通信射频电路案例及习题分析

案例及习题分析1通信与信息工程学院《绪论》案例及习题分析一、本章知识点无线通信技术的发展简史，通信的定义、通信系统的组成及通信系统中进行的两种变换和反变换，电磁波频段划分标准及典型应用领域，特别是射频、微波、毫米波的频段范围，移动通信接收机和发射机的射频设计及现代蜂窝手机对射频前端设计的要求，无线通信射频电路的特点，通信射频电路设计的重要地位和无线通信射频电路的发展趋势。二、典型例题例题1通信系统的基本组成结构是什么？通信系统所包含两个变换和反变换是什么？分析：通信系统是指实现信息传输过程的系统。它应该包括信源、信道、信宿、输入输出转换器和收发机等。信息从信源发出，首先应变为电信号—基带信号，然后再调制到载波上，通常称为已调信号；在接收端先将已调波变为基带信号，再将基带信号变为电信号传送到信宿。解：（1）通信系统的基本组成结构为（2）通信系统的两个基本变换与反变换为①发射端：第一个变换是接收机从信道中选取接收的已调波并将其变换为基带信号，此变换过程称为解调。第二个变换是输出变换器将解调后的基带信号变换成相应的信息。②接收端：第一个变换是接收机从信道中选取接收的已调波并将其变换为基带信号，此变换过程称为解调。第二个变换是输出变换器将解调后的基带信号变换成相应的信息。例题2现代蜂窝手机对通信射频电路设计的要求是什么？解：①良好的选择性。②低噪声、高动态范围。③接收机对于杂散频率有良好的抑制能力。④本振信号应该具有很低的相位噪声。⑤发射机必须严格限制带外辐射。⑥射频电路必须低功耗。⑦发射机功放要求有高的功率增加效率。例题3无线通信系统射频前端设计是实现整个通信系统的瓶颈的原因是什么？解：①射频要求设计人员具有较宽的知识面。②与基带级几乎可以全部采用成熟的数字集成电路相比，射频级的集成电路还处于发展阶段，有些器件需要外接。③对射频电路来说，计算机辅助分析和综合工具还处于起步阶段，利用这些工具进行分析和综合结果只能起参考作用。第一章射频电路基础知识案例及习题分析常用的射频电路的有源和无源器件，无源器件电阻、电容和电感的射频特性及等效电路。一、本章知识点传输线的种类、传输线基础理论、传输线分析方法，电压反射系数的定义及计算方法、驻波及驻波比、端接负载传输线的输入阻抗计算方法及特殊情况分析、无耗传输线的功率传输特性、回波损耗和插入损耗的定义及其计算。阻抗圆图和导纳圆图的表示方法及特点、利用Smith圆图求解端接负载的传输线输入阻抗的方法。两端口网络的Z参数、Y参数、H参数和ABCD参数的表示方法和物理意义，网络S参数的定义及其物理意义，电路网络互连及其参数分析，网络S参数的测试条件和测试方法。二、典型例题例题1在一微带线中（假定微带线无限长且无损耗）电流表示式为：，求出（a）相速，（b）频率，（c）波长。9()0.6cos(910500)Aittz分析：这是一个关于波动方程及结论计算的典型例题。根据电流的表达式可以算出电磁波的三个重要参数：相速、频率、波长。解：电流表达式为：9()0.6cos(910500)Aittz频率：999101.43310Hz2f相速：9729101.810m/s500Pf波长：2221.25610m500例题2负载，传输线的特性阻抗为且工作频率为。求端接负载阻抗传输线的输入阻抗和输入反射系数。20LZ050Z1GHz解：由端接负载阻抗传输线输入阻抗的计算公式得000cossin()cossinLinLZdjZdZdZZdjZd2220cos50sin44502250cos20sin44jj505012520负载反射系数：0002050320507LLZZZZ输入反射系数：22240333()777jjdjindeee例题3用短路短截线实现2nH的电感，工作频率为1GHz，特征阻抗为，求传输线的最短长度。50分析：用理想的短路或开路短截线可以实现电容或电感功能，根据端接阻抗传输线输入阻抗的计算公式可以求出特定阻抗值所对应的传输线的长度。解：短路短截线的输入阻抗为：9tan21020nHinOZjZljLj则传输线的最短长度：921020nHarctan/arctan/50oLlZ0.2860.1232/其中，为波长。例题4对于下图所示系统，假如传输线是无耗的，计算输入功率、传送到负载的功率、回波损耗和插入损耗。分析：首先求出负载通过传输线变换后的输入阻抗，然后根据输入功率的计算公式，可求出输入功率，由于传输线是无耗的，故传送到负载的功率等于输入功率。回波损耗和插入损耗与输入反射系数有关。解：由于传输线的长度为，输入阻抗为：1/420505010025inLZZZ则，0s00100501100503inininZZZZ根据输入功率的计算公式，得到输入功率2222110011(1)111009W88191GsininsinVP由于传输线是无耗的，故传送到负载的功率等于输入功率100W9LinPP回波损耗110lg(/)20lg()20lg=9.5dB3rininRLPP插入损耗10lg(/)10lg(()/)20lg(1)tininrininILPPPPP220lg=3.5dB3例题5传输线的特征阻抗为，负载阻抗为，工作频率，相速，当时，求输入阻抗。050Z(3060)LZj2GHzf0.5PvC0.64cmdinZ分析：应用Smith圆图法计算其阻抗，可按下面步骤：1）用特征阻抗归一化负载阻抗，求出。0ZLZLz2）在Smith圆图内找出的位置。Lz3）在Smith圆图内确定负载阻抗所对应的负载反射系数，用幅度和相位表示。04）用2倍电长度顺时针旋转，获得。d0()ind5）记录在特定位置处的归一化输入阻抗。dinz6）将转换到实际的阻抗。inzinZ096d解：归一化负载阻抗，/0.61.2LLozZZj096d归一化输入阻抗(0.64)0.30.53inzcmj输入阻抗(0.64)1526.5inZcmj例题6级联网络1的ABCD矩阵为1324，级联网络2ABCD矩阵为7856，求整个级联网络的ABCD矩阵，并说明ABCD矩阵的应用场。分析：级联网络的ABCD参数等于所有组成级联网络的网络ABCD矩阵的乘积。解：级联网络的整体ABCD矩阵等于所有子网络ABCD矩阵的乘积。因此，整个级联网络的ABCD矩阵为112211221378222624563440ABABABCDCDCD三、本章作业1-1从驻波比（SWR）的基本定义出发：maxmaxminminVISWRVI证明其能也能表示为：0011SWR证明：电压驻波比定义为最大电压与最小电压的比值，即maxminVSWRV0(1)VV而则max0(1)VVmin0(1)VV故00maxmin00(1)1(1)1VVSWRVV即得证1-2证明在无耗传输线条件下，输入功率和负载功率相同，且为22221(1)181GsininLsinVPP证明：源阻抗和输入阻抗用反射系数表示为11ssoGsZZZ11ininoinZZ输入电压和电流可以表示为(1)()ininininGinGZVVVZZ(1)/inininoIVZ则输入功率可表示为22*0Re()/2(1)/2inininininPVIVZ22221(1)181GsinsinV由于传输线是无耗的，故输入功率和负载功率相等，即22221(1)181GsininLsinVPP1-3证明阻抗圆和导纳圆的方程为2221(())()()11rirzzrr22211(()1)(())()rizzxx证明：输入阻抗可以表示为()inzzrjx而输入反射系数为()()()inrizzjz输入阻抗和反射系数的关系为1()1()()()1()1()()inriininrizzjzzzrjxzzjz2222221()()21()()1()()1()()ririririzzjzzzzzz22221()()(1())()ririzzrzz2221()()1()()ririzzxzz整理得阻抗圆方程2221(())()()11rirzzrr导纳圆方程22211(()1)(())()rizzxx1-4负载阻抗为，与特征阻抗为的传输线相连，求负载处的驻波比。3060LZj50解：负载处的反射系数为108.5000(3060)5020600.63(3060)508060jLLZZjjeZZjj则负载处的驻波比为00110.634.4110.63SWR1-5一终端短路传输线段，工作在1GHz，相速度是光速的75%，用分析法确定为获得（a）5.6pF电容和（b）4.7nH电感所需的最短线长。解：9-18223.141028m3100.75Pfv短路时容性阻抗：011tan()inZjZdjC1min011arctandCZ91211arctan0.093m2823.14105.61050短路时感性容抗：02tan()injLZjZd2min01arctanLdZ99123.14104.910arctan0.019m28501-6已知放大器输入、输出端口驻波系数分别为2inSWR3outSWR输出端口反射系数的模。若采用、11S22S表示结果，其物理含义是什么？解：由驻波比定义得11SWR由121inininSWR得12in由131outoutoutSWR得13out如果用、表示，则11S22S11inS输入端口反射系数的模等于该端口的模。11S22outS输出端口反射系数的模等于该端口的模。22S1-7如图所示，负载阻抗为，传输线的特征阻抗为，且长度为。求负载反射系数，输入反射系数，线上的驻波比，回波损耗，输入阻抗。13090j500.3LinSWRRLinZ解：负载反射系数o0013090500.59821.81309050LLLjZZZZj电长度o20.3108l输入反射系数o21082oo0.59821.80.598165.8jjlinLee驻波比110.5983.98110.598SWR回波损耗为20lg20lg0.5984.47dBRL输入阻抗为o00o01309050tan108tan50tan5013090tan108LinLjjZjZlZZZjZljj12.755.8j第二章选频回路与阻抗变换案例及习题分析一、本章知识点选频回路的基本概念，选频回路的性能指标，利用LC串并联谐振回路进行选频的基本原理，掌握LC串/并联谐振回路有关谐振、