高頻電路原理與分析精品課件第1章

2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院1高頻電路原理與分析山東農業(yè)大學信息學院2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院2選用教材：《高頻電路原理與分析（第四版）》，曾興雯等，西安電子科技大學出版社，2006參考書《電子線路（非線性部分）》，謝嘉奎等，高等教育出版社，2000《高頻電子線路》，張肅文高等教育出版社，2004《高頻電子線路》，楊霓清，機械工業(yè)出版社，2007《高頻電子線路（第二版）》，高吉祥，電子工業(yè)出版社，2007《通信電路原理》，董在望，高等教育出版社，20022023/1/31山東農業(yè)大學信息學院3課程目的：

高頻電子線路是電子、通信類各專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎課，課程目的是通過對高頻條件下電子元器件和特性參數的再認識，以及對選頻傳輸網絡、高頻小信號諧振放大、高頻諧振功率放大、非線性器件的應用、信號的調制與解調、頻譜變換技術和鎖相環(huán)技術等的教學，使學生掌握基本的高頻電路（非線性電子線路或通信電子線路）特點、結構、原理和分析方法，為后續(xù)專業(yè)課程打下必要的基礎。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院4HX108-2七管半導體收音機

原理圖

0.18~0.22mA0.4~0.8mA1~2mA3~5mA4~10mAC15100μV69013HC11223R111K+B7B6R1051KC14100μR12220+B5V59014V49018HV39018HR662KB4V29018HR420KB3C13223R1324KB2R1100KD1

~D2IN4148V19018HR3100C1AR81KC1BC2223C3103R22KC1

CBM223PC44.7μC5223C6223C7223R751C8223C9223R9680++C104.7μW5KD3IN4148C12223V79013HKY8ΩDC3V紅黃白黑B1R51502023/1/31山東農業(yè)大學信息學院5HX108

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2裝配圖2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院6先修課程：《高等數學》、《電路基礎》、《低頻電子線路》電路分類2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院7教學內容第1章緒論第2章高頻電路基礎第3章高頻諧振放大器第4章正弦波振蕩器第5章頻譜的線性搬移電路第6章振幅調制、解調與混頻第7章頻率調制與解調第8章反饋控制電路第9章高頻電路的集成化與EDA學時安排授課學時：54學時實驗學時：18學時2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院8《高頻電路原理與分析》課程所涉及的相關理論、技術在通信工程中的具體應用舉例：

頻譜資源的分配、管理、開發(fā)與應用。（頻分復用、時分復用等）信號的頻譜搬移及頻譜(結構)變換。（調制、解調及變頻應用）無線電信號發(fā)送與接收。（高頻諧振功率放大與弱小信號的選擇放大）擴頻通信技術(SpreadSpectrumCommunicationTechnology包括數字調制與解調應用）2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院9考核方式平時成績：<=30%考試成績：>=70%2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院10第1章緒論1.1無線通信系統(tǒng)概述1.2信號、頻譜與調制

1.3本課程的特點思考題與習題2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院111.1無線通信系統(tǒng)概述1.1.1無線通信系統(tǒng)的組成典型的無線通信系統(tǒng)基本組成方框圖發(fā)信機收信機2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院12話筒和揚聲器屬于通信的終端設備，分別為信源和信宿。音頻放大器分別是為放大話筒輸出信號和推動揚聲器工作而設置的，屬低頻部件，本書不討論。調制：低頻→高頻；改變信號的某個參數。解調（檢波）：高頻→低頻(調制的逆過程)。變頻：已調制信號的頻率若不夠高，可根據需要進行倍頻或上混(變)頻；若幅度不夠，可根據需要進行若干級(通常有預放、激勵和輸出三級)放大，經天線輻射出去。接收機一般都采用超外差的形式，在通過高頻選頻放大(初步的選擇放大并抑制其它無用信號)后進行下混(變)頻，取出中頻后再進行中頻放大(主選擇放大，具有較大的放大增益和較強的濾波能力)和其它處理，然后進行解調。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院13發(fā)送設備主要完成調制、上變頻、功率放大和濾波等功能。發(fā)送設備存在的兩種變換：將信源產生的原始信息變換成電信號，該信號的頻譜通?？拷泐l附近，屬于低頻信號，稱為基帶(Baseband)信號；

調制(Modulating)，是將基帶信號變換成適合在信道中傳輸的信號形式(一般為射頻或高頻的帶通信號)。調制后的信號稱為已調信號(ModulatedSignal)，調制之前的基帶信號也可稱為調制信號(ModulatingSignal)。調制時還需要一個高頻振蕩信號，稱為載波(Carrier)，它可由高頻振蕩器(Oscillator)或頻率合成器(FrequencySynthesizer)產生。載波通常為單一頻率的正弦信號或脈沖信號。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院14接收設備的任務主要是有選擇地放大空中微弱電磁信號(同時要盡可能保證信息的質量)，并恢復有用信息。在接收設備中有相應的兩種反變換。將接收到的已調信號變換(恢復)為基帶信號的過程稱為解調(Demodulating)，把實現解調的部件稱為解調器(Demodulator)。解調時一般也需要一個本地的高頻振蕩信號，稱為恢復載波(或插入載波)。有時將收發(fā)設備中的調制器和解調器合稱為調制解調器(Modem)。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院15返回2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院16

第一章緒論返回2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院17

第一章緒論返回2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院18由上面的例子可以總結出無線通信系統(tǒng)的基本組成，從中也可看出高頻電路的基本內容應該包括:

(1)高頻振蕩器(信號源、載波信號或本地振蕩信號)；

(2)放大器(高頻小信號放大器及高頻功率放大器)；

(3)混頻或變頻(高頻信號變換或處理)；

(4)調制與解調(高頻信號變換或處理)。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院19在無線通信系統(tǒng)中通常需要某些反饋控制電路，這些反饋控制電路主要是自動增益控制(AGC)或自動電平控制(ALC)電路，自動頻率控制(AFC)電路和自動相位控制(APC)電路(也稱鎖相環(huán)PLL)。

此外，還要考慮高頻電路中所用的元件、器件和組件，以及信道或接收機中的干擾與噪聲問題。需要說明的是，雖然許多通信設備可以用集成電路(IC)來實現，但是上述的單元電路通常都是由有源的和無源的元器件構成的，既有線性電路，也有非線性電路。這些基本單元電路的組成、原理及有關技術問題，就是本書的研究對象。

2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院201.1.2無線通信系統(tǒng)的類型

(1)工作頻段或傳輸手段：

中波通信

短波通信

超短波通信

微波通信

衛(wèi)星通信2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院21

(2)通信方式(全)雙工。雙工通信是一種可以同時收發(fā)的通信方式半雙工。半雙工通信是一種既可以發(fā)也可以收但不能同時收發(fā)的通信方式；單工方式。所謂單工通信，指的是只能發(fā)或只能收的方式；

(3)調制方式調幅、調頻、調相、混合調制等。

2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院22(4)消息類型模擬通信數字通信(5)業(yè)務類型：話音通信、圖像通信、數據通信和多媒體通信等。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院23三種信號：基帶信號、載波信號、已調信號1.時間特性一個無線電信號，可以將它表示為電壓或電流的時間函數，通常用時域波形或數學表達式來描述。對于較簡單的信號(如正弦波、周期性方波等)，用這種方法表示很方便。無線電信號的時間特性就是信號隨時間變化快慢的特性。信號的時間特性要求傳輸該信號的電路的時間特性(如時間常數)與之相適應。1.2信號、頻譜與調制2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院24

2.頻譜特性對于較復雜的信號(如話音信號、圖像信號等)，用頻譜分析法表示較為方便。這是因為任何形式的信號都可以分解為許多不同頻率、不同幅度的正弦信號之和，如圖1-4所示。圖中實線為一重復頻率為F的方波脈沖信號，點劃線為該脈沖信號的直流分量，短虛線為其基波分量，長虛線為其直流分量、基波分量和三次諧波分量之和。諧波次數越高，幅度越小，影響就越小。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院25

2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院26圖1-4信號分解2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院27圖1-5頻譜圖2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院28對于周期性信號，可以表示為許多離散的頻率分量(各分量間成諧頻關系)；

對于非周期性信號，可以用傅里葉變換的方法分解為連續(xù)譜，信號為連續(xù)譜的積分。頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分，它們分別反映信號中各個頻率分量的振幅和相位的分布情況。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院29舉例：2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院302023/1/31山東農業(yè)大學信息學院31任何信號都會占據一定的帶寬。從頻譜特性上看，帶寬就是信號能量主要部分(一般為90%以上)所占據的頻率范圍或頻帶寬度。不同的信號，其帶寬不同，比如，話音的頻率范圍大致為100Hz～6kHz，其主要能量集中在300Hz～3.4kHz。射頻頻率越高，可利用的頻帶寬度就越寬，不僅可以容納許多互不干擾的信道，從而實現頻分復用或頻分多址，而且也可以傳播某些寬頻帶的消息信號(如圖像信號)，這是無線通信采用高頻的原因之一。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院32

3.頻率特性任何信號都具有一定的頻率或波長。我們這里所講的頻率特性就是無線電信號的頻率或波長。電磁波輻射的波譜很寬，如圖1-6所示。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院33

圖1-6電磁波波譜2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院34無線電波只是一種波長比較長的電磁波，占據的頻率范圍很廣。在自由空間中，波長與頻率存在以下關系:c=fλ

(1-1)式中:c為光速，f和λ分別為無線電波的頻率和波長，因此，無線電波也可以認為是一種頻率相對較低的電磁波。對頻率或波長進行分段，分別稱為頻段或波段。不同頻段信號的產生、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用范圍也不同。表1-1列出了無線電波的頻(波)段劃分、主要傳播方式和用途等。表中關于傳播方式和用途的劃分是相對而言的，相鄰頻段間無絕對的分界線。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院352023/1/31山東農業(yè)大學信息學院36應當指出，不同頻段的信號具有不同的分析與實現方法，對于米波以上(含米波，λ≥1m)的信號通常用集總(中)參數的方法來分析與實現，而對于米波以下(λ<1m)的信號一般應用分布參數的方法來分析與實現，當然，這也是相對的。另外，從表中可以看出，頻段劃分中有一個“高頻”段，其頻率范圍為3～30MHz，這是“高頻”的狹義解釋，它指的就是短波頻段。本課程涉及的波段可從中波到微波波段。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院37

4.傳播特性無線通信的傳輸媒質主要是自由空間。頻率或波長不同，電磁波在自由空間的傳播方式也不同。傳播特性指的是無線電信號的傳播方式、傳播距離、傳播特點等。無線電信號的傳播特性主要根據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，不僅電波的能量會擴散，接收機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，或者在大氣層中產生折射或散射等現象，從而造成到達接收機時的強度大大衰減。根據無線電波在傳播過程所發(fā)生的現象，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1-7所示。決定傳播方式和傳播特點的關鍵因素是無線電信號的頻率。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院38圖1-7無線電波的主要傳播方式(a)直射傳播；(b)地面繞射傳播；(c)電離層反射傳播；(d)對流層散射傳播2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院39一般來講，無線電信號的輻射是多方向的。由于地球是一個巨大的導體，電波沿地面?zhèn)鞑?繞射)時能量會被吸收(趨膚效應引起)，通常是波長越長(或頻率越低)，被吸收的能量越少，損耗就越小，因此，中、低頻(或中、長波)信號可以以地波的方式繞射傳播很遠，并且比較穩(wěn)定，多用作遠距離通信與導航。實際上，繞射依賴于電波的波長、物體的體積與形狀、繞射點入射波的振幅、相位和極化情況等，當電波的波長大于物體的體積時容易發(fā)生繞射。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院40短波波段的無線電波沿地面?zhèn)鞑サ木嚯x很近，遠距離傳播主要靠電離層。地球外部包裹著厚厚的大氣層，在大氣層中離地面60～600km的區(qū)域稱為電離層，它是由于太陽和星際空間的輻射引起大氣電離而產生的。電離層從里往外可以分為D、E、F1、F2四層，D層和F1層在夜晚幾乎完全消失，因此經常存在的是E層和F2層。電離層對通過的電波也有吸收作用，頻率越高的信號，電離層吸收能力越弱，或者說電波的穿透能力越強。因此，頻率太高的信號會穿過電離層而達到外層空間。另一方面，電離層也是一層介質，對射向它的無線電波會產生反射與折射作用。入射角越大，越易反射；入射角太小，容易折射。在通常情況下，對于短波信號，F2層是反射層，D、E層是吸收層(因為它們的電子密度小，不滿足反射條件)。F2層的高度約250～300km，2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院41所以，一次反射的最大跳距約4000km。應當指出，由于電離層的狀態(tài)隨著時間(年、季、月、天、小時甚至更小單位)而變化，因此，利用電離層進行的短波通信并不穩(wěn)定。但由于電離層離地面較高，因此，短波通信還是一種價格低廉的遠距離通信方式。需要指出，電波的反射傳播不只是存在于電離層中。由于電波在不同性質的介質的交界處都會發(fā)生反射，因此，當電波遇到比波長大得多的物體時將產生反射，也就是說，反射發(fā)生于地球表面、建筑物表面等許多地方。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院42在離地面大約10～12km范圍內的大氣層稱為對流層，該層的空氣密度較高，所有的大氣現象(如風、雨、雷、電等)都發(fā)生在這一層。散射現象也主要發(fā)生在對流層。在這個層中由于大氣湍流運動等原因形成的不均勻性就是電波的散射源。散射具有很強的方向性和隨機性。接收到的能量與入射線和散射線的夾角有關。散射信號隨時間的變化分為慢衰落和快衰落兩種，前者決定于氣象條件，后者由多徑傳播引起。散射傳播還有一定的散射損耗。散射傳播距離約為100～500km，適合的頻率在400～6000MHz之間。需要指出，散射是在電波通過的介質中存在小于波長的物體并且單位體積內阻擋體的個數非常大時產生的，因此，散射發(fā)生于粗糙表面、小物體或不規(guī)則物體等許多地方。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院43頻率較高的超短波及其更高頻率的無線電波，主要沿空間直線傳播。由于地球曲率的原因,直射傳播的距離有限，通常只能為視距，因此也稱為視距傳播。當然，直線傳播方式可以通過架高天線、中繼或衛(wèi)星等方式來擴大傳輸距離?？傊?，長波信號以地波繞射為主；中波和短波信號可以以地波和天波兩種方式傳播，不過，前者以地波傳播為主，后者以天波(反射與折射)為主；超短波以上頻段的信號大多以直射方式傳播，也可以采用對流層散射的方式傳播。2023/1/31山東農業(yè)大學信息學院44

5.調制特性調制在無線通信中的作用至關重要。無線電傳播一般都要采用高頻