第5章频谱的线性搬移电路第6章振幅调制、解调及混频第7章频率调制与解调第8章反馈控制电路第9章高频电路的集成化与EDA第1章绪论1.1无线通信系统概述1.2信号、频谱与调制1.3本课程的特点思考题与习题引言：高频电子线路主要应用于各种电子系统和电子设备中。通信系统，特别是无线通信系统广泛应用于各个领域。无线通信系统的一个最重要的特点就是利用高频无线电信号来传递消息。1.1无线通信系统概述高频电路是通信系统,特别是无线通信系统的基础,是无线通信设备的重要组成部分。1.1.1无线通信系统的组成无线通信(或称无线电通信)的类型---可以根据传输方法、频率范围、用途等分类。不同的无线通信系统，其设备组成和复杂度虽然有较大差异，但它们的基本组成不变。WirelessCommunicationSystems图1-1无线通信系统的基本组成接收设备（收信机）receiver收发共用终端设备信宿sink信源informationsource典型的无线通信系统基本组成方框图信道channel---自由空间调制modulating解调demodulating发送设备（发信机）communicatoorTerminalEquipmentIntermediateFrequency发送设备（发信机）收发共用终端设备信源图中虚线以上部分为发送设备(发信机)，虚线以下部分为接收设备(收信机)，天线及天线开关为收发共用设备。信道为自由空间。话筒和扬声器属于通信的终端设备，分别为信源和信宿。上下两个音频放大器分别是为放大话筒输出信号和推动扬声器工作而设置的，属低频部件，本书不讨论。音频放大器输出的信号控制高频载波振荡器的某个(些)参数，从而实现调制；发送设备（发信机）收发共用终端设备信源发送设备主要完成调制、上变频、功率放大和滤波等功能。已调制信号的频率若不够高，可根据需要进行倍频或上混(变)频；若幅度不够，可根据需要进行若干级(通常有预放、激励和输出三级)放大，经天线辐射出去。根据调制和上变频是否合二为一，发送设备结构分为两种方式：直接变换结构和两次变换结构两种方式，在每种方式中也都可以采用单通道调制和双通道正交调制方式。发送设备中一般存在两种变换：第一种变换是将信源产生的原始信息变换成电信号，而这一信号的频谱通常靠近零频附近，属于低频信号，称为基带(Baseband)信号（也称为调制信号(ModulatingSignal)）；第二种变换称为调制(Modulating)，是将基带信号变换成适合在信道中传输的信号形式(一般为射频或高频的带通信号)。调制后的信号称为已调信号(ModulatedSignal)，相应的没有进行调制之前的基带信号也可称为调制信号(ModulatingSignal)。调制时还需要一个高频振荡信号——称为载波(Carrier)，它可由高频振荡器(Oscillator)或频率合成器(FrequencySynthesizer)产生。载波通常为单一频率的正弦信号或脉冲信号。接收设备（收信机）收发共用终端设备信宿接收设备的任务：主要是有选择地放大空中微弱电磁信号(同时要尽可能保证信息的质量)，并恢复有用信息。接收设备的结构：通常采用超外差(SuperHeterodyne)形式，图1-1中的接收机即为一次变频超外差结构。(SuperHeterodyne)接收设备（收信机）收发共用终端设备信宿解调器——针对上面发射端的调制而进行的检波(调制的逆过程)。超外差的形式---在通过高频选频放大(初步的选择放大并抑制其它无用信号)后进行下混(变)频，取出中频后再进行中频放大(主选择放大，具有较大的放大增益和较强的滤波能力)和其它处理，然后进行解调。超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频放大器来完成对接收信号的选择和放大。当信号频率改变时，只要相应地改变本地振荡信号频率即可（高频和本振联调）.(SuperHeterodyne)接收设备（收信机）收发共用终端设备信宿解调器——针对上面发射端的调制而进行的检波(调制的逆过程)。接收机一般都采用超外差的形式，在通过高频选频放大(初步的选择放大并抑制其它无用信号)后进行下混(变)频，取出中频后再进行中频放大(主选择放大，具有较大的放大增益和较强的滤波能力)和其它处理，然后进行解调。超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频放大器来完成对接收信号的选择和放大。当信号频率改变时，只要相应地改变本地振荡信号频率即可（高频和本振联调）.(SuperHeterodyne)接收设备中有相应的两种反变换。1、解调(Demodulating)---应用解调器(Demodulator)将接收到的已调信号变换(恢复)为基带信号的过程。解调时一般也需要一个本地的高频振荡信号，称为恢复载波(或插入载波)。有时将调制器和解调器合称为调制解调器(Modem)。2、把解调后的电信号还原成原始信息。接收设备（收信机）收发共用终端设备信宿图1-2镜像抑制接收机结构(a)Hartley(b)Weaver结构随着设备小型化和系统化，接收设备的结构出现了许多新的形式，如图1-2和图1-3分别为镜频抑制式和直接变换式(DirectConversion)或零中频(ZeroIF)式接收机结构。不同的接收设备结构有不同的特点。imagefrequencyrejectionIntermediateFrequency图1-3零中频接收机结构零中频接收技术，即RF信号不需要变换到中频，而是一次直接变换到模拟基带I/Q信号，然后再解调。由上面的例子可以总结出无线通信系统的基本组成，从中也可看出高频电路的基本内容应该包括:(1)高频振荡器(信号源、载波信号或本地振荡信号)；(2)放大器(高频小信号放大器及高频功率放大器)；(3)混频或变频(高频信号变换或处理)；(4)调制与解调(高频信号变换或处理)。无线通信系统中通常需要某些反馈控制电路——自动增益控制(AGC)或自动电平控制(ALC)电路，自动频率控制(AFC)电路自动相位控制(APC)电路(也称锁相环PLL)。此外，还要考虑高频电路中所用的元件、器件和组件，以及信道或接收机中的干扰与噪声问题。需要说明的是，虽然许多通信设备可以用集成电路(IC)来实现，但是上述的单元电路通常都是由有源的和无源的元器件构成的，既有线性电路，也有非线性电路。这些基本单元电路的组成、原理及有关技术问题，就是本书的研究对象。1.1.2无线通信系统的类型按照无线通信系统中关键部分的不同特性，有以下一些类型:(1)按照工作频段或传输手段分类——中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。所谓工作频率，主要指发射与接收的射频(RF)频率。射频实际上就是“高频”的广义语，它是指适合无线电发射和传播的频率。无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。(2)按照通信方式来分类——主要有(全)双工、半双工和单工方式。单工通信——只能发或只能收的方式；半双工通信——可以发也可以收但不能同时收发的通信方式；双工通信——可以同时收发的通信方式。图1-1的例子是半双工方式，将天线开关换成双工器就成了双工方式。(3)按照调制方式的不同来划分——有调幅、调频、调相以及混合调制等。(4)按照传送的消息的类型分类——有模拟通信和数字通信，也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。各种不同类型的通信系统，其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同。但是组成设备的基本电路及其原理都是相同的，遵从同样的规律。本书将以模拟通信为重点来研究这些基本电路，认识其规律。这些电路和规律完全可以推广应用到其它类型的通信系统。高频电路中要处理的无线电信号主要有三种:基带(消息)信号（未调制前的低频信号）、高频载波信号和已调信号——有多方面的特性——主要有时间(域)特性、频率特性、频谱特性、调制特性、传播特性等。1.时间特性一个无线电信号，可以将它表示为电压或电流的时间函数，通常用时域波形或数学表达式来描述。对于较简单的信号(如正弦波、周期性方波等)，用这种方法表示很方便。无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。→要求传输该信号的电路的时间特性(如时间常数)与之相适应。1.2信号、频谱与调制Signal、frequency、spectrum、Modulating2.频谱特性对于较复杂的信号(如话音信号、图像信号等)，用频谱分析法表示较为方便。这是因为任何形式的信号都可以分解为许多不同频率、不同幅度的正弦信号之和，如图1-4所示。图中实线为一重复频率为F的方波脉冲信号。谐波次数越高，幅度越小，影响就越小。直流分量基波分量直流分量、基波分量和三次谐波分量之和图1-4信号分解对于周期性信号→表示为许多离散的频率分量(各分量间成谐频关系)，例如图1-5即为图1-4所示信号的频谱图；对于非周期性信号→用傅里叶变换的方法分解为连续谱，信号为连续谱的积分。频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分，它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。图1-5频谱图任何信号都会占据一定的带宽。从频谱特性上看，带宽就是信号能量主要部分(一般为90%以上)所占据的频率范围或频带宽度。不同的信号，其带宽不同，比如，话音的频率范围大致为100Hz～6kHz，其主要能量集中在300Hz～3.4kHz。射频频率越高，可利用的频带宽度就越宽，不仅可以容纳许多互不干扰的信道，从而实现频分复用或频分多址，而且也可以传播某些宽频带的消息信号(如图像信号)，这是无线通信采用高频的原因之一。3.频率特性——无线电信号的频率或波长任何信号都具有一定的频率或波长。电磁波辐射的波谱很宽，如图1-6所示。图1-6电磁波波谱无线电波是一种波长比较长（频率相对较低的电磁波）的电磁波，占据的频率范围很广。在自由空间中，波长与频率存在以下关系:c=fλ(1-1)c为光速，f和λ分别为无线电波的频率和波长，对频率或波长进行分段，分别称为频段或波段。表1-1列出了无线电波的频(波)段划分、主要传播方式和用途等。不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同,传播的能力和方式也不同,因而它们的分析方法和应用范围也不同。应当指出，不同频段的信号具有不同的分析与实现方法——对于米波以上(含米波，λ≥1m)的信号通常用集总(中)参数的方法来分析与实现，对于米波以下(λ1m)的信号一般应用分布参数的方法来分析与实现，当然，这也是相对的。4.传播特性传播特性——指无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等。无线通信的传输媒质主要是自由空间。频率或波长不同，电磁波在自由空间的传播方式也不同。无线电信号的传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。电磁波从发射天线辐射出去后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其中极小的一部分，而且在传播过程中，电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射，或者在大气层中产生折射或散射等现象，从而造成到达接收机时的强度大大衰减。根据无线电波在传播过程所发生的现象，电波的传播方式主要有直射(视距)传播、绕射(地波)传播、折射和反射(天波)传播及散射传播等，。图1-7无线电波的主要传播方式(a)直射传播；(b)地面绕射传播；(c)电离层反射传播；(d)对流层散射传播决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。通常是波长越长(或频率越低)，被吸收的能量越少，损耗就越小，因此，中、低频(或中、长波)信号可以以地波的方式绕射传播很远，并且比较稳定，多用作远距离通信与导航。绕射依赖于电波的波长、物体的体积与形状、绕射点入射波的振幅、相位和极化情况等，当电波的波长大于物体的体积时容易发生绕射。电离层——大气层中离地面60～600km的区域电离层对射向它的无线电波会产生反射与折射作用短波波段的无线电波沿地面传播的距离很近，远距离传播主要靠电离层。频率越高的信号，电离层吸收能力越弱，或者说电波的穿透能力越强。电离层的状态随着时间(年、季、月、天、小时甚至更小单位)而变化，因