高频电子线路教材.ppt

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1、高频电子线路 教材,绪 论,0.1 无线电通信发展简史 0.2 信号、频谱与调制 0.3 通信系统的组成 0.4 元件的高频特性 0.5 本课程的特点、研究对象及任务,本 书 介 绍,本书主要讨论用于各种无线电技术设备和系统高 频电子线路,主要结合无线电通信这一方式讨论设备 和系统中高频电路的线路组成、工作原理及工程设 计计算。,0.1 无线电通信发展简史,信息传输是人类社会生活的重要内容。 古代的烽火到近代的旗语都是人们寻求快速远距 离通信的手段。 1837年，莫尔斯发明了电报，创造了莫尔斯电 码，开始了通信的新纪元。 1865年，英国的麦克斯韦总结了前人的科学成 果，提出电磁波学说。 18

2、76年，贝尔发明了电话，能够直接将语言信 号变为电能沿导线传送。,1897年, 意大利科学家马可尼（Marconi）在赫兹实验的基础上，实现了远距离无线电信号的传送，这个距离在当时不过一百码，但一年后他就实现了船只与海岸的通信。,1887年，德国科学家赫兹（Hertz）用一个振荡偶子产生了电磁波，在历史上第一次直接验证了电磁波的存在；,马可尼因此获得1909年度诺贝尔奖。与他分享这一年度诺贝尔奖的是布劳恩（Braun），因为布氏发现金属硫化物具有单向导电性，这一成果可用于无线电接收装置；,1901年12月12日，马可尼做了跨越大西洋传送无线电信号的表演。这一次他把信号从英国的Cornwall发

3、送到加拿大的Newfoundland。,1906年，美国科学家弗雷斯特（ Forest）发明了真空三极管，是电子技术发展史上第一个重要里程碑。,1904年，英国科学家弗莱明（Fleming）获得了一项专利，在专利说明书中描述了一个高频交变电流整流用的两极真空管，标志着进入无线电电子学时代,1912年，英国科学家埃克尔斯（Eccles）提出了无线电波通过电离层传播的理论，这一理论使得一群业余爱好者在1921年实现了短波试验性广播； 同年，美国的费森登（Fessenden）和阿姆斯特朗（Armstrong）改进了接收机的工作方式，发明了外差式接受系统，这种形式仍是目前许多无线电接收机的主要工作方式

4、；,1906年，美国科学家费森登（Fessenden）在Massachusetts领导了第一次广播；,1938年，美国科学家香农（Shannon）指出，利用布尔（Boole）代数能对复杂的开关电路进行分析，电子科学中一个崭新的分支就逐渐形成，发展起来。这就是电子计算机最初的理论。真正的电子计算机一般说来是1942年开始研制的ENIAC（Electronic numerical integrator and computer）。,这台计算机直到1946年完成，它主要是为美国陆军阿贝尔丁检验基地计算弹道而设计的，共用了18000个真空管；,Electronic numerical integrat

5、or and computer,项目开始： 1943 完成： 1946 速度： 5000次每秒 输入/输出： 卡片、光、开关、 插头 占平面积： 1000平方英尺 项目负责人： John Mauchly J. Presper Eckert,ENIAC,几乎与此同时，一个引起电子科学革命性变化的工作也在进行，这就是对半导体器件的研制。而现今半导体器件几乎占领了电子科学所有特殊的和普通的领域。,1948年，确切地说应是1947年12月23日，第一只晶体管在贝尔实验室（Bell Telephone Laboratories）诞生，这是电子技术发展史上第二个重要里程碑。,用单晶锗研制成n-p-n型晶体

6、三极管，促成了电子技术小型化的发展，推动了固体物理和电子学的研究,第一只点接触型晶体三极管,晶体管的出世要归功于： 肖克莱Shockley 巴丁 Bardeen 布拉顿Bratein1902年生于中国厦门 他们分享了1956年度诺贝尔物理学奖,而巴丁则又与库柏（Cooper）和施莱弗（Schrieffer）由于对超导理论的贡献共享了1972年度诺贝尔物理学奖。 晶体管出现后，无线电技术及电子学本身发生了巨大变化，得到了长足的发展；,肖克莱后来对美国旧金山西南端硅谷做出了开创性贡献。,20世纪60年代，中、大规模乃至超大规模集成电 路的不断涌现，是电子技术发展史上第三个重要里 程碑。 1959年

7、，美国科学家基尔比（Kilby）造出了世界上第一块集成电路。 1967年研制成大规模集成（LSI）电路。 1978年研制成超大 规模集成（VLSI）电路，从此电子技术进入了微电子技术时代。,Kilby 集成电路（ integrated circuit）,随着半导体技术的发展，出现了许多电子技术新的分支。而今所谓三C技术、三A革命无一不是电子技术及半导体技术的发展所导致的直接结果。,半导体技术的发展不仅影响了电子技术，也影响了其它技术的发展。如：冶金术，精加工，材料科学，化学等。,五十年代开始，半导体技术在我国受到重视。一批从国外回来的著名科学家如：黄昆、谢希德等组织了一些有志之士开始了半导体专

8、门化研究，他们那时培养的学生大多数已成为我国固体物理学或半导体技术界的学科带头人。,七十年代，我们几乎停止了进步。直到八十年代我国半导体技术才有开始有长足的发展。应该讲我们与国外的差距正在缩小。,20世纪初首先解决了无线电报通信问题。接着又 解决了用无线电波传送语言和音乐的问题，从而 开展了无线电话通信和无线电广播。以后传输图象 的问题也解决了，出现了无线电传真和电视。20世 纪30年代中期到第二次世界大战期间，为了防空的 需要，无线电定位技术迅速发展和雷达的出现，带 动了其他科学的兴起，如无线电天文学、无线电气 象学等。20世纪50年代以来，宇航技术的发展又促 进了无线电技术向更高的阶段发展

9、。,无线电技术的发展是从利用电磁波传输信 息的无线电通信扩展到计算机科学、宇航技术、自 动控制以及其他各学科领域的。,0.2 信号、频谱,在高频电路中, 我们要处理的无线电信号主要有三种: 基带（消息）信号、 高频载波信号和已调信号。 所谓基带信号, 就是没有进行调制之前的原始信号, 也称调制信号。,1. 时间特性 一个无线电信号, 可以将它表示为电压或电流的时间函数, 通常用时域波形或数学表达式来描述。 无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。 信号的时间特性要求传输该信号的电路的时间特性（如时间常数）与之相适应。 ,图1 信号分解,2. 频谱特性 对于较复杂的信号（如话音信号、

10、图像信号等）, 用频谱分析法表示较为方便。,对于周期性信号, 可以表示为许多离散的频率分量（各分量间成谐频关系）, 例如图 2即为图 1所示信号的频谱图; 对于非周期性信号, 可以用傅里叶变换的方法分解为连续谱, 信号为连续谱的积分。 频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分, 它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。 任何信号都会占据一定的带宽。 从频谱特性上看, 带宽就是信号能量主要部分（一般为90%以上）所占据的频率范围或频带宽度。 ,图2 频谱图,3. 频率特性 任何信号都具有一定的频率或波长。 我们这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波长。 电磁波辐射的波谱很宽, 如图

11、3 所示。 无线电波只是一种波长比较长的电磁波, 占据的频率范围很广。在自由空间中, 波长与频率存在以下关系: c = f ,图3 电磁波波谱,0.3 通信系统的组成,通信系统组成框图如下图所示:,输入变换器,输出换能器,接收设备,发送设备,信道,0.3.1 输 入 变 换 器,输入转换器主要任务是将发信者提供的非电量消 息（如声音、景物等）变换为电信号，它能反映待 发的全部信息，通常具有“低通型”频谱结构，故称 为基带信号。当输入消息本身就是电信号时（如计 算机输出的二进制信号），输入换能器可省略而直 接进入发送设备。,0.3.2 发送设备,发送设备主要有两大任务: 一是调制 , 二是放 大

12、。,所谓调制，就是将基带信号变换成适合信道传 输的频带信号。它是利用基带信号去控制载波信号 的某一参数，让该参数随基带信号的大小而线形变 化的处理过程。,所谓放大，是指对调制信号和已调信号的电压和 功率放大、滤波等处理过程，以保证送入信道足够 大的已调信号功率。,传输的信号为什么要进行调制？,传输信号波长与天线匹配的要求 在无线电通信中，由天线理论可知，要将电信号有效地发射出去，天线的尺寸必须和信号的波长为同一数量级。 计算：发送f=1000Hz的音频信号，需要的天线长度。 =c/f=300000000/1000=300000=300(公里) 采用调制后，不同的发射台可以采用不同频率的高频振荡

13、信号发送，有利于其在频谱上的分离,可以实现多路复用，提高频带的利用率。 更高的频段，可用的频带更宽，可以传输更多的信息或容纳更多的用户，频带利用率也更高。,调制的概念及波形,根据载波受调制参数的不同, 调制分为三种基本方式： 1).振幅调制（调幅） 2).频率调制（调频） 3).相位调制（调相） 分别用AM、 FM、 PM表示， 还可以有组合调制方式。,第一章绪论,0.3.3 信 道,信道是连接发、收两端的信号通道，又称传输媒 介。通信系统中应用的信道可分为两大类：有线信 道（如架空明线，电缆，波导，光缆等）和无线信 道（如海水，地球表面，自由空间等）。不同的信 道有不同的传输特性，相同媒介对

14、不同频率的信号 传输特性也是不同的。,1.5MHz以下的电磁波主要沿地表传播 , 称为地波 , 如图所示 :,1.530MHz的电磁波，主要靠天空中电离层的 折射和反射传播，称为天波，如图所示:,电离层,30MHz以上的电磁波主要沿空间直线传播，称为 空间波，如图所示：,为了讨论问题的方便，将不同频率的电磁波人为 地划分若干频段或波段，列表如下:,习惯上按电磁波的频率范围划分为若干个区段， 称为频段或波段。无线电波在空间传播的速度 c=3108 m/s，则高频信号的频率与其波长的关系 为： =c/f ，f单位取Hz，单位用m。,应用问题解释,为什么夜间收听效果好于白天？ 因为白天电离作用强电离

15、层对信号的吸收作用强 人造卫星采用那个波段和地面联系？ 中长波和短波均被电离层反射而无法穿过电离层，所以只能依靠超短波段 我国第一颗人造卫星的f =20.009MHz（15米）来传送东方红乐曲和遥测的信号。,0.3.4 接 收 设 备,接受设备的任务是将信道传送过来的已调信号进 行处理，以恢复出与发送端相一致的基带信号，这 种从已调波中恢复基带信号的处理过程, 称为解调。 显然解调是调制的反过程。,0.3.5 输 出 换 能 器,输出换能器的作用是将接收设备输出的基带信号 变换成原来形式的消息，如声音，景物等，供收信 者使用。,0.4 元件的高频特性,高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的

16、元器件基本相同，但是注意它们在高频使用时的高频特性。 高频电路中的元件主要是电阻（器）、电容（器）和电感（器）, 它们都属于无源的线性元件。高频电路中完成信 号的放大，非线性变换等功能的有源器件主要是二极管，晶体管和集成电路。,1.电阻器 一个实际的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性，但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面，而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。,一个电阻R的高频等效电路如图所示，其中CR为分布电容，LR为引线电感，R为电阻。,电阻的高频等效电路,电阻R随频率增高而增加，这主要是集肤效应的影响。所谓集肤效应是指随着工作频率的增高，流过导线的交流电流向导

17、线表面集中这一现象，当频率很高时，导线中心部位几乎完全没有电流流过，这相当于把导线的横截面积减小为导线的圆环面积，导电的有效面积较直流时大为减小，电阻r增大。工作频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越大。 （演 示 ）,2. 电感线圈 电感线圈在高频频段除表现出电感L的特性外，还具有一定的损耗电阻r和分布电容。在分析一般长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈的等效电路可以表示为电感L和电阻r串联，如图所示。,电感线圈的串联等效电路,设流过电感线圈的电流为I，则电感L上的无功功率为I2L，而线圈的损耗功率，即电阻r的消耗功率为I2r，故由上式得到电感的品质因数,Q值是一个

18、比值，它是感抗L与损耗电阻r之比，Q值越高损耗越小，一般情况下, 线圈的Q值通常在几十到一二百左右。,在无线电技术中通常不是直接用等效电阻r，而是引入线圈的品质因数这一参数来表示线圈的损耗性能。 品质因数定义为无功功率与有功功率之比 :,3. 电容器 一个实际的电容器除表现电容特性外，也具有损耗电阻和分布电感。 在分析一般米波以下频段的谐振回路时，常常只考虑电容和损耗。 电容器的等效电路也有两种形式，如图所示。,电容器的串、并联等效电路,r,C,R,4 高频电路中的有源器件 从原理上看，用于高频电路的各种有源器件，与用于低频或其他电子线路的器件没有根本不同。 只是由于工作在高频范围，对器件的某

19、些性能要求更高。 随着半导体和集成电路技术的高速发展，能满足高频应用要求的器件越来越多，也出现了一些专门用途的高频半导体器件。,1) 二极管 半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中，工作在低电平。因此主要用点接触式二极管和表面势垒二极管(又称肖特基二极管)。两者都利用多数载流子导电机理，它们的极间电容小，工作频率高。,2) 晶体管与场效应管（FET） 在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和各种场效应管，这些管子比用于低频的管子性能更好, 在外形结构方面也有所不同。 高频晶体管有两大类型: 一类是作小信号放大的高频小功率管, 对它们的主要要求是高增益和低噪声; 另一

20、类为高频功率放大管, 除了增益外, 要求其在高频有较大的输出功率。,3) 集成电路 用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多,主要分为通用型和专用型两种。 目前通用型的宽带集成放大器，工作频率可达一、二百兆赫兹，增益可达五、六十分贝，甚至更高。 用于高频的晶体管模拟乘法器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。,0.4 本课程的特点,高频电子线路几乎都是由线性元件和非线性的器 件组成的。其中的非线性器件可以用线性等效电路 来表示，分析方法也可以用线性电路的分析方法。 本书的绝大部分电路都属于非线性电路，一般都用非线性电路的分析方法来分析。,学习本课程的方法,在学习本课程时，要抓住各种

21、电路之间的共 性，洞悉各种功能之间的内在联系，而不要局限于 掌握一个个具体的电路及其工作原理。 学习时要注意“分立为基础，集成为重点，分 立为集成服务”的原则。 重视实验环节，坚持理论联系实际，在实践中 积累丰富的经验。,三C技术： Communication， Computer， Control,三A革命： Factory Automation， Office Automation， Home Automation,赫兹（18571894） Hertz，Heinrich Rudolf,德国物理学家，经典电动力学的奠基人之一 。1857年2月22日生于汉堡，1894年 1月 1日卒 于波恩。1

22、8801882年作为H.亥姆霍兹的助手从事科学研究工作。1885年任科劳尔施物理研究所的物理学教授。1889年继R.克劳修斯任波恩大学物理学教授。,1887年赫兹用自己设计的振荡器第一次通过实验证实了电磁波的存在，证明了J.C.麦克斯韦的理论的正确性，后又研究电磁波的各种性质（反射、衍射、折射、形成驻波等），证实了电磁波在空气中的传播速度等于光速 ，确立了 电磁波和光 波基本特性的 等同性。18861887年观察并描述了外光电效应，研究了共振回路理论、紫外光对放电的影响、阴极射线的性质等。赫兹曾多次获得意、法、奥、德等国科学院和学术团体的奖章和奖金，并被选为柏林科学院、剑桥哲学学会等 7 个主

23、要学术组织的通讯会员。为纪念他，人们以赫兹作为振荡频率的单位。,最早的电子计算机是怎么制造出来的？,第二次世界大战中，美国宾夕法尼亚大学的莫尔电工学院同阿贝尔丁弹道研究实验室共同负责给陆军提供弹道表。这项任务困难而紧迫，每一张表都要计算几百条弹道，一个熟练的计算员用台式计算机计算一条飞行时间是秒的弹道，要花个小时。从战争一开始，阿贝尔丁实验室就聘请了多名计算员从事这项工作，就是这样，有些弹道表也要计算两三个月。 面对这种情况，莫尔电工学院的莫希莱在年月写了一份高速电子管计算装置使用的备忘录。它实际上是第一台电子计算机的初步方案。这个方案在同事中传阅，得到了负责阿贝尔丁实验室与莫尔电工学院联系的

24、军方格尔斯坦中尉的支持，他马上向他的上司作了汇报。军械部要求莫尔电工学院草拟一个制造电子计算机的计划报告。结果这份报告只过了一周就得到批准。年月日，莫尔电工学院和军械部签订了合同，这台电子计算机取名为“电子数字积分计算机”，英文的缩写 ENIAC.它的预算经费是万美元。,承担研制ENIAC的莫尔小组是一个朝气蓬勃的青年集体。24岁的研究生埃克特担任总工程师，负责解决一系列困难和复杂的技术问题。莫希莱是个30多岁的物理学家，他提供了电子计算机的总体设想。格尔斯坦原来是学数学的，他成了一个精明强干的组织者。 1945年底这台计算机制成了，1947年送到阿贝尔丁，这样，在军方的支持下，第一台ENIA

25、C出世了。 电子计算机主要由控制、运算、存贮、输入、输出五部分组成，控制部分是按计算程序工作的。所谓计算程序，就是人们事先编好的进行计算的步骤，它由一系列指令组成，每条指令规定用哪些数据做什么样的运算，在ENIAC运算过程中，计算程序是从外面输入的，叫做程序外插型，改换算题就要改变与计算机的外插程序相连的接线板，十分麻烦。,运算部分主要进行加减法运算，复杂的运算被分解成一系列的加减法来进行。ENIAC采用十进位制，每秒种运算5000次，比已有的计算机要快1000多倍，这是计算速度的飞跃。 存贮器主要存贮计算过程需要的数据和指令。ENIAC内部没有程序存贮器，只有用电子管做的寄存器，它可以寄存运

26、算过程中十位数以下的数字，存贮量是十分有限的。 输入部分可以通过卡片或纸带上穿孔的组合，把指令和数据输入到计算机里去，通过光电装置或其他办法，把数据和指令转换成计算机能够接受的电信号。 输出部分是用来把计算结果转换成人们所能识别的数字、字母或者图像的装置。 ENIAC共和了18000个电子管，700000只电阻，10000只电容，重30吨，功率40千瓦，占地170平方米，差不多有10间房子大小，它的实际造价是大约48万美元。,香农（Claude Shannon）,Claude Shannons “The Mathematical Theory of Communication“ showed

27、engineers how to code data so they could check for accuracy after transmission between computers. Shannon identified the bit as the fundamental unit of data and, coincidentally, the basic unit of computation.,马可尼（18741937） Guglielmo Marconi,马可尼1874年4月25日出生在意大利的波伦那（Bologna）。父亲是一位意大利乡绅，马可尼先后在波伦那、佛罗伦萨（Florence）和里窝那（Leghorn）接受私人教育。在少年时期，他就对物理和电学有着很浓厚的兴趣，读过麦克斯韦、赫兹、里希（Righi）、洛奇等人的著作。1895年马可尼在他父亲的蓬切西奥（Pontecchio）庄园开始了他的实验室实验。在这里他成功地把无线电信号发送到了1.5英里（2.4km）的距离，他成了世界上第一台实用的无线电报系统的发明者。,