高頻電路第2章

1、第2章 高頻電路基礎(chǔ)第第2章高頻電路基礎(chǔ)與系統(tǒng)問(wèn)題章高頻電路基礎(chǔ)與系統(tǒng)問(wèn)題2.1 高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件 2.2 高頻電路中的組件高頻電路中的組件 2.3 阻抗變換與阻抗匹配阻抗變換與阻抗匹配 2.4 電子噪聲與接收靈敏度電子噪聲與接收靈敏度2.5 非線(xiàn)性失真與動(dòng)態(tài)范圍非線(xiàn)性失真與動(dòng)態(tài)范圍2.6 高頻電路的電磁兼容高頻電路的電磁兼容 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.1.1 高頻電路中的元件高頻電路中的元件1 電阻器電阻器一個(gè)電阻R的高頻等效電路如圖2-1所示，其中，CR為分布電容，LR為引線(xiàn)電感，R為電阻。分布電容和引線(xiàn)電感越小，表明電阻的高頻特性越好。 電阻器

2、的高頻特性與制作電阻的材料、電阻的封裝形式和尺寸大小有密切關(guān)系。2.1 高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件圖 2-1 電阻的高頻等效電路第2章 高頻電路基礎(chǔ)2. 電容器電容器一個(gè)電容器的等效電路如圖2-2(a)所示。其中，電阻RC為極間絕緣電阻，它是由于兩導(dǎo)體間的介質(zhì)的非理想(非完全絕緣)所致，通常用損耗角或品質(zhì)因數(shù)QC來(lái)表示; 電感LC為分布電感或(和)極間電感，小容量電容器的引線(xiàn)電感也是其重要組成部分。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖2-2 電容器的高頻等效電路(a) 電容器的等效電路; (b) 電容器的阻抗特性第2章 高頻電路基礎(chǔ)理想電容器的阻抗為1/(jC)，如圖2-2(b)虛線(xiàn)所示，其中，f

3、 為工作頻率，=2f。但實(shí)際的電容器在高頻運(yùn)用時(shí)的阻抗頻率特性如圖2-2(b)實(shí)線(xiàn)所示，呈V形特性，而且其具體形狀與電容器的種類(lèi)和電容量的不同有關(guān)。由此可知，每個(gè)電容器都有一個(gè)自身諧振頻率SRF(Self Resonant Frequency)。當(dāng)工作頻率小于自身諧振頻率時(shí)，電容器呈正常的電容特性，但當(dāng)工作頻率大于自身諧振頻率時(shí)，電容器將等效為一個(gè)電感。第2章 高頻電路基礎(chǔ)3. 電感器電感器高頻電感器與普通電感器一樣，電感量是其主要參數(shù)。電感量L產(chǎn)生的感抗為jL，其中，為工作角頻率。高頻電感器一般由導(dǎo)線(xiàn)繞制(空心或有磁芯、單層或多層)而成(也稱(chēng)電感線(xiàn)圈)，由于導(dǎo)線(xiàn)都有一定的直流電阻，所以高頻電

4、感器具有直流電阻R。把兩個(gè)或多個(gè)電感線(xiàn)圈靠近放置就可組成一個(gè)高頻變壓器。第2章 高頻電路基礎(chǔ)工作頻率越高，趨膚效應(yīng)越強(qiáng)，再加上渦流損失、磁芯電感在磁介質(zhì)內(nèi)的磁滯損失以及由電磁輻射引起的能量損失等，都會(huì)使高頻電感的等效電阻(交流電阻)大大增加。一般地，交流電阻遠(yuǎn)大于直流電阻，因此，高頻電感器的電阻主要指交流高頻電感器的電阻主要指交流電阻。電阻。但在實(shí)際中，并不直接用交流電阻來(lái)表示高頻電感器的損耗性能，而是引入一個(gè)易于測(cè)量、使用方便的參數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q來(lái)表征。品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q Q定義為高頻電感器的感抗與其串聯(lián)定義為高頻電感器的感抗與其串聯(lián)損耗電阻之比。損耗電阻之比。Q Q值越高，表明該電感器的儲(chǔ)能作

5、用越強(qiáng)，損值越高，表明該電感器的儲(chǔ)能作用越強(qiáng)，損耗越小。耗越小。因此，在中短波段和米波波段，高頻電感可等效為電感和電阻的串聯(lián)或并聯(lián)。第2章 高頻電路基礎(chǔ)若工作頻率更高，電感內(nèi)線(xiàn)圈匝與匝之間及各匝與地之間的分布電容的作用就十分明顯，等效電路應(yīng)考慮電感兩端總的分布電容，它應(yīng)與電感并聯(lián)。與電容器類(lèi)似，高頻電感器也具有自身諧振頻率SRF。在SRF上，高頻電感的阻抗的幅值最大，而相角為零，如圖2-3所示。第2章 高頻電路基礎(chǔ) 圖 2-3 高頻電感器的自身諧振頻率SRF第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.1.2 高頻電路中的有源器件高頻電路中的有源器件1. 二極管二極管半導(dǎo)體二極管在高頻中主要用于檢波、調(diào)制、解調(diào)及混

6、頻等非線(xiàn)性變換電路中，工作在低電平。因此主要用點(diǎn)接觸式二極管和表面勢(shì)壘二極管(又稱(chēng)肖特基二極管)。兩者都利用多數(shù)載流子導(dǎo)電機(jī)理，它們的極間電容小、工作頻率高。常用的點(diǎn)接觸式二極管(如2AP系列)，工作頻率可到100200 MHz，而表面勢(shì)壘二極管，工作頻率可高至微波范圍。第2章 高頻電路基礎(chǔ)另一種在高頻中應(yīng)用很廣的二極管是變?nèi)荻O管，其特點(diǎn)是電容隨偏置電壓變化。 利用PN結(jié)反偏時(shí)勢(shì)壘電容隨外加反偏電壓變化的機(jī)理，在制作時(shí)用專(zhuān)門(mén)工藝和技術(shù)經(jīng)特殊處理而制成的具有較大電容變化范圍的二極管就是變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj與外加反偏電壓u之間呈非線(xiàn)性關(guān)系。變?nèi)荻O管在工作時(shí)處于反偏截止?fàn)顟B(tài)，基本上

7、不消耗能量，噪聲小，效率高。將它用于振蕩回路中，可以作成電調(diào)諧器，也可以構(gòu)成自動(dòng)調(diào)諧電路等。第2章 高頻電路基礎(chǔ)變?nèi)莨苋粲糜谡袷幤髦?，可以通過(guò)改變電壓來(lái)改變振蕩信號(hào)的頻率。這種振蕩器稱(chēng)為壓控振蕩器(VCO)。壓控振蕩器是鎖相環(huán)路的一個(gè)重要部件。電調(diào)諧器和壓控振蕩器也廣泛用于電視接收機(jī)的高頻頭中。具有變?nèi)菪?yīng)的某些微波二極管(微波變?nèi)莨?還可以進(jìn)行非線(xiàn)性電容混頻、倍頻。 還有一種以P型、N型和本征(I)型三種半導(dǎo)體構(gòu)成的PIN二極管，它具有較強(qiáng)的正向電荷儲(chǔ)存能力。它的高頻等效電阻受正向直流電流的控制，是一電可調(diào)電阻。它在高頻及微波電路中可以用作電可控開(kāi)關(guān)、限幅器、電調(diào)衰減器或電調(diào)移相器。第2章

8、高頻電路基礎(chǔ)2. 晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管(FET)高頻晶體管有兩大類(lèi)型: 一類(lèi)是作小信號(hào)放大的高頻小功率管，對(duì)它們的主要要求是高增益和低噪聲; 另一類(lèi)為高頻功率放大管，除了增益外，要求其在高頻有較大的輸出功率。目前雙極型小信號(hào)放大管，工作頻率可達(dá)幾千兆赫茲，噪聲系數(shù)為幾分貝。 小信號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)管也能工作在同樣高的頻率，且噪聲更低。一種稱(chēng)為砷化鎵的場(chǎng)效應(yīng)管，其工作頻率可達(dá)十幾千兆赫茲以上。在高頻大功率晶體管方面，在幾百兆赫茲以下頻率，雙極型晶體管的輸出功率可達(dá)十幾瓦至上百瓦。而金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，甚至在幾千兆赫茲的頻率上還能輸出幾瓦功率。第2章 高頻電路基礎(chǔ)3. 集成電路

9、集成電路用于高頻的集成電路的類(lèi)型和品種要比用于低頻的集成電路少得多，主要分為通用型和專(zhuān)用型兩種。目前通用型的寬帶集成放大器，工作頻率可達(dá)一二百兆赫茲，增益可達(dá)五六十分貝， 甚至更高。用于高頻的晶體管模擬相乘器，工作頻率也可達(dá)一百兆赫茲以上。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，也生產(chǎn)出了一些高頻的專(zhuān)用集成電路(ASIC)。其中包括集成鎖相環(huán)、集成調(diào)頻信號(hào)解調(diào)器、單片集成接收機(jī)以及電視機(jī)中的專(zhuān)用集成電路等。第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.2.1 高頻振蕩回路高頻振蕩回路高頻振蕩回路是高頻電路中應(yīng)用最廣的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，也是構(gòu)成高頻放大器、振蕩器以及各種濾波器的主要部件，在電路中完成阻抗變換、信號(hào)選擇等任務(wù)，并可直接作為負(fù)載使用

10、。下面分簡(jiǎn)單振蕩回路、抽頭并聯(lián)振蕩回路和耦合振蕩回路三部分來(lái)討論。2.2 高頻電路中的組件高頻電路中的組件第2章 高頻電路基礎(chǔ)1. 簡(jiǎn)單振蕩回路簡(jiǎn)單振蕩回路振蕩回路就是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)形成的回路。只有一個(gè)回路的振蕩電路稱(chēng)為簡(jiǎn)單振蕩回路或單振蕩回路。簡(jiǎn)單振蕩回路的阻抗在某一特定頻率上具有最大或最小值的特性稱(chēng)為諧振特性，這個(gè)特定頻率稱(chēng)為諧振頻率。簡(jiǎn)單振蕩回路具有諧振特性和頻率選擇作用，這是它在高頻電子線(xiàn)路中得到廣泛應(yīng)用的重要原因。第2章 高頻電路基礎(chǔ)1) 串聯(lián)諧振回路圖2-4(a)是最簡(jiǎn)單的串聯(lián)振蕩回路。圖中，r是電感線(xiàn)圈L中的損耗電阻，r通常很小，可以忽略，C為電容。振蕩回路的諧振特性可以

11、從它們的阻抗頻率特性看出來(lái)。對(duì)于圖2-4(a)的串聯(lián)振蕩回路，當(dāng)信號(hào)角頻率為時(shí)，其串聯(lián)阻抗為CLrCLrZ1jj1jS(2-1)第2章 高頻電路基礎(chǔ)回路電抗、回路阻抗的模|ZS|和輻角隨變化的曲線(xiàn)分別如圖2-4(b)、(c)和(d)所示。由圖可知，當(dāng)r; 當(dāng)0時(shí)，回路呈感性，|ZS|r; 當(dāng)=0時(shí)，感抗與容抗相等， |ZS|最小，并為一純電阻r，我們稱(chēng)此時(shí)發(fā)生了串聯(lián)諧振，且串聯(lián)諧振角頻率0為 (2-2)串聯(lián)諧振頻率是串聯(lián)振蕩回路的一個(gè)重要參數(shù)。 CLX1LC10第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖2-4 串聯(lián)振蕩回路及其特性第2章 高頻電路基礎(chǔ)U若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號(hào)，則發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)因阻抗最小，

12、流過(guò)電路的電流最大，稱(chēng)為諧振電流，其值為 (2-3)rUI0第2章 高頻電路基礎(chǔ) j1 1 j1 1 1j1 1 00000SS0QrLrCLZrrUZUII在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為(2-4)I第2章 高頻電路基礎(chǔ)其模為 (2-5)其中， (2-6)2002011QIICrrLQ001第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-5 串聯(lián)諧振回路的諧振曲線(xiàn)第2章 高頻電路基礎(chǔ)Q稱(chēng)為回路的品質(zhì)因數(shù)，它是振蕩回路的另一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)式(2-5)畫(huà)出相應(yīng)的曲線(xiàn)如圖2-5所示，稱(chēng)為諧振曲線(xiàn)。由圖可知，回路的品質(zhì)因數(shù)越高，諧振曲線(xiàn)越尖銳，回路的選擇性越好。因此，回路品質(zhì)因數(shù)的大小可以說(shuō)明回路選擇性的好壞。

13、另外一個(gè)反映回路選擇性好壞的參數(shù)矩形系數(shù)的概念將在后面給出。在高頻中通常Q是遠(yuǎn)大于1的值(一般電感線(xiàn)圈的Q值為幾十到一二百)。在串聯(lián)回路中，電阻、電感、電容上的電壓值與阻抗值成正比，因此串聯(lián)諧振時(shí)電感及電容上的電壓為最大，其值為電阻上電壓值的Q倍，也就是恒壓源的電壓值的Q倍。發(fā)生諧振的物理意義是，此時(shí)，電容中儲(chǔ)存的電能和電感中儲(chǔ)存的磁能周期性地轉(zhuǎn)換，并且儲(chǔ)存的最大能量相等。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)在實(shí)際應(yīng)用中，外加信號(hào)的頻率與回路諧振頻率0之差=0表示頻率偏離諧振的程度，稱(chēng)為失諧。當(dāng)與0很接近時(shí)，(2-7)0000002020022 第2章 高頻電路基礎(chǔ)令(2-8)為廣義失諧，則式(2-5)可寫(xiě)

14、成(2-9)當(dāng)保持外加信號(hào)的幅值不變而改變其頻率時(shí)，將回路電流值下降為諧振值的時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱(chēng)為回路的通頻帶，也稱(chēng)回路帶寬，通常用B來(lái)表示。令式(2-9)等于 0.707，則可推得=1，從而可得帶寬B0.707或B0.7為(2-10)0022ffQQ2011II2/1QffB07 . 022/1第2章 高頻電路基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)指出，以上所用到的品質(zhì)因數(shù)都是指回路沒(méi)有外加負(fù)載時(shí)的值，稱(chēng)為空載 Q 值或 Q0 。當(dāng)回路有外加負(fù)載時(shí)，品質(zhì)因數(shù)要用有載 Q 值或 QL 來(lái)表示，其中的電阻 r 應(yīng)為考慮負(fù)載后的總的損耗電阻。串聯(lián)振蕩回路的相位特性與其輻角特性相反。在諧振時(shí)回路中的電流、電壓關(guān)系如圖2-6所示，

15、圖中與同相，和 分別為電感和電容上的電壓。由圖可知， 和反相。UCUCU0ILULU第2章 高頻電路基礎(chǔ) 圖2-6 串聯(lián)回路在諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系第2章 高頻電路基礎(chǔ)2) 并聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為低內(nèi)阻(如恒壓源)的情況或低阻抗的電路(如微波電路)。當(dāng)頻率不是非常高時(shí)，并聯(lián)諧振回路應(yīng)用最廣。并聯(lián)諧振回路是與串聯(lián)諧振回路對(duì)偶的電路，其等效電路、阻抗特性和輻角特性分別如圖2-7(b)、(c)和(d)所示。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖2-7 并聯(lián)諧振回路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性(a) 并聯(lián)諧振回路; (b)等效電路; (c)阻抗特性; (d)輻角特性第2章 高頻電路基礎(chǔ)并聯(lián)諧振回

16、路的并聯(lián)阻抗為 (2-11)我們也定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯(lián)諧振頻率0，令Zp的虛部為零，求解方程的根就是0，可得 式中，Q為回路的品質(zhì)因數(shù)，有CLrCLrZj1jj1)j(p20111QLCCrrLQ001第2章 高頻電路基礎(chǔ)當(dāng)Q1時(shí)，?；芈吩谥C振時(shí)的阻抗最大，為一電阻R0 (2-12)我們還關(guān)心并聯(lián)回路在諧振頻率附近的阻抗特性，同樣考慮高Q條件下，可將式(2-11)表示為(2-13) LC10CQLQCrLR00000pj1QCrLZ第2章 高頻電路基礎(chǔ)并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng)，此時(shí)與0相差不大，式(2-13)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為(2-14)式中，=0。對(duì)應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為(2-15

17、)(2-16)j12j1000pRQRZ20200p121|RQRZarctan2arctan0ZQ第2章 高頻電路基礎(chǔ)上述特性可以在圖2-7中反映出來(lái)。在圖2-7(b)的等效電路中，并聯(lián)電阻R0是等效到回路兩端的并聯(lián)諧振電阻，電感和電容中沒(méi)有損耗電阻。從圖2-7(c)、(d)可以看出，Q值越高，阻抗和幅角在諧振頻率附近變化就越快。對(duì)于并聯(lián)諧振回路，若將阻抗值下降為的頻率范圍稱(chēng)為通頻帶B，則它與式(2-10)相同。2/0R第2章 高頻電路基礎(chǔ)在圖2-7(b)的等效電路中，流過(guò)L的電流是感性電流，它落后于回路兩端電壓90。是容性電流，超前于回路兩端電壓90。則與回路電壓同相。諧振時(shí)與相位相反，大

18、小相等。此時(shí)流過(guò)回路的電流正好就是流過(guò) R0 的電流。由式(2-12)還可看出，由于回路并聯(lián)諧振電阻 R0 為0L(或1/0C)的Q倍，并聯(lián)電路各支路電流大小與阻抗成反比， 因此電感和電容中的電流為外部電流的Q倍，即有 IL=IC=QI (2-17)圖2-8表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系。 LICIRILICIIRI第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖2-8并聯(lián)回路中諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系第2章 高頻電路基礎(chǔ)當(dāng)信號(hào)頻率低于諧振頻率，即0時(shí)，整個(gè)回路呈容性阻抗。圖2-7(d)也表示出了此關(guān)系。應(yīng)當(dāng)指出，以上討論的是高Q的情況。如果Q值較低時(shí)，并聯(lián)振蕩回路諧振頻率將低于高Q情況的頻率，并使諧振曲線(xiàn)和

19、相位特性隨著Q值而偏離。下面舉一例說(shuō)明簡(jiǎn)單并聯(lián)振蕩回路的計(jì)算。第2章 高頻電路基礎(chǔ)例例 2-1 設(shè)一放大器以簡(jiǎn)單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載，信號(hào)中心頻率fs=10 MHz，回路電容C=50 pF，(1) 試計(jì)算所需的線(xiàn)圈電感值。(2) 若線(xiàn)圈品質(zhì)因數(shù)為Q=100，試計(jì)算回路諧振電阻及回路帶寬。(3) 若放大器所需的帶寬B0.7=0.5 Hz，則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿(mǎn)足放大器所需帶寬要求? 第2章 高頻電路基礎(chǔ)解解 (1) 計(jì)算L值。由式(2-2)，可得將f0以兆赫茲(MHz)為單位，以皮法(pF)為單位，L以微亨(H)為單位， 上式可變?yōu)橐粚?shí)用計(jì)算公式:將f0=fs=10 MHz代入，得CfCL

20、20220)2(11CfCfL2062022533010121H07. 5L第2章 高頻電路基礎(chǔ)(2) 回路諧振電阻和帶寬。由式(2-12)回路帶寬為k 8 .311018. 3 1007. 510210046700LQRkHz 1000QfB第2章 高頻電路基礎(chǔ)(3) 求滿(mǎn)足0.5 MHz帶寬的并聯(lián)電阻。設(shè)回路上并聯(lián)電阻為R1，并聯(lián)后的總電阻為R1R0，總的回路有載品質(zhì)因數(shù)為QL。由帶寬公式，有此時(shí)要求的帶寬B0.7=0.5 MHz，故回路總電阻為需要在回路上并聯(lián)7.97 k的電阻。7 . 00LBfQ 20LQk 37. 61007. 510220670L1010LQRRRRk 97. 7

21、37. 637. 6001RRR第2章 高頻電路基礎(chǔ)2. 抽頭并聯(lián)振蕩回路抽頭并聯(lián)振蕩回路在實(shí)際應(yīng)用中，常常用到激勵(lì)源或負(fù)載與回路電感或電容部分連接的并聯(lián)振蕩回路，即抽頭并聯(lián)振蕩回路。圖2-9是幾種常用的抽頭振蕩回路。采用抽頭回路，可以通過(guò)改變抽頭位置或電容分壓比來(lái)實(shí)現(xiàn)回路與信號(hào)源的阻抗匹配(如圖2-9(a)、(b)，或者進(jìn)行阻抗變換(如圖2-9(d)、(e)。也就是說(shuō)，除了回路的基本參數(shù)0、Q和R0外，還增加了一個(gè)可以調(diào)節(jié)的因子。這個(gè)調(diào)節(jié)因子就是接入系數(shù)(抽頭系數(shù))p。它被定義為: 與外電路相連的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質(zhì)總電抗之比。p也可以用電壓比來(lái)表示，即(2-18)TUUp 第

22、2章 高頻電路基礎(chǔ)因此，又把抽頭系數(shù)稱(chēng)為電壓比或變比。下面簡(jiǎn)單分析圖2-9(a)和(b)兩種電路。仍然考慮窄帶高Q的實(shí)際情況。對(duì)于圖2-9(a)，設(shè)回路處于諧振或失諧不大時(shí)，流過(guò)電感的電流L仍然比外部電流大得多，即ILI，因而UT比U大。當(dāng)諧振時(shí)，輸入端呈現(xiàn)的電阻設(shè)為R，從功率相等的關(guān)系看，有(2-19)RURU22202T0202TRpRUUR第2章 高頻電路基礎(chǔ)其中，接入系數(shù)p用元件參數(shù)表示時(shí)則要復(fù)雜些。仍假設(shè)滿(mǎn)足ILI， 并設(shè)抽頭部分的電感為L(zhǎng)1，若忽略?xún)刹糠珠g的互感，則接入系數(shù)為p=L1/L。實(shí)際上，一般是有互感的。設(shè)上下兩段線(xiàn)圈間的互感值為M，則接入系數(shù)p=(L1+M)/L。對(duì)于緊耦

23、合的線(xiàn)圈電感(即后面將介紹的帶抽頭的高頻變壓器)，設(shè)抽頭的線(xiàn)圈匝數(shù)為N1，總匝數(shù)為N，因線(xiàn)圈上的電壓與匝數(shù)成比例，其接入系數(shù)為p=N1/N。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖2-9 幾種常見(jiàn)抽頭振蕩回路第2章 高頻電路基礎(chǔ)事實(shí)上，接入系數(shù)的概念不只是對(duì)諧振回路適用，在非諧振回路中通常用電壓比來(lái)定義接入系數(shù)。根據(jù)分析，在回路失諧不大，p又不是很小的情況下，輸入端的阻抗也有類(lèi)似關(guān)系 (2-20) 對(duì)于圖2-9(b)的電路，其接入系數(shù)p可以直接用電容比值表示為(2-21)002T2j21QRpZpZ21121212T11CCCCCCCCUUp第2章 高頻電路基礎(chǔ)在實(shí)際中，除了阻抗需要折合外，有時(shí)信號(hào)源也需要折合

24、。對(duì)于電壓源，由式(2-18)可得U=pUT對(duì)于如圖2-10所示的電流源，其折合關(guān)系為IT=pI (2-22)需要注意，對(duì)信號(hào)源進(jìn)行折合時(shí)的變比是p，而不是p2。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-10 電流源的折合第2章 高頻電路基礎(chǔ)在抽頭回路中，由于激勵(lì)端的電壓U小于回路兩端電壓UT，從功率等效的概念來(lái)考慮，回路要得到同樣功率，抽頭端的電流要更大些(與不抽頭回路相比)。這也意味著諧振時(shí)的回路電流IL和IC與I的比值要小些，而不再是Q倍。由及0TTLLRQUUIRUI QRRUUII0TL第2章 高頻電路基礎(chǔ)可得IL=pQI (2-23) 接入系數(shù)p越小，IL與I的比值也越小。在上面的分析中，曾假設(shè)

25、ILI, 當(dāng)p較小時(shí)將不能滿(mǎn)足， 因此阻抗(2-20)的近似公式的適用條件為IL/I=Pq1。例例 2-2 如圖2-11， 抽頭回路由電流源激勵(lì)，忽略回路本身的固有損耗，試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-11 例2的抽頭回路第2章 高頻電路基礎(chǔ)解解 由于忽略了回路本身的固有損耗，因此可以認(rèn)為Q。由圖可知，回路電容為諧振角頻率為電阻R1的接入系數(shù)等效到回路兩端的電阻為pF 10002121CCCCCrad/s 10170LC5 . 0211CCCp 2000112RpR第2章 高頻電路基礎(chǔ)回路兩端電壓u(t)與i(t)同相，電壓振幅U=IR=2 V，故輸出電

26、壓為回路有載品質(zhì)因數(shù)回路帶寬在上述近似計(jì)算中，u1(t)與u(t)同相?？紤]到R1對(duì)實(shí)際分壓比的影響，u1(t)與u(t)之間還有一小的相移。V 10cos2)(7ttuV 10cos)()(71ttputu20100020000LLRQkHz 80L0QfB第2章 高頻電路基礎(chǔ)3. 耦合振蕩回路耦合振蕩回路在高頻電路中，有時(shí)用到兩個(gè)互相耦合的振蕩回路，也稱(chēng)為雙調(diào)諧回路。把接有激勵(lì)信號(hào)源的回路稱(chēng)為初級(jí)回路，把與負(fù)載相接的回路稱(chēng)為次級(jí)回路或負(fù)載回路。圖 2-12 是兩種常見(jiàn)的耦合回路。圖 2-12(a)是互感耦合電路，圖 2-12(b)是電容耦合回路。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-12 兩種常見(jiàn)的

27、耦合回路及其等效電路第2章 高頻電路基礎(chǔ)耦合振蕩回路在高頻電路中的主要功用，一是用來(lái)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換以完成高頻信號(hào)的傳輸; 一是形成比簡(jiǎn)單振蕩回路更好的頻率特性。通常應(yīng)用時(shí)都滿(mǎn)足下述兩個(gè)條件: 一是兩個(gè)回路都對(duì)信號(hào)頻率調(diào)諧; 另一個(gè)是都為高Q電路。下面以圖 2-12(a)的互感耦合回路為主來(lái)分析說(shuō)明它的原理和特性。反映兩回路耦合大小的是兩線(xiàn)圈間的互感M，以及互感與初次級(jí)電感L1、L2 的大小關(guān)系。耦合阻抗為Zm=jXm=jM。為了反映兩回路的相對(duì)耦合程度，可以引入一耦合系數(shù)k，它定義為Xm與初次級(jí)中與Xm同性質(zhì)兩電抗的幾何平均值之比，即(2-24)21212LLMLLMk第2章 高頻電路基礎(chǔ) 對(duì)于

28、圖 2-12(b)電路，耦合系數(shù)為 (2-25) 根據(jù)電路理論，當(dāng)初級(jí)有信號(hào)源激勵(lì)時(shí)，初級(jí)回路電流 通過(guò)耦合阻抗將在次級(jí)回路中產(chǎn)生一感應(yīng)電勢(shì)，從而在次級(jí)回路中產(chǎn)生電流。次級(jí)回路必然要對(duì)初級(jí)回路產(chǎn)生反作用(即要在初級(jí)產(chǎn)生反電勢(shì))，此反作用可以通過(guò)在初級(jí)回路中引入一反映(射)阻抗 Zf 來(lái)等效。反映阻抗為 (2-26)(21CCCCCCCCk1I1jIM2I2I22222mZMZZZf第2章 高頻電路基礎(chǔ)Z2是次級(jí)回路的串聯(lián)阻抗，它具有串聯(lián)諧振的特性。當(dāng)次級(jí)回路諧振時(shí)，Zf為一電阻rf，會(huì)使初級(jí)并聯(lián)諧振電阻下降。在次級(jí)失諧時(shí)，Zf為一隨頻率變化的感性阻抗(0)。顯然，Zf的影響會(huì)使初級(jí)的并聯(lián)阻抗Z

29、1和初次級(jí)的轉(zhuǎn)移阻抗Z21的頻率特性發(fā)生變化。第2章 高頻電路基礎(chǔ)耦合回路常作為四端網(wǎng)絡(luò)(兩端口網(wǎng)絡(luò))應(yīng)用，我們更關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性。假設(shè)兩回路的電感、電容和品質(zhì)因數(shù)相同(這是常見(jiàn)的情況)，在此條件下來(lái)分析轉(zhuǎn)移阻抗。此時(shí)有L1=L2=L, C1=C2=C, Q1=Q2=Q再引入兩個(gè)參數(shù)，廣義失諧 (2-27)耦合因子A=kQ (2-28)初次級(jí)串聯(lián)阻抗可分別表示為耦合阻抗為00002QrL)j1 (11 rZ)j1 (22 rZMZjm第2章 高頻電路基礎(chǔ)2Im1ZI由圖2-12(c)等效電路，轉(zhuǎn)移阻抗為 (2-29)由次級(jí)感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，有考慮次級(jí)的反映阻抗，則將上兩式代入式(2-

30、29)，再考慮其它關(guān)系，經(jīng)簡(jiǎn)化得(2-30)EICCECjICjIUZ2212122221112m12ZZII22m1111)(ZZZIZZIEfj21 j22021AACQZ第2章 高頻電路基礎(chǔ)根據(jù)同樣的方法可以得到電容耦合回路的轉(zhuǎn)移阻抗特性為 (2-31)若不計(jì)常數(shù)因子，式(2-30)與式(2-31)具有相同的頻率特性。A出現(xiàn)在分子和分母中，這表示兩回路的耦合程度要影響曲線(xiàn)的高度和形狀。以為變量，對(duì)式(2-30)求極值可知，當(dāng)耦合因子A小于1時(shí)，在=0 處有極大值。當(dāng)A大于1，則有兩個(gè)極大值，在=0 處有凹點(diǎn)。此時(shí)|Z21|曲線(xiàn)為雙峰。求出|Z21|的極大值|Z21|max，可以求出不同A

31、時(shí)的歸一化轉(zhuǎn)移阻抗(2-32)j21 LjQ22021AAZ2222max21214)1 (2 |AAZZ第2章 高頻電路基礎(chǔ)通常將A=1 的情況稱(chēng)為臨界耦合，而將此時(shí)耦合系數(shù)稱(chēng)為臨界耦合系數(shù)(2-33)而將A1，或kk0 稱(chēng)為過(guò)耦合; A1，或kk0 稱(chēng)為欠耦合。圖 2-13 為歸一化的轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性。由圖可見(jiàn)，當(dāng)kk0的過(guò)耦合狀態(tài)，它可以得到更大的帶寬。但凹陷點(diǎn)的值小于 0.707 的過(guò)耦合情況沒(méi)有什么應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)式(2-32)的頻率特性可以分析出最大凹陷點(diǎn)也為0.707時(shí)的耦合因子及帶寬，它們分別為A=2.41必須再一次指出，以上分析只限于高Q值的窄帶耦合回路。順便指出，多個(gè)單回路

32、級(jí)聯(lián)的情況和參差調(diào)諧(不同回路調(diào)諧于不同頻率)的情況請(qǐng)參見(jiàn)本書(shū)第 3 章和其它參考書(shū)。QfB07 . 01 . 3第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.2.3 石英晶體諧振器石英晶體諧振器1. 物理特性物理特性石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片制成。石英晶體是SiO2的結(jié)晶體，在自然界中以六角錐體出現(xiàn)。它有三個(gè)對(duì)稱(chēng)軸: Z軸(光軸)、X軸(電軸)、Y軸(機(jī)械軸)。各種晶片就是按與各軸不同角度切割而成的。圖2-20 就是石英晶體形狀和各種切型的位置圖。在晶片的兩面制作金屬電極，并與底座的插腳相連，最后以金屬殼封裝或玻璃殼封裝(真空封裝)，成為晶體諧振器，如圖2-21 所示。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖

33、2-20 石英晶體的形狀及各種切型的位置 (a) 形狀; (b) 不同切型位置; (c) 電路符號(hào)第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-21 石英晶體諧振器(a) 外形; (b) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)第2章 高頻電路基礎(chǔ)石英晶體之所以能成為電的諧振器，是由于它具有壓電效應(yīng)。所謂壓電效應(yīng)，就是當(dāng)晶體受外力作用而變形(如伸縮、切變、扭曲等)時(shí)，就在它對(duì)應(yīng)的表面上產(chǎn)生正、負(fù)電荷, 呈現(xiàn)出電壓。當(dāng)在晶體兩面加電壓時(shí)，晶體又會(huì)發(fā)生機(jī)械形變，這稱(chēng)為反壓電效應(yīng)。因此若在晶體兩端加交變電壓時(shí)，晶體就會(huì)發(fā)生周期性的振動(dòng)，同時(shí)由于電荷的周期變化，又會(huì)有交流電流流過(guò)晶體。由于晶體是有彈性的固體，對(duì)于某一種振動(dòng)方式，有一個(gè)機(jī)械的諧振頻率(

34、固有諧振頻率)。當(dāng)外加電信號(hào)頻率在此自然頻率附近時(shí)，就會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。它既表現(xiàn)為晶片的機(jī)械共振，又在電路上表現(xiàn)出電諧振。這時(shí)有很大的電流流過(guò)晶體，產(chǎn)生電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。晶片的諧振頻率與晶片的材料、幾何形狀、尺寸及振動(dòng)方式(取決于切片方式)有關(guān)，而且十分穩(wěn)定，其溫度系數(shù)(溫度變化 1時(shí)引起的固有諧振頻率相對(duì)變化量)均在 106或更高數(shù)量級(jí)上。實(shí)踐表明，溫度系數(shù)與振動(dòng)方式有關(guān)，某些切型的石英片(如GT和AT型)，其溫度系數(shù)在很寬范圍內(nèi)都趨近于零。而其它切型的石英片，只在某一特定溫度附近的小范圍內(nèi)才趨近于零，通常將這個(gè)特定的溫度稱(chēng)為拐點(diǎn)溫度。若將晶體置于恒溫槽內(nèi)，槽內(nèi)溫度就應(yīng)控制在此拐點(diǎn)溫度上。第

35、2章 高頻電路基礎(chǔ)用于高頻的晶體切片，其諧振時(shí)的電波長(zhǎng)0常與晶片厚度成正比，諧振頻率與厚度成反比。正如我們平常觀察到的某些機(jī)械振動(dòng)那樣(比如琴弦的振動(dòng))，對(duì)于一定形狀和尺寸的某一晶體，它既可以在某一基頻上諧振(此時(shí)沿某一方向分布 1/2 個(gè)機(jī)械波長(zhǎng))，也可以在高次諧波(諧頻或泛音)上諧振(此時(shí)沿同一方向分布 3/2、5/2、7/2 個(gè)機(jī)械波長(zhǎng))。通常把利用晶片基頻(音)共振的諧振器稱(chēng)為基頻(音)諧振器，頻率通常用 kHz表示。把利用晶片諧頻共振的諧振器稱(chēng)為泛音諧振器，頻率通常用 MHz表示。由于機(jī)械強(qiáng)度和加工的限制，目前，基音諧振頻率最高只能達(dá)到 25 MHz左右，泛音諧振頻率可達(dá) 250 M

36、Hz 以上。通常能利用的是 3、5、7 之類(lèi)的奇次泛音。同一尺寸晶片，泛音工作時(shí)的頻率比基頻工作時(shí)要高 3、5、7 倍。應(yīng)該指出，由于是機(jī)械諧振時(shí)的諧頻，它們的電諧振頻率之間并不是準(zhǔn)確的 3、5、7 次的整數(shù)關(guān)系。第2章 高頻電路基礎(chǔ)2. 等效電路及阻抗特性等效電路及阻抗特性圖 2-22 是石英晶體諧振器的等效電路。圖 2-22(a)是考慮基頻及各次泛音的等效電路，由于各諧波頻率相隔較遠(yuǎn)，互相影響很小，對(duì)于某一具體應(yīng)用(如工作于基頻或工作于泛音), 只需考慮此頻率附近的電路特性，因此可以用圖2-22(b)來(lái)等效。圖中，C0是晶體作為電介質(zhì)的靜電容，其數(shù)值一般為幾個(gè)皮法至幾十皮法。Lq、Cq、r

37、q是對(duì)應(yīng)于機(jī)械共振經(jīng)壓電轉(zhuǎn)換而呈現(xiàn)的電參數(shù)。rq是機(jī)械摩擦和空氣阻尼引起的損耗。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-22 晶體諧振器的等效電路(a) 包括泛音在內(nèi)的等效電路; (b) 諧振頻率附近的等效電路第2章 高頻電路基礎(chǔ)由圖 2-22(b)可看出，晶體諧振器是一串并聯(lián)的振蕩回路，其串聯(lián)諧振頻率fq和并聯(lián)諧振頻率f0分別為(2 - 42)(2 - 43)qqq21CLf 0qq0qqqq0q0q0112121CCfCCCLCCCCLf第2章 高頻電路基礎(chǔ)與通常的諧振回路比較，晶體的參數(shù)Lq和Cq與一般線(xiàn)圈電感L、電容元件C有很大不同?，F(xiàn)舉一例， 國(guó)產(chǎn)B45型1 MHz中等精度晶體的等效參數(shù)如下:

38、Lq=4.00 H Cq=0.0063 pF rq=100200 C0=23 pF由此可見(jiàn)，Lq很大，Cq很小。與同樣頻率的LC元件構(gòu)成的回路相比，Lq、Cq與L、C元件數(shù)值要相差 45 個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)也非常大，一般為幾萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)，這是普通LC電路無(wú)法比擬的。在上例中)000 250000 125(qqqqrLQ第2章 高頻電路基礎(chǔ)由于C0Cq，晶體諧振器的并聯(lián)諧振頻率f0與串聯(lián)諧振頻率fq相差很小。由式(2-43)，考慮Cq/C01，可得(2-44)上例中，Cq/C0=(0.0020.003)，相對(duì)頻率間隔僅千分之一二。0qq0211CCff0qqq021CCfff第

39、2章 高頻電路基礎(chǔ)此外，Cq/C01，也意味著圖 2-22(b)所示的等效電路的接入系數(shù)pCq/C0非常小。因此，晶體諧振器與外電路的耦合必然很弱。在實(shí)際電路中，晶體兩端并接有電容CL，在這種情況下，接入系數(shù)將變?yōu)閜Cq/(C0+CL)，相應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率f0將減小。顯然，CL越大，f0越靠近fq。通常將CL稱(chēng)為晶體的負(fù)載電容(一般基頻晶體規(guī)定CL為 30 pF 或 50 pF)，標(biāo)在晶體外殼的振蕩頻率或標(biāo)稱(chēng)頻率就是并接CL后測(cè)得的f0的值。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-22(b)所示的等效電路的阻抗的一般表示式為在忽略rq后，上式可化簡(jiǎn)為(2-45)由此式可得晶體諧振器的電抗特性如圖 2-23

40、 所示，要注意它是在忽略晶體電阻rq后得出的。由于晶體的Q值非常高，除了并聯(lián)諧振頻率附近外，此曲線(xiàn)與實(shí)際電抗曲線(xiàn)(即不忽略rq)很接近。0qqqqqq0e1j1j1j1jCCLrCLrCZ22022q0ee111jjCXZ第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-23 晶體諧振器的電抗曲線(xiàn)第2章 高頻電路基礎(chǔ)由圖可知，當(dāng)0時(shí)，晶體諧振器呈容性; 當(dāng)在q和0之間，晶體諧振器等效為一電感，而且為一數(shù)值巨大的非線(xiàn)性電感。由于Lq很大，即使在q處其電抗變化率也很大。這可由下面近似式得到 (2-46)比普通回路要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 必須指出，當(dāng)在q和0之間時(shí)，諧振器所呈現(xiàn)的等效電感并不等于石英晶體片本身的等效電感Lq。q

41、qqe21ddddqLCLX第2章 高頻電路基礎(chǔ)晶體諧振器與一般振蕩回路比較，有幾個(gè)明顯的特點(diǎn): (1) 晶體的諧振頻率fq和f0非常穩(wěn)定。這是因?yàn)長(zhǎng)q、Cq、C0由晶體尺寸決定，由于晶體的物理特性，它們受外界因素(如溫度、震動(dòng)等)影響小。(2) 晶體諧振器有非常高的品質(zhì)因數(shù)。一般很容易得到數(shù)值上萬(wàn)的Q值，而普通的線(xiàn)圈和回路Q(chēng)值只能到一二百。(3) 晶體諧振器的接入系數(shù)非常小，一般為 103數(shù)量級(jí)，甚至更小。(4) 晶體在工作頻率附近阻抗變化率大，有很高的并聯(lián)諧振阻抗。所有這些特點(diǎn)決定了晶體諧振器的頻率穩(wěn)定度比一般振蕩回路要高。第2章 高頻電路基礎(chǔ)3. 晶體諧振器的應(yīng)用晶體諧振器的應(yīng)用晶體諧振

42、器主要應(yīng)用于晶體振蕩器中。振蕩器的振蕩頻率決定于其中振蕩回路的頻率。在許多應(yīng)用中，要求振蕩頻率很穩(wěn)定。將晶體諧振器用作振蕩器的振蕩回路，就可以得到穩(wěn)定的工作頻率。這些在第4章正弦波振蕩器中將詳細(xì)研究。第2章 高頻電路基礎(chǔ)晶體諧振器的另一種應(yīng)用是用它作成高頻窄帶濾波器。圖 2-24 (a)是一種差接橋式晶體帶通濾波器的電路。圖 2-24(b)是濾波器的衰減特性。在圖 2-24(a)中，負(fù)載電阻RL與信號(hào)源處于橋路的兩對(duì)角線(xiàn)上。對(duì)于這種電路，根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)理論，當(dāng)晶體阻抗1與Z2異號(hào)時(shí)，濾波器處于通帶; Z1與Z2 同號(hào)時(shí)處于阻帶。由圖 2-23 的晶體電抗特性可知，濾波器的通帶只是在fq和f0 之

43、間，其余范圍為阻帶。衰減最大處對(duì)應(yīng)于電橋完全平衡，即Z1=Z2。由于晶體和電路中都有損耗，負(fù)載也不可能與濾波器完全匹配，實(shí)際晶體濾波器的通帶衰減并不為零。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-24 晶體濾波器的電路與衰減特性 (a) 濾波器電路; (b) 衰減特性第2章 高頻電路基礎(chǔ)晶體濾波器的特點(diǎn)是中心頻率很穩(wěn)定，帶寬很窄，阻帶內(nèi)有陡峭的衰減特性。晶體濾波器的通帶寬度只有千分之幾，在許多情況下限制了它的應(yīng)用。為了加寬濾波器的通帶寬度，就必須加寬石英晶體兩諧振頻率之間的寬度。這通?？梢杂猛饧与姼信c石英晶體串聯(lián)或并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)(這也是擴(kuò)大晶體振蕩器調(diào)頻頻偏的一種有效方法)。此外，若在圖2-24(a)電路

44、中，Z2 也用一晶體(即Z1、Z2都用晶體)，并使兩者的fq錯(cuò)開(kāi)，使一晶體的f0 與另一晶體的fq相等，可以將濾波器的通帶展寬一倍。第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.2.4 集中濾波器集中濾波器隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高增益、寬頻帶的高頻集成放大器和其它高頻處理模塊(如高頻乘法器、混頻器、調(diào)制解調(diào)器等)越來(lái)越多，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。與這些高頻集成放大器和高頻處理模塊配合使用的濾波器雖然可以用前面所討論的高頻調(diào)諧回路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但用集中濾波器作選頻電路已成為大勢(shì)所趨。采用集中選頻濾波器，不僅有利于電路和設(shè)備的微型化，便于大量生產(chǎn)，而且可以提高電路和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)性能。同時(shí)，也可以使電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化。

45、高頻電路中常用的集中選頻濾波器主要有LC式集中選頻濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器。早些年使用的機(jī)械濾波器現(xiàn)在已很少使用。LC式集中選擇濾波器實(shí)際上就是由多節(jié)調(diào)諧回路構(gòu)成的LC濾波器，在高性能電路中用得越來(lái)越少， 晶體濾波器在上面已討論過(guò)。下面主要討論陶瓷濾波器和聲表面波濾波器。第2章 高頻電路基礎(chǔ)1. 陶瓷濾波器陶瓷濾波器某些陶瓷材料(如常用的鋯鈦酸鉛Pb(ZrTi)O3)經(jīng)直流高壓電場(chǎng)給以極化后，可以得到類(lèi)似于石英晶體中的壓電效應(yīng)，這些陶瓷材料稱(chēng)為壓電陶瓷材料。陶瓷諧振器的等效電路也和晶體諧振器相同，其品質(zhì)因數(shù)較晶體小得多(約為數(shù)百)，但比LC濾波器的要高，串并聯(lián)頻率間隔也較

46、大。因此，陶瓷濾波器的通帶較晶體濾波器要寬，但選擇性稍差。由于陶瓷材料在自然界中比較豐富，因此，陶瓷濾波器相對(duì)較為便宜。第2章 高頻電路基礎(chǔ)簡(jiǎn)單的陶瓷濾波器是由單片壓電陶瓷形成雙電極或三電極，它們相當(dāng)于單振蕩回路或耦合回路。性能較好的陶瓷濾波器通常是將多個(gè)陶瓷諧振器接入梯形網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)成的。它是一種多極點(diǎn)的帶通(或帶阻)濾波器。單片陶瓷濾波器通常用在放大器射極電路中，取代旁路電容。圖 2-25 是一種兩端口的陶瓷濾波器的原理電路，圖(a)、(b)分別為兩個(gè)和五個(gè)諧振子連接成的四端陶瓷諧振器。諧振子數(shù)目越多，濾波器性能越好。由于陶瓷諧振器的Q值通常比電感元件高，所以， 濾波器的通帶內(nèi)衰減小而帶外衰減

47、大，矩形系數(shù)也較小。這類(lèi)濾波器通常都封裝成組件供應(yīng)。高頻陶瓷濾波器的工作頻率范圍約為幾兆赫茲至一百兆赫茲，相對(duì)帶寬為千分之幾至百分之十。圖中陶瓷濾波器的電路符號(hào)與晶體諧振器的相同。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-25 陶瓷濾波器電路第2章 高頻電路基礎(chǔ)2. 聲表面波濾波器聲表面波濾波器近 20 年來(lái)，一種稱(chēng)為聲表面波(Surface Acoustic Wave縮寫(xiě)為SAW)的器件得到了廣泛的應(yīng)用，它是沿表面?zhèn)鞑C(jī)械振動(dòng)波的彈性固體器件。所謂SAW，是在壓電固體材料表面產(chǎn)生并傳播彈性波， 其振幅隨深入固體材料的深度而迅速減小。與沿固體介質(zhì)內(nèi)部傳播的體聲波(BAW)比較，SAW有兩個(gè)顯著特點(diǎn) 一是能量

48、密度高，其中約 90% 的能量集中于厚度等于一個(gè)波長(zhǎng)的表面薄層中; 二是傳播速度慢，約為縱波速度的45%，是橫波速度的90%。在多數(shù)情況下，SAW的傳播速度為 30005000 m/s。根據(jù)這兩個(gè)特性，人們不僅可以研制出功能不同的SAW器件，例如，通過(guò)機(jī)電耦合，可以作成電的濾波器和延遲線(xiàn)，也可以做成各種信號(hào)處理器，如匹配濾波器(對(duì)某種高頻已調(diào)信號(hào)的匹配)、信號(hào)相關(guān)器和卷積器等。如果與有源器件結(jié)合，還可以作成聲表面波振蕩器和聲表面波放大器等。這些SAW器件體積小、 重量輕，性能穩(wěn)定可靠。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-26(a)是聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。在某些具有壓電效應(yīng)材料(常用有石英晶體、鋯

49、鈦酸鉛PZT陶瓷、鈮酸鋰LiNbO3等)的基片上，制作一些對(duì)(叉)指形電極作換能器，稱(chēng)為叉指換能器(IDT)。當(dāng)對(duì)指形兩端加有高頻信號(hào)時(shí)，通過(guò)壓電效應(yīng)，在基片表面激起同頻率的聲表面波，并沿軸線(xiàn)方向傳播。除一端被吸收材料吸收外，另一端的換能器將它變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-26 聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)和幅頻特性 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 均勻?qū)χ傅姆l特性第2章 高頻電路基礎(chǔ)SAW濾波器的原理可以說(shuō)明如下: 聲波在固體介質(zhì)中傳播的速度大約為光速的十萬(wàn)分之一，因此，同樣頻率的信號(hào)以聲波傳播時(shí)，其波長(zhǎng)為自由空間電波長(zhǎng)的十萬(wàn)分之一。比如f=30 MHz、0=10 m的信號(hào)，其聲波波長(zhǎng)

50、僅約 0.1 mm。當(dāng)對(duì)指形電極的間距(圖上d)為聲波長(zhǎng)的二分之一時(shí)，相鄰對(duì)指激起的聲波將在另一端同相相加，這是因?yàn)橄噜徶搁g的電場(chǎng)方向相反(相位差 180) ，而傳播延遲了半個(gè)波長(zhǎng)，又會(huì)產(chǎn)生180相移。在偏離中心頻率的另一頻率上，則由于傳播引起的相移差(指兩個(gè)對(duì)指產(chǎn)生的波)，多個(gè)對(duì)指在輸出端的合成信號(hào)互相抵消，這樣就產(chǎn)生了頻率選擇作用。這種濾波器屬于多抽頭延遲線(xiàn)構(gòu)成的濾波器，又稱(chēng)橫向?yàn)V波器。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)自由度大，但當(dāng)要求通頻帶寬與中心頻率之比較小和通頻帶寬與衰減帶寬之比較大時(shí)，則需要較多的電極條數(shù)，難以實(shí)現(xiàn)小型化。同時(shí)，由于SAW是雙向傳播的，在輸入/輸出IDT電極上分別產(chǎn)生1/2的損

51、耗，對(duì)降低損耗是不利的。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-26(a)中的聲表面波濾波器的傳輸函數(shù)為(2-47)式中，x0為兩換能器的中心距離，v為聲波傳播速度，N+1 為換能器叉指的個(gè)數(shù)(N為奇數(shù))，0為中心(角)頻率，幅頻特性為 (2-48)對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線(xiàn)如圖 2-26(b)所示。000 sin2(j )expj sin2NHx2200 sin2(j ) sin2NH第2章 高頻電路基礎(chǔ)由式(2-48)和圖 2-26(b)可以看出，N越大，頻帶就越窄。在聲表面波器件中，由于結(jié)構(gòu)和其它方面限制，N不能做得太大，因而濾波器的帶寬不能做得很窄。在聲表面波濾波器中，如果不采用上述均勻?qū)χ笓Q能器，而采用

52、指長(zhǎng)、寬度或者間隔變化的非均勻換能器，也就是對(duì)圖 2-26(a)中的a、b進(jìn)行加權(quán)，則可以得到幅頻特性更好(如更接近矩形)，或者滿(mǎn)足特殊幅頻特性要求的濾波器，后者如電視接收機(jī)的中頻濾波器。從式(2-47)中的相位因子可以看出，聲表面波濾波器還具有線(xiàn)性的相位頻率特性，即各頻率分量的延時(shí)相同，這在某些要求信號(hào)波形失真小的場(chǎng)合(如傳輸電視信號(hào))是很有用的。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)聲表面波器件有如下主要特性: (1) 工作頻率范圍寬，可以從幾兆赫茲到幾千兆赫茲。對(duì)于SAW器件，當(dāng)壓電基材選定之后，其工作頻率則由IDT指條寬度決定，IDT指條愈窄，頻率則愈高。利用目前較普通的 0.5 m級(jí)的半導(dǎo)體工藝，可

53、以制作出約 1500 MHz的SAW濾波器；利用 0.35 m級(jí)的光刻工藝，能制作出 2 GHz的器件，借助于 0.18 m級(jí)的精細(xì)加工技術(shù)，可以制作出3 GHz 的SAW器件。第2章 高頻電路基礎(chǔ)(2) 相對(duì)帶寬也比較寬，一般的橫向?yàn)V波器其帶寬可以從百分之幾到百分之幾十(大的可以到百分之四五十)。若采用梯型結(jié)構(gòu)的諧振式濾波器IDT或縱向型濾波器結(jié)構(gòu)，其帶寬還可以更寬。(3) 便于器件微型化和片式化。SAW器件的IDT電極條寬通常是按照SAW波長(zhǎng)的1/4來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。對(duì)于工作在 1 GHz下的器件，若設(shè)SAW的傳播速度是 4000 m/s，波長(zhǎng)則僅為 4 m(1/4 波長(zhǎng)是 1 m)，在 0.

54、4 mm的距離中能夠容納 100 條 1 m寬的電極。故SAW器件芯片可以做得非常小，便于實(shí)現(xiàn)微型化。 為了實(shí)現(xiàn)片式化，其封裝形式已由傳統(tǒng)的圓形金屬殼封裝改為方形或長(zhǎng)方形扁平金屬或LCC表面貼裝款式，并且尺寸不斷縮小。第2章 高頻電路基礎(chǔ)(4) 帶內(nèi)插入衰減較大。這是SAW器件的最突出問(wèn)題，一般不低于 15 dB。但是通過(guò)開(kāi)發(fā)高性能的壓電材料和改進(jìn)IDT設(shè)計(jì)(如單方向性的IDT或方向性變換器)，可以使器件的插入損耗降低到 4 dB以下甚至更低(如 1 dB左右)。(5) 矩形系數(shù)可做到 1.12。與其它濾波器比較，它的主要特點(diǎn)是: 頻率特性好，性能穩(wěn)定，體積小，設(shè)計(jì)靈活，可靠性高，制造簡(jiǎn)單且重

55、復(fù)性好，適合于大批生產(chǎn)。目前已廣泛用于通信接收機(jī)、電視接收機(jī)和其它無(wú)線(xiàn)電設(shè)備中，圖 2-27就是一用于通信機(jī)的聲表面波濾波器的傳輸恃性，可見(jiàn)其特性幾乎接近矩形。其矩形系數(shù)(圖上40 dB與3 dB帶寬之比)可小到 1.1。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-27 一種用于通信機(jī)中的聲表面波濾波器特性第2章 高頻電路基礎(chǔ)3. 薄膜體聲薄膜體聲(FBAR)濾波器濾波器隨著通信頻率的提高， 表面聲波濾波器中叉指換能器的間距受到制造工藝線(xiàn)寬的限制， 在高頻上會(huì)遇到瓶頸，而低溫共燒陶瓷又無(wú)法與半導(dǎo)體制造工藝兼容， 因此， Agilent公司于2000年開(kāi)發(fā)出一項(xiàng)新型電聲諧振技術(shù)薄膜體聲諧振器FBAR(Film

56、Bulk Acoustic Resonator)。它具有聲波濾波器的優(yōu)點(diǎn)， 而且完全采用半導(dǎo)體制造工藝制作， 且因其濾波的原理取決于薄膜厚度(并非線(xiàn)寬)， 所以更易達(dá)到高頻的應(yīng)用。同時(shí)， 體聲波濾波組件具有插入損失低、體積小(Agilent公司做出的FBAR濾波器比SAW濾波器體積縮小了20%)、承受功率高、整合兼容性高等優(yōu)點(diǎn)， 因此， 被廣泛用來(lái)做為現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的主要頻率整形器件(如濾波器、雙工器和振蕩器或VCO中的諧振器)等。第2章 高頻電路基礎(chǔ)薄膜體聲波組件是利用壓電薄膜電磁能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的機(jī)制來(lái)達(dá)到諧振器功能的， 薄膜的耦合系數(shù)、聲速、膜厚等參數(shù)決定著Q值、帶寬、中心頻率等參

57、數(shù)。目前FBAR的結(jié)構(gòu)以SMR(Solidly Mounted Resonator)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單， 且與目前半導(dǎo)體制造工藝兼容性好， 因此極具發(fā)展?jié)摿?。FBAR分為四部分: (1) “薄膜”。使用薄膜半導(dǎo)體工藝建立空氣中的金屬-氮化鋁-金屬夾層， 從而構(gòu)成FBAR諧振器。(2) 諧振發(fā)生在材料的“體”內(nèi)。當(dāng)交變電勢(shì)作用在夾層上時(shí)， 整個(gè)氮化鋁層膨脹、收縮， 產(chǎn)生振動(dòng)。(3) 由振動(dòng)膜(“聲”部分)產(chǎn)生高Q值的機(jī)械(聲)共振。(4) 把壓電耦合用于聲諧振的獲得， 以形成電諧振器。第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.2.5 高頻衰減器高頻衰減器普通的電阻器對(duì)電信號(hào)都有一定的衰減作用，利用電阻網(wǎng)絡(luò)可以制成衰減器

58、(Attenuator)和具有一定衰減的匹配器組件。在高頻電路中，器件的終端阻抗和線(xiàn)路的匹配阻抗通常有 50 和 75 兩種。利用高頻衰減器可以調(diào)整信號(hào)傳輸通路上的信號(hào)電平。高頻衰減器分為高頻固定衰減器和高頻可變(調(diào))衰減器兩種。除了微波衰減器可以用其它形式構(gòu)成外，高頻衰減器通常都用電阻性網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)關(guān)電路或PIN二極管等實(shí)現(xiàn)。第2章 高頻電路基礎(chǔ)構(gòu)成高頻固定衰減器的電阻性網(wǎng)絡(luò)的形式很多，如T型、型、O型、L型、U型、橋T型等，其中，選定的固定電阻的數(shù)值可由專(zhuān)門(mén)公式計(jì)算得到。由T型和型網(wǎng)絡(luò)(圖2-28)實(shí)現(xiàn)的固定衰減器的衰減量與固定電阻值見(jiàn)表2-1，表中列出了50 和 75 兩種線(xiàn)路阻抗時(shí)的情況。

59、第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-28 T型和型網(wǎng)絡(luò) 第2章 高頻電路基礎(chǔ)第2章 高頻電路基礎(chǔ)第2章 高頻電路基礎(chǔ)將固定衰減器中的固定電阻換成可變電阻，或者用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)就可以構(gòu)成可變衰減器。也可以用PIN二極管電路來(lái)實(shí)現(xiàn)可變衰減。這種用外部電信號(hào)來(lái)控制衰減量大小的可變衰減器又稱(chēng)為電調(diào)衰減器。電調(diào)衰減器被廣泛應(yīng)用在功率控制、自動(dòng)電平控制(ALC)或自動(dòng)增益控制電路中。第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.3 阻抗變換與阻抗匹配阻抗變換與阻抗匹配在高頻電子線(xiàn)路中， 經(jīng)常要在信號(hào)源或單元電路的輸出與負(fù)載之間、相級(jí)聯(lián)的兩個(gè)組件或單元電路之間進(jìn)行阻抗變換。阻抗變換的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)阻抗匹配， 阻抗匹配時(shí)負(fù)載可以得到最大傳輸功率，

60、濾波器達(dá)到最佳性能， 接收機(jī)的靈敏度得以改善， 發(fā)射機(jī)的效率得以提高。第2章 高頻電路基礎(chǔ)阻抗匹配實(shí)際上是復(fù)阻抗匹配(共軛匹配)， 包括電阻匹配和電抗匹配。通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)電感或電容可將復(fù)阻抗變?yōu)閷?shí)阻抗(電阻或電導(dǎo))， 實(shí)阻抗之間的匹配可通過(guò)集中參數(shù)阻抗變換和分布參數(shù)阻抗變換方法實(shí)現(xiàn)。本書(shū)只討論集中參數(shù)的阻抗變換。集中參數(shù)阻抗變換有電抗元件組成的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)和變壓器或電阻網(wǎng)絡(luò)組成的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。對(duì)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的要求主要是阻抗變換， 同時(shí)希望無(wú)損耗或者損耗盡可能低， 因此， 阻抗變換網(wǎng)絡(luò)一般采用電抗元件實(shí)現(xiàn)。對(duì)于采用電抗元件實(shí)現(xiàn)的窄帶阻抗變換網(wǎng)絡(luò)， 在完成阻抗變換的同時(shí)還有一定的濾波能力。對(duì)電阻性