高頻電子線路課件

本課程討論的內(nèi)容主要討論用于各種電子系統(tǒng)和設(shè)備中的高頻電子線路。主要結(jié)合無(wú)線通信來(lái)討論高頻電路的線路組成、工作原理和分析、設(shè)計(jì)方法。1目錄1、緒論2、高頻電路基礎(chǔ)3、高頻諧振放大器4、正弦波振蕩器5、頻譜的線性搬移電路6、振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻7、角度調(diào)制與解調(diào)8、反饋控制電路2參考書1、高頻電子線路曾興雯高等教育出版社2、高頻電子線路張肅文高等教育出版社3、電子線路（非線性部分）謝嘉奎高等教育出版社4、高頻電子電路王衛(wèi)東電子工業(yè)出版社3第1章緒論1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述1.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制1.3本課程的特點(diǎn)41.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述一、無(wú)線通信系統(tǒng)的組成二、無(wú)線通信系統(tǒng)的類型5接收設(shè)備、發(fā)送設(shè)備的組成框圖及其簡(jiǎn)單的工作原理、工作波形、各部分的作用。

本章重點(diǎn)61．無(wú)線通信系統(tǒng)圖無(wú)通信系統(tǒng)的組成

組成：發(fā)射裝置+接收裝置+傳輸媒質(zhì)(1)

發(fā)射裝置

①換能器：將被發(fā)送的信息變換為電信號(hào)。例：話筒將聲音變?yōu)殡娦盘?hào)。將換能器輸出的電信號(hào)變?yōu)閺?qiáng)度足夠的高頻電振蕩。②發(fā)射機(jī)：

③天線：將高頻電振蕩變成電磁波向傳輸媒質(zhì)輻射。

7(2)

接收裝置

接收是發(fā)射的逆過(guò)程。①接收天線：高頻電振蕩電信號(hào)。②接收機(jī)：將從空間接收的電磁波

高頻電振蕩。③換能器：將電信號(hào)所傳送信息。

(3)

傳輸媒質(zhì)——自由空間

電磁波傳送方式，依據(jù)波長(zhǎng)不同，可分為：長(zhǎng)波、中波、短波、超短波。無(wú)線通信系統(tǒng)的組成82．無(wú)線通信存在的問(wèn)題(1)接收信號(hào)微弱

電磁波接收天線(2)存在干擾例如其他電臺(tái)的發(fā)射信號(hào)，各種工業(yè)、醫(yī)學(xué)裝置輻射電磁波，大氣層、宇宙固有的電磁干擾等。對(duì)接收裝置的要求：增益高，選擇性好。3．解決方案

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)借助線性和非線性電子線路對(duì)攜有信息的電信號(hào)進(jìn)行變換和處理。除放大外，最主要有調(diào)制、解調(diào)。

(1)調(diào)制

由攜有信息的電信號(hào)(如音頻信號(hào))去控制高頻振蕩信號(hào)的某一參數(shù)(如振幅)，使該參數(shù)按照電信號(hào)的規(guī)律而變化(調(diào)幅)。

9調(diào)制信號(hào)：攜有信息的電信號(hào)。

載波信號(hào)：未調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)。

已調(diào)波：經(jīng)過(guò)調(diào)制后的高頻振蕩信號(hào)。

根據(jù)受控參數(shù)：調(diào)幅、調(diào)角(調(diào)頻、調(diào)相)。

(2)解調(diào)調(diào)制的逆過(guò)程，將已調(diào)波轉(zhuǎn)換為載有信息的電信號(hào)。(3)調(diào)制的作用

①減小天線的尺寸。

音頻范圍：20Hz~20kHz，若發(fā)射100Hz，波長(zhǎng)

=c

/f=3000

km，天線至少幾百千米。需減少波長(zhǎng)，提高發(fā)射頻率。

②選臺(tái)。

將不同電臺(tái)發(fā)送的信息分配到不同頻率的載波信號(hào)上，使接收機(jī)可選擇特定電臺(tái)的信息而抑制其他電臺(tái)發(fā)送的信息和各種干擾。

(1)調(diào)制104．調(diào)幅發(fā)射機(jī)組成振蕩器：產(chǎn)生fosc

的高頻振蕩信號(hào)，幾十千赫以上。高頻放大器：多級(jí)小信號(hào)諧振放大器，放大振蕩信號(hào)，使頻率倍增至fc，并提供足夠大的載波功率。調(diào)制信號(hào)放大器：多級(jí)放大器，前幾級(jí)為小信號(hào)放大器，放大微音器的電信號(hào)；后幾級(jí)為功放，提供功率足夠的調(diào)制信號(hào)。振幅調(diào)制器：實(shí)現(xiàn)調(diào)幅功能，將輸入的載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)變換為所需的調(diào)幅波信號(hào)，并加到天線上。11各部分作用：

(1)振蕩器產(chǎn)生fosc

的高頻振蕩信號(hào)，幾十千赫以上。

(2)高頻放大器

多級(jí)小信號(hào)諧振放大器，放大振蕩信號(hào)，使頻率倍增至fc，并提供足夠大的載波功率。

(3)調(diào)制信號(hào)放大器

多級(jí)放大器，前幾級(jí)為小信號(hào)放大器，放大微音器的電信號(hào)；后幾級(jí)為功放，提供功率足夠的調(diào)制信號(hào)。

(4)振幅調(diào)制器

實(shí)現(xiàn)調(diào)幅功能，將輸入的載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)變換為所需的調(diào)幅波信號(hào)，并加到天線上。調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)的組成125．調(diào)幅接收機(jī)

組成13

(1)

高頻放大器

為小信號(hào)諧振放大器，作用：

①

選臺(tái)。利用可調(diào)諧的諧振系統(tǒng)選出有用信號(hào)，抑制其他頻率的干擾信號(hào)。

②放大。放大選出的有用信號(hào)。14

(2)

混頻器

兩路輸入為：

①

由高放級(jí)：已調(diào)信號(hào)fc

。

②由本機(jī)振蕩器：本振信號(hào)fL。

作用：載波變頻——將已調(diào)信號(hào)的載波由fc

(高頻)變換為fI

(中頻)，

fI

=|fc

-fL

|，而調(diào)制波形不變。15

(3)本機(jī)振蕩器

產(chǎn)生頻率為fL

=|fc+fI

|(或fL=fc-fI

)的高頻等幅振蕩信號(hào)。fL

可調(diào)，并能跟蹤fc。

(4)中頻放大器為多級(jí)固定調(diào)諧的小信號(hào)放大器，作用：放大中頻信號(hào)。16

(5)檢波器解調(diào)，從中頻調(diào)幅波還原所傳送的調(diào)制信號(hào)。

(6)低頻放大器組成：小信號(hào)放大器＋功率放大器。作用：放大調(diào)制信號(hào)，向揚(yáng)聲器提供所需的推動(dòng)功率。17可見(jiàn)，對(duì)有用信號(hào)在不同頻率上進(jìn)行放大——超外差接收機(jī)。

特點(diǎn)：解調(diào)電路前包括混頻器、本機(jī)振蕩、中頻放大器等。

優(yōu)點(diǎn)：

增益高，選擇性好。直接接收機(jī)：解調(diào)前僅包括高放，無(wú)混頻器、本機(jī)振蕩、中頻放大器等，增益低，選擇性差。

調(diào)幅廣播接收機(jī)的組成超外差接收機(jī)181.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述一、無(wú)線通信系統(tǒng)的組成發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備超外差形式19

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。接收機(jī)一般都采用超外差的形式。一、無(wú)線通信系統(tǒng)的組成1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述20一、無(wú)線通信系統(tǒng)的組成1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述超外差接收機(jī)的主要特點(diǎn)：（1）由頻率固定的中頻放大器來(lái)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。（2）中頻比信號(hào)載頻低得多，因此在中頻上實(shí)現(xiàn)對(duì)有用信號(hào)的選擇要比在載頻上選擇對(duì)濾波器Q值的要求低得多，容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高增益放大。21一、無(wú)線通信系統(tǒng)的組成1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述（2）調(diào)制(Modulating)過(guò)程在發(fā)送設(shè)備中，一般存在兩種變換：（1）將信源產(chǎn)生的原始信息變換成電信號(hào)該信號(hào)的頻譜通?？拷泐l附近，屬于低頻信號(hào)，稱為基帶信號(hào)(Baseband)；將基帶信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)形式(一般為射頻或高頻的帶通信號(hào))。22（1）將接收到的已調(diào)信號(hào)變換為基帶信號(hào)的過(guò)程稱為解調(diào)(Demodulating)

。一、無(wú)線通信系統(tǒng)的組成1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述在接收設(shè)備中有相應(yīng)的兩種反變換。（2）將基帶信號(hào)通過(guò)輸出換能器轉(zhuǎn)換為原始信息形式。23（3）調(diào)制時(shí)還需要一個(gè)高頻振蕩信號(hào)，稱為載波(Carrier)。載波通常為單一頻率的正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)。一、無(wú)線通信系統(tǒng)的組成1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述分析三種信號(hào)：（1）調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)(ModulatedSignal)；（2）沒(méi)有進(jìn)行調(diào)制之前的基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)(ModulatingSignal)；調(diào)制信號(hào)、載波、已調(diào)波。24一、無(wú)線通信系統(tǒng)的組成1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述(1)

高頻振蕩器(信號(hào)源、載波信號(hào)或本地振蕩信號(hào))；信號(hào)的放大信號(hào)的產(chǎn)生(3)

混頻或變頻(高頻信號(hào)變換或處理)(4)

調(diào)制與解調(diào)(高頻信號(hào)變換或處理)(2)

放大器(高頻小信號(hào)放大器及高頻功率放大器)；頻率變換高頻電路的基本內(nèi)容應(yīng)該包括:還需要什么電路？25主要有自動(dòng)增益控制(AGC)或自動(dòng)電平控制(ALC)電路，自動(dòng)頻率控制(AFC)電路和自動(dòng)相位控制(APC)電路(也稱鎖相環(huán)PLL)。一、無(wú)線通信系統(tǒng)的組成1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述無(wú)線通信系統(tǒng)中通常需要某些反饋控制電路！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(jī)中的干擾與噪聲問(wèn)題。26這些基本單元電路的組成、原理及有關(guān)技術(shù)問(wèn)題，就是本書的研究對(duì)象。（2）信號(hào)的產(chǎn)生（第4章）（1）信號(hào)的放大（第3章）（3）信號(hào)的頻率變換（第5、6、7章）本書的內(nèi)容：27

(1)按工作頻段或傳輸手段有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。二、無(wú)線通信系統(tǒng)的類型1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述射頻實(shí)際上就是“高頻”的廣義語(yǔ)，它是指適合無(wú)線電發(fā)射和傳播的頻率。可根據(jù)不同的方法來(lái)劃分：工作頻率主要指發(fā)射與接收的射頻(RF)頻率。28二、無(wú)線通信系統(tǒng)的類型1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述

圖的例子是半雙工方式，將天線開關(guān)換成雙工器就成了雙工方式。主要有(全)雙工、半雙工和單工方式。單工通信，指的是只能發(fā)或只能收的方式；

半雙工，既可以發(fā)也可以收但不能同時(shí)收發(fā)的方式；雙工通信，可以同時(shí)收發(fā)的通信方式。(2)按通信方式29(3)按調(diào)制方式有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。二、無(wú)線通信系統(tǒng)的類型1.1無(wú)線通信系統(tǒng)概述(4)按傳送的消息的類型

(1)按工作頻段或傳輸手段(2)按通信方式有模擬通信和數(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。30自然界中存在的電磁波的波譜很寬，如圖：1.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制在電磁波譜中，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波。一般將頻率低于3*1011Hz的電磁波統(tǒng)稱為無(wú)線電波。311.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制對(duì)頻率或波長(zhǎng)進(jìn)行分段，分別稱為頻段或波段。波段波長(zhǎng)/m頻率/MHz特點(diǎn)說(shuō)明中、長(zhǎng)波>200<3沿地表傳播大地表面是導(dǎo)體，一部分電磁波會(huì)損耗掉，頻率越高，損耗越大。短波

10~1003~30靠電離層反射傳播電磁波一部分被吸收，另一部分被反射或折射到地面。頻率越高，被吸收的能量越小，但頻率超過(guò)一定值，電磁波會(huì)穿過(guò)電離層，不再返回地面。超短波1~

10>30沿空間直線傳播地球表面是彎曲的，所以只能限制在視線范圍內(nèi)。321.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制不同頻段信號(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。

表中關(guān)于傳播方式和用途的劃分是相對(duì)而言的，相鄰頻段間無(wú)絕對(duì)的分界線。33頻段劃分中的“高頻”段，其范圍為3～30MHz，這是“高頻”的狹義解釋，它指的就是短波頻段。廣義的“高頻”指的是射頻，其頻率范圍非常寬。目前的技術(shù)水平，“高頻”的上限頻率可達(dá)微波頻段（如3GHz）。1.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制

只要電路尺寸比工作波長(zhǎng)小得多，仍可用集中參數(shù)來(lái)分析實(shí)現(xiàn)，都可認(rèn)為屬于“高頻”范圍。高頻的解釋：34在高頻電路中，要處理的無(wú)線電信號(hào)主要有三種:基帶信號(hào)、高頻載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)。這些無(wú)線電信號(hào)有多方面的特性，主要有時(shí)域特性、頻譜特性、調(diào)制特性、傳播特性等。1.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制35時(shí)間特性一個(gè)無(wú)線電信號(hào)，可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(lái)描述。比較簡(jiǎn)單的如正弦波、周期性方波等，此法表示很方便。無(wú)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。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)。1.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制361.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制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。直流分量基波分量372.頻譜特性1.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制射頻頻率越高，可利用的頻帶寬度越寬。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。不同的信號(hào)，其帶寬不同，如話音的頻率范圍大致為100Hz～6kHz，其主要能量集中在300Hz～3400Hz。任何信號(hào)都會(huì)占據(jù)一定的帶寬。不僅可以容納許多互不干擾的信道，從而實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用或頻分多址，而且也可以傳播某些寬頻帶的消息信號(hào)(如圖像信號(hào))。38五、無(wú)線電信號(hào)的傳播

1、無(wú)線電波的劃分

無(wú)線電波的頻率范圍為：=10k-1000GHz；波長(zhǎng)=0.3mm-30Km無(wú)線電波劃分為

超長(zhǎng)波10km-30km

長(zhǎng)波1km-10km

中波100m-1km短波10m—100m超短波0.3mm-10m

0.2電磁波的波長(zhǎng)或頻率范圍不同，電磁波在自由空間的傳播方式也不同。392、無(wú)線電波的傳播方式傳播方式有三種

地面波

空間波天波

地波

和光波一樣，無(wú)線電波也具有直射、反射、折射等現(xiàn)象。0.240沿地球彎曲表面?zhèn)鞑ィm用于波長(zhǎng)=200m以上的中、長(zhǎng)波。由于大地表面是導(dǎo)體，當(dāng)電磁波在其表面?zhèn)鞑r(shí)，一部分能量將被損耗掉，且頻率越高，趨膚效應(yīng)越強(qiáng)，損耗越大。故頻率更高的電磁波不易沿地面?zhèn)鞑?，而主要靠電離層。圖0.2.5地面波的發(fā)射與接收（地面波動(dòng)畫）

（1）地面波：0.241利用電離層的折射與反射，使電磁波到達(dá)電離層后，一部分能量被吸收，一部分被反射、折射到地面。當(dāng)頻率升高時(shí)，電磁波被電離層吸收的能量增加，當(dāng)頻率升高超過(guò)一定值時(shí)，電磁波將會(huì)穿過(guò)電離層，不再返回地面。所以天波適用于10m-200m的短波。圖0.2.6天波的發(fā)射與接收（天波動(dòng)畫）

（2）天波：0.242（3）空間波：圖0.2.7空間波的發(fā)射與接收（空間波動(dòng)畫）

頻率更高的電磁波（≤10m）,不再適用電離層傳播，而是沿空間直線傳播，即利用直射和反射實(shí)現(xiàn)電磁波的傳播。但只限于視頻距離范圍內(nèi)。通常，50米高的天線通信距離約50公里。0.243長(zhǎng)波信號(hào)以地波繞射為主；中波和短波信號(hào)可以以地波和天波兩種方式傳播，不過(guò)，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(hào)大多以直射方式傳播，也可以采用對(duì)流層散射的方式傳播。1.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制3.傳播特性總結(jié)：441.2無(wú)線電信號(hào)與調(diào)制4、調(diào)制特性調(diào)制在無(wú)線通信中的作用至關(guān)重要。（1）調(diào)制的定義（2）調(diào)制的基本方式三種信號(hào)：調(diào)制信號(hào)、載波、已調(diào)波本課程主要討論：模擬消息(調(diào)制)信號(hào)和正弦載波的模擬調(diào)制。45一、線性電子電路與非線性電子電路電子器件嚴(yán)格講是非線性的，但依使用條件不同，表現(xiàn)的非線性程度不同。為此，有如下兩種應(yīng)用：

（1）線性電路：

對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，盡量使用器件特性的線性部分。電路基本是線性的，但存在不希望有的失真。（2