第一章 高频电路基础

第一章高频电路基础1.1高频电路中的元器件1.2高频振荡回路1.3高频变压器和传输线变压器1.4各种滤波组件1.基本内容高频电路基本上是由无源元件、有源器件和无源网络组成的。高频电路中使用的元器件与低频电路中使用的元器件频率特性是不同的。高频电路中无源线性元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器)。掌握本章内容是非常重要的。2.基本要求(1)充分了解高频电路基本元件。(2)掌握电阻(器)、电容(器)和电感(器)的物理特性,等效电路和电阻(器)、电容(器)和电感(器)。电阻(器)、电容(器)和电感(器)与基本计算方法。第一节高频电路中的元器件一、高频电路中的元件（一）电阻一个实际的电阻器,在低频时主要表现为电阻特性,但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面,而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是其高频特性。三菱唯雅诺一个电阻R的高频等效电路如图1—1所示,其中,CR为分布电容,LR为引线电感,R为电阻。图1—1电阻的高频等效电路（二）电容由介质隔开的两导体构成电容。一个理想电容器的容抗为1/(jωC),电容器的容抗与频率的关系如图1—2（b）虚线所示,其中f为工作频率,ω=2πf。一个实际电容C的高频等效电路如图1—2(a)所示,其中Rc为损耗电阻，Lc为引线电感。容抗与频率的关系如图1—2（b）实线所示,其中f为工作频率,ω=2πf。图1—2电容器的高频等效电路(a)电容器的等效电路;（b）电容器的阻抗特性（三）电感理想高频电感器L的感抗为jωL,其中ω为工作角频率。实际高频电感器存在分布电容和损耗电阻，自身谐振频率SRF。在SRF上,高频电感阻抗的幅值最大，而相角为零,特性如图1—3所示。图1—3高频电感器的自身谐振频率SRF二、高频电路中的有源器件（一）二极管半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中。（二）晶体管与场效应管（FET）在高频中应用的晶体管仍然是双极型晶体管和各种场效应管，在外形结构方面有所不同。高频晶体管有两大类型:一类是作小信号放大的高频小功率管,对它们的主要要求是高增益和低噪声;另一类为高频功率管,其在高频工作时允许有较大管耗，且输出功率较大。（三）集成电路用于高频的集成电路的类型和品种主要分为通用型和专用型两种。第二节高频振荡（谐振）回路高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡（谐振）回路、高频变压器、谐振器与滤波器等,它们完成信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能。高频振荡回路是高频电路中应用最广的无源网络,也是构成高频放大器、振荡器以及各种滤波器的主要部件,在电路中完成阻抗变换、信号选择等任务,并可直接作为负载使用。振荡回路是由电感和电容组成。只有一个回路的振荡回路称为简单振荡回路或单振荡回路，分为串联谐振回路或并联谐振回路。一、串联谐振回路图1—4串联震荡回路及其特性若在串联振荡回路两端加一恒压信号,则发生串联谐振时因阻抗最小,流过电路的电流最大,称为谐振电流,其值为在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为其模为其中，称为回路的品质因数,它是振荡回路的另一个重要参数。根据式（1—6）画出相应的曲线如图1—5所示,称为谐振曲线。图1—5串联谐振回路的谐振曲线图1—6串联回路在谐振时的电流、电压关系在实际应用中,外加信号的频率ω与回路谐振频率ω0之差Δω=ω-ω0表示频率偏离谐振的程度,称为失谐。当ω与ω0很接近时,令ξ为广义失谐,则式（1—5）可写成当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时,将回路电流值下降为谐振值的时对应的频率范围称为回路的通频带,也称回路带宽,通常用B来表示。令式（1—9）等于,则可推得ξ=±1,从而可得带宽为二、并联谐振回路串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低阻抗的电路（如微波电路）。图1—7并联谐振回路及其等效电路、阻抗特性和辐角特性(a)并联谐振回路;（b）等效电路;（c）阻抗特性;（d）辐角特性并联谐振回路的并联阻抗为定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率ω0,令Zp的虚部为零,求解方程的根就是ω0,可得式中,Q为回路的品质因数,有当时,。回路在谐振时的阻抗最大,为一电阻R0因为：并联回路通常用于窄带系统,此时ω与ω0相差不大,式（1—13）可进一步简化为式中,Δω=ω-ω0。对应的阻抗模值与幅角分别为图1—8表示了并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系。例1设一放大器以简单并联振荡回路为负载,信号中心频率fs=10MHz,回路电容C=50pF,(1)试计算所需的线圈电感值。(2)若线圈品质因数为Q=100,试计算回路谐振电阻及回路带宽。(3)若放大器所需的带宽B=0.5MHz,则应在回路上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求?解(1)计算L值。由式(1—2),可得将f0以兆赫兹(MHz)为单位,Ｃ以皮法(pF)为单位,L以微亨（μH）为单位，上式可变为一实用计算公式:将f0=fs=10MHz代入,得(2)回路谐振电阻和带宽。由式(1—12)回路带宽为(3)求满足0.5MHz带宽的并联电阻。设回路上并联电阻为R1,并联后的总电阻为R1∥R0,总的回路有载品质因数为QL。由带宽公式,有此时要求的带宽B=0.5MHz,故回路总电阻为需要在回路上并联7.97kΩ的电阻。三、抽头并联振荡回路图1—9几种常见抽头振荡回路对于图1—9（b）的电路,其接入系数p可以直接用电容比值表示为图1—10电流源的折合谐振时的回路电流IL和IC与I的比值要小些,而不再是Q倍。由例2如图1—11，抽头回路由电流源激励,忽略回路本身的固有损耗,试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。图1—11例2的抽头回路解:由于忽略了回路本身的固有损耗,因此可以认为Q→∞。由图可知,回路电容为谐振角频率为电阻R1的接入系数等效到回路两端的电阻为回路两端电压u(t)与i(t)同相,电压振幅U=IR=2V,故回路有载品质因数回路带宽四、耦合振荡回路在高频电路中,有时用到两个互相耦合的振荡回路,也称为双调谐回路。把接有激励信号源的回路称为初级回路,把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。图1—12是两种常见的耦合回路。图1—12（a）是互感耦合电路,图1—12(b)是电容耦合回路图1—12两种常见的耦合回路及其等效电路对于图1—12（b）电路,耦合系数为初次级串联阻抗可分别表示为耦合阻抗为由图1—12（c）等效电路,转移阻抗为由次级感应电势产生,有考虑次级的反映阻抗,则第三节高频变压器和传输线变压器一、高频变压器及其特点变压器是靠磁通交链,或者说是靠互感进行耦合的。(1)为了减少损耗,高频变压器常用导磁率μ高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。(2)高频变压器一般用于小信号场合,尺寸小,线圈的匝数较少。图1—14高频变压器的磁芯结构(a)环形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)双孔磁芯图1—15高频变压器及其等效电路(a)电路符号;(b)等效电路图1—16(a)是一中心抽头变压器的示意图。初级为两个等匝数的线圈串联,极性相同，设初次级匝比n=N1/N2。作为理想变压器看待,线圈间的电压和电流关系分别为图1—16中心抽头变压器电路（a）中心抽头变压器电路;（b）作四端口器件应用3.2传输线变压器二、传输线变压器及其特点传输线变压器就是利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器。图1—17为其典型的结构和电路图。图1—17传输线变压器的典型结构和电路(a)结构示意图;（b）电路图1—18传输线变压器的工作方式(a)传输线方式;(b)变压器方式图1—19传输线变压器的应用举例(a)高频反相器;(b)不平衡—平衡变换器;(c)1∶4阻抗变换器;(d)3分贝耦合器第四节各种滤波组件一、石英晶体谐振器（一）物理特性石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成。（二）等效电路及阻抗特性图1—22是石英晶体谐振器的等效电路。由图1—22(b)可看出,晶体谐振器是一串并联的振荡回路,其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0图1-20石英晶体的形状及各种切型的位置（a）形状；（b）不同切型位置;（c）电路符号图1—21石英晶体谐振器（a）外形；（b）内部结构图1—22晶体谐振器的等效电路(a)包括泛音在内的等效电路;(b)谐振频率附近的等效电路图1—22(b)所示的等效电路的阻抗的一般表示式为在忽略rq后,上式可化简为图1—23晶体谐振器的电抗曲线图1—24晶体滤波器的电路与衰减特性（a）滤波器电路;（b）衰减特性二、集中滤波器（一）陶瓷滤波器图1—25陶瓷滤波器电路图1—26声表面波滤波器的结构和幅频特性(a)结构示意图(b)均匀对称的幅频特性（二）声表面波滤波器图1—26(a)中的声表面波滤波器的传输函数为图1--27一种用于通信机中的声表面波滤波器（三）衰减器与匹配器高频衰减,匹配器图1—28T型和Π型网络图1—29T型电阻网络匹配器