高頻電路原理與分析-曾興雯課件

第1章緒論

1.1無線通信系統(tǒng)概述1.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制1.3本課程的特點(diǎn)思考題與習(xí)題第1章緒論1.1無線通信系統(tǒng)概述11.1無線通信系統(tǒng)概述

高頻電路是通信系統(tǒng),特別是無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ),是無線通信設(shè)備的重要組成部分。

1.1.1無線通信系統(tǒng)的組成

無線通信(或稱無線電通信)的類型很多,可以根據(jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類。不同的無線通信系統(tǒng),其設(shè)備組成和復(fù)雜度雖然有較大差異,但它們的基本組成不變,圖1——1是無線通信系統(tǒng)基本組成的方框圖。圖中虛線以上部分為發(fā)送設(shè)備（發(fā)信機(jī)）,虛線以下部分為接收設(shè)備（收信機(jī)）,天線及天線開關(guān)為收發(fā)共用設(shè)備。信道為自由空間。話筒和揚(yáng)聲器屬于通信的終端設(shè)備,分別為信源和信宿。1.1無線通信系統(tǒng)概述高頻電路2

圖1—1無線通信系統(tǒng)的基本組成圖1—1無線通信系統(tǒng)3超外差接收機(jī)的主要特點(diǎn)就是由頻率固定的中頻放大器來完成對(duì)接收信號(hào)的選擇和放大。當(dāng)信號(hào)頻率改變時(shí),只要相應(yīng)地改變本地振蕩信號(hào)頻率即可。由上面的例子可以總結(jié)出無線通信系統(tǒng)的基本組成,從中也可看出高頻電路的基本內(nèi)容應(yīng)該包括:（1）高頻振蕩器（2）放大器（3）混頻或變頻（4）調(diào)制與解調(diào)超外差接收機(jī)的主要特點(diǎn)就是由頻率固定4

1.1.2無線通信系統(tǒng)的類型

按照無線通信系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的不同特性,有以下一些類型:（1）按照工作頻段或傳輸手段分類,有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。所謂工作頻率,主要指發(fā)射與接收的射頻（RF）頻率。射頻實(shí)際上就是“高頻”的廣義語,它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。無線通信的一個(gè)發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。（2）按照通信方式來分類,主要有（全）雙工、半雙工和單工方式。（3）按照調(diào)制方式的不同來劃分,有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。1.1.2無線通信系統(tǒng)的類型5（4）按照傳送的消息的類型分類,有模擬通信和數(shù)字通信,也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。各種不同類型的通信系統(tǒng),其系統(tǒng)組成和設(shè)備的復(fù)雜程度都有很大不同。但是組成設(shè)備的基本電路及其原理都是相同的,遵從同樣的規(guī)律。本書將以模擬通信為重點(diǎn)來研究這些基本電路,認(rèn)識(shí)其規(guī)律。這些電路和規(guī)律完全可以推廣應(yīng)用到其它類型的通信系統(tǒng)。

（4）按照傳送的消息的類型分類,有模61.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制

在高頻電路中,我們要處理的無線電信號(hào)主要有三種:基帶（消息）信號(hào)、高頻載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)。所謂基帶信號(hào),就是沒有進(jìn)行調(diào)制之前的原始信號(hào),也稱調(diào)制信號(hào)。1.時(shí)間特性一個(gè)無線電信號(hào),可以將它表示為電壓或電流的時(shí)間函數(shù),通常用時(shí)域波形或數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述。無線電信號(hào)的時(shí)間特性就是信號(hào)隨時(shí)間變化快慢的特性。1.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制在高頻7信號(hào)的時(shí)間特性要求傳輸該信號(hào)的電路的時(shí)間特性（如時(shí)間常數(shù)）與之相適應(yīng)。

2.頻譜特性對(duì)于較復(fù)雜的信號(hào)（如話音信號(hào)、圖像信號(hào)等）,用頻譜分析法表示較為方便。

圖1—2信號(hào)分解

信號(hào)的時(shí)間特性要求傳輸該信號(hào)的電路的時(shí)間特性（如8對(duì)于周期性信號(hào),可以表示為許多離散的頻率分量（各分量間成諧頻關(guān)系）,例如圖1—3即為圖1—2所示信號(hào)的頻譜圖;對(duì)于非周期性信號(hào),可以用傅里葉變換的方法分解為連續(xù)譜,信號(hào)為連續(xù)譜的積分。頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分,它們分別反映信號(hào)中各個(gè)頻率分量的振幅和相位的分布情況。任何信號(hào)都會(huì)占據(jù)一定的帶寬。從頻譜特性上看,帶寬就是信號(hào)能量主要部分（一般為90%以上）所占據(jù)的頻率范圍或頻帶寬度。

圖1—3頻譜圖對(duì)于周期性信號(hào),可以表示為許多離散9

3.頻率特性任何信號(hào)都具有一定的頻率或波長(zhǎng)。我們這里所講的頻率特性就是無線電信號(hào)的頻率或波長(zhǎng)。電磁波輻射的波譜很寬,如圖1—4所示。無線電波只是一種波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的電磁波,占據(jù)的頻率范圍很廣。在自由空間中,波長(zhǎng)與頻率存在以下關(guān)系:

c=fλ（1—1）

3.頻率特性10圖1—4電磁波波譜

圖1—4電磁波波譜11高頻電路原理與分析-曾興雯課件12式中:c為光速,f和λ分別為無線電波的頻率和波長(zhǎng),因此,無線電波也可以認(rèn)為是一種頻率相對(duì)較低的電磁波。對(duì)頻率或波長(zhǎng)進(jìn)行分段,分別稱為頻段或波段。不同頻段信號(hào)的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同,傳播的能力和方式也不同,因而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。

應(yīng)當(dāng)指出,不同頻段的信號(hào)具有不同的分析與實(shí)現(xiàn)方法,對(duì)于米波以上（含米波,λ≥1m）的信號(hào)通常用集總（中）參數(shù)的方法來分析與實(shí)現(xiàn),而對(duì)于米波以下（λ<1m）的信號(hào)一般應(yīng)用分布參數(shù)的方法來分析與實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然,這也是相對(duì)的。式中:c為光速,f和λ分別為無13

4.傳播特性

傳播特性指的是無線電信號(hào)的傳播方式、傳播距離、傳播特點(diǎn)等。無線電信號(hào)的傳播特性主要根據(jù)其所處的頻段或波段來區(qū)分。電磁波從發(fā)射天線輻射出去后,不僅電波的能量會(huì)擴(kuò)散,接收機(jī)只能收到其中極小的一部分,而且在傳播過程中,電波的能量會(huì)被地面、建筑物或高空的電離層吸收或反射,或者在大氣層中產(chǎn)生折射或散射等現(xiàn)象,從而造成到達(dá)接收機(jī)時(shí)的強(qiáng)度大大衰減。根據(jù)無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)象,電波的傳播方式主要有直射（視距）傳播、繞射（地波）傳播、折射和反射（天波）傳播及散射傳播等,如圖1—5所示。決定傳播方式和傳播特點(diǎn)的關(guān)鍵因素是無線電信號(hào)的頻率。4.傳播特性14

圖1—5無線電波的主要傳播方式（a）直射傳播;（b）地波傳播;（c）天波傳播;（d）散射傳播圖1—5無線15

5.調(diào)制特性無線電傳播一般都要采用高頻（射頻）的另一個(gè)原因就是高頻適于天線輻射和無線傳播。只有當(dāng)天線的尺寸到可以與信號(hào)波長(zhǎng)相比擬時(shí),天線的輻射效率才會(huì)較高,從而以較小的信號(hào)功率傳播較遠(yuǎn)的距離,接收天線也才能有效地接收信號(hào)。所謂調(diào)制,就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的參數(shù),使載波信號(hào)的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)（振幅、頻率或相位）按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。根據(jù)載波受調(diào)制參數(shù)的不同,調(diào)制分為三種基本方式,它們是振幅調(diào)制（調(diào)幅）、頻率調(diào)制（調(diào)頻）、相位調(diào)制（調(diào)相）,分別用AM、FM、PM表示，還可以有組合調(diào)制方式。5.調(diào)制特性161.3本課程的特點(diǎn)

高頻電子線路是在科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)展起來的,也只有通過實(shí)踐才能得到深入的了解。因此,在學(xué)習(xí)本課程時(shí)必須要高度重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際,在實(shí)踐中積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA技術(shù)）的發(fā)展,越來越多的高頻電子線路可以采用EDA軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真分析和電路板制作,甚至可以做電磁兼容的分析和實(shí)際環(huán)境下的仿真。因此,掌握先進(jìn)的高頻電路EDA技術(shù),也是學(xué)習(xí)高頻電子線路的一個(gè)重要內(nèi)容。1.3本課程的特點(diǎn)高頻電子線路17思考題與習(xí)題

1.畫出無線通信收發(fā)信機(jī)的原理框圖,并說出各部分的功用。2無線通信為什么要用高頻信號(hào)？“高頻”信號(hào)指的是什么？3無線通信為什么要進(jìn)行調(diào)制？如何進(jìn)行調(diào)制？4無線電信號(hào)的頻段或波段是如何劃分的？各個(gè)頻段的傳播特性和應(yīng)用情況如何？

思考題與習(xí)題

1.畫出無線通信收18第1章緒論

1.1無線通信系統(tǒng)概述1.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制1.3本課程的特點(diǎn)思考題與習(xí)題第1章緒論1.1無線通信系統(tǒng)概述191.1無線通信系統(tǒng)概述

高頻電路是通信系統(tǒng),特別是無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ),是無線通信設(shè)備的重要組成部分。

1.1.1無線通信系統(tǒng)的組成

無線通信(或稱無線電通信)的類型很多,可以根據(jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類。不同的無線通信系統(tǒng),其設(shè)備組成和復(fù)雜度雖然有較大差異,但它們的基本組成不變,圖1——1是無線通信系統(tǒng)基本組成的方框圖。圖中虛線以上部分為發(fā)送設(shè)備（發(fā)信機(jī)）,虛線以下部分為接收設(shè)備（收信機(jī)）,天線及天線開關(guān)為收發(fā)共用設(shè)備。信道為自由空間。話筒和揚(yáng)聲器屬于通信的終端設(shè)備,分別為信源和信宿。1.1無線通信系統(tǒng)概述高頻電路20

圖1—1無線通信系統(tǒng)的基本組成圖1—1無線通信系統(tǒng)21超外差接收機(jī)的主要特點(diǎn)就是由頻率固定的中頻放大器來完成對(duì)接收信號(hào)的選擇和放大。當(dāng)信號(hào)頻率改變時(shí),只要相應(yīng)地改變本地振蕩信號(hào)頻率即可。由上面的例子可以總結(jié)出無線通信系統(tǒng)的基本組成,從中也可看出高頻電路的基本內(nèi)容應(yīng)該包括:（1）高頻振蕩器（2）放大器（3）混頻或變頻（4）調(diào)制與解調(diào)超外差接收機(jī)的主要特點(diǎn)就是由頻率固定22

1.1.2無線通信系統(tǒng)的類型

按照無線通信系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的不同特性,有以下一些類型:（1）按照工作頻段或傳輸手段分類,有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。所謂工作頻率,主要指發(fā)射與接收的射頻（RF）頻率。射頻實(shí)際上就是“高頻”的廣義語,它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。無線通信的一個(gè)發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。（2）按照通信方式來分類,主要有（全）雙工、半雙工和單工方式。（3）按照調(diào)制方式的不同來劃分,有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。1.1.2無線通信系統(tǒng)的類型23（4）按照傳送的消息的類型分類,有模擬通信和數(shù)字通信,也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。各種不同類型的通信系統(tǒng),其系統(tǒng)組成和設(shè)備的復(fù)雜程度都有很大不同。但是組成設(shè)備的基本電路及其原理都是相同的,遵從同樣的規(guī)律。本書將以模擬通信為重點(diǎn)來研究這些基本電路,認(rèn)識(shí)其規(guī)律。這些電路和規(guī)律完全可以推廣應(yīng)用到其它類型的通信系統(tǒng)。

（4）按照傳送的消息的類型分類,有模241.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制

在高頻電路中,我們要處理的無線電信號(hào)主要有三種:基帶（消息）信號(hào)、高頻載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)。所謂基帶信號(hào),就是沒有進(jìn)行調(diào)制之前的原始信號(hào),也稱調(diào)制信號(hào)。1.時(shí)間特性一個(gè)無線電信號(hào),可以將它表示為電壓或電流的時(shí)間函數(shù),通常用時(shí)域波形或數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述。無線電信號(hào)的時(shí)間特性就是信號(hào)隨時(shí)間變化快慢的特性。1.2信號(hào)、頻譜與調(diào)制在高頻25信號(hào)的時(shí)間特性要求傳輸該信號(hào)的電路的時(shí)間特性（如時(shí)間常數(shù)）與之相適應(yīng)。

2.頻譜特性對(duì)于較復(fù)雜的信號(hào)（如話音信號(hào)、圖像信號(hào)等）,用頻譜分析法表示較為方便。

圖1—2信號(hào)分解

信號(hào)的時(shí)間特性要求傳輸該信號(hào)的電路的時(shí)間特性（如26對(duì)于周期性信號(hào),可以表示為許多離散的頻率分量（各分量間成諧頻關(guān)系）,例如圖1—3即為圖1—2所示信號(hào)的頻譜圖;對(duì)于非周期性信號(hào),可以用傅里葉變換的方法分解為連續(xù)譜,信號(hào)為連續(xù)譜的積分。頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分,它們分別反映信號(hào)中各個(gè)頻率分量的振幅和相位的分布情況。任何信號(hào)都會(huì)占據(jù)一定的帶寬。從頻譜特性上看,帶寬就是信號(hào)能量主要部分（一般為90%以上）所占據(jù)的頻率范圍或頻帶寬度。

圖1—3頻譜圖對(duì)于周期性信號(hào),可以表示為許多離散27

3.頻率特性任何信號(hào)都具有一定的頻率或波長(zhǎng)。我們這里所講的頻率特性就是無線電信號(hào)的頻率或波長(zhǎng)。電磁波輻射的波譜很寬,如圖1—4所示。無線電波只是一種波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的電磁波,占據(jù)的頻率范圍很廣。在自由空間中,波長(zhǎng)與頻率存在以下關(guān)系:

c=fλ（1—1）

3.頻率特性28圖1—4電磁波波譜

圖1—4電磁波波譜29高頻電路原理與分析-曾興雯課件30式中:c為光速,f和λ分別為無線電波的頻率和波長(zhǎng),因此,無線電波也可以認(rèn)為是一種頻率相對(duì)較低的電磁波。對(duì)頻率或波長(zhǎng)進(jìn)行分段,分別稱為頻段或波段。不同頻段信號(hào)的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同,傳播的能力和方式也不同,因而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。

應(yīng)當(dāng)指出,不同頻段的信號(hào)具有不同的分析與實(shí)現(xiàn)方法,對(duì)于米波以上（含米波,λ≥1m）的信號(hào)通常用集總（中）參數(shù)的方法來分析與實(shí)現(xiàn),而對(duì)于米波以下（λ<1m）的信號(hào)一般應(yīng)用分布參數(shù)的方法來分析與實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然,這也是相對(duì)的。式中:c為光速,f和λ分別為無31

4.傳播特性

傳播特性指的是無線電信號(hào)的傳播方式、傳播距離、傳播特點(diǎn)等。無線電信號(hào)的傳播特性主要根據(jù)其所處的頻段或波段來區(qū)分。電磁波從發(fā)射天線輻射出去后,不僅電波的能量會(huì)擴(kuò)散,接收機(jī)只能收到其中極小的一部分,而且在傳播過程中,電波的能量會(huì)被地面、建筑物或高空的電離層吸收或反射,或者在大氣層中產(chǎn)生折射或散射等現(xiàn)象,從而造成到達(dá)接收機(jī)時(shí)的強(qiáng)度大大衰減。根據(jù)無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)象,電波的傳播方式主要有直射（視距）傳播、繞射（地波）傳播、折射和反射（天波）傳播及散射傳播等,如圖1—5所示。決定傳播方式和傳播特點(diǎn)的關(guān)鍵因素是無線電信號(hào)的頻率。4.傳播特性32

圖1—5無線電波的主要傳播方式（a）直射傳播;（b）地波傳播;（c）天波傳播;（d）散射傳播圖1—5無線33

5.調(diào)制特性無線電