高頻電路

高頻電路

高頻電路基本上是由無源元件、有源器件和無源網路組成的。高頻電路中使用的元器件與低頻電路中使用的元器件頻率特性是不同的。高頻電路中的無源組件或無源網路主要有高頻振盪(諧振)迴路、高頻變壓器、諧振器與濾波器等,它們完成信號的傳輸、頻率選擇及阻抗變換等功能。

頻率劃分

頻率按照規定劃分,以便有專業的交流語言:超低頻:0.03-300Hz;極低頻:300-3000Hz(音頻) ;甚低頻:3-30KHz;長 波:30-300KHz ;中 波:300-3000KHz;短 波:3-30兆;甚高頻:30-300兆;超高頻:300-3000兆;特高頻:3-30G;極高頻:30-300G; 遠紅外:300-3000G。

元件

電阻

一個實際的電阻器,在低頻時主要表現為電阻特性,但在高頻時不僅表現出電阻特性,而且還表現出了電抗特性。電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。

一個電阻R的高頻等效電路;其中,CR為分布電容,LR為引線電感,R為電阻。

電容

由介質隔開的兩導體構成電容。一個理想電容器的容抗為1/(jωC),電容器的容抗與頻率的關係如圖1—2(b)虛線所示,其中f為工作頻率,ω=2πf。

一個實際電容C的高頻等效電路如圖所示,其中Rc為損耗電阻

,Lc為引線電感。容抗與頻率的關係如圖1—2(b)實線所示,其中f為工作頻率,ω=2πf。

(a)電容器的等效電路;(b)電容器的阻抗特性;

電感

理想高頻電感器L的感抗為jωL,其中ω為工作角頻率。

實際高頻電感器存在分布電容和損耗電阻;自身諧振頻率SRF。在SRF上,高頻電感阻抗的幅值最大,而相角為零。

有源器件

(一)二極體

半導體二極體在高頻中主要用於檢波、調製、解調及混頻等非線性變換電路中。

電晶體與場效應管(FET)

在高頻中套用的電晶體仍然是雙極型電晶體和各種場效應管,在外形結構方面有所不同。高頻電晶體有兩大類型:一類是作小信號放大的高頻小功率管,對它們的主要要求是高增益和低噪聲;另一類為高頻功率管,其在高頻工作時允許有較大管耗,且輸出功率較大。

(二)積體電路

用於高頻的積體電路的類型和品種主要分為通用型和專用型兩種。

振盪迴路

高頻電路中的無源組件或無源網路主要有高頻振盪(諧振)迴路、高頻變壓器、諧振器與濾波器等,它們完成信號的傳輸、頻率選擇及阻抗變換等功能。

高頻振盪迴路是高頻電路中套用最廣的無源網路,也是構成高頻放大器、振盪器以及各種濾波器的主要部件,在電路中完成阻抗變換、信號選擇等任務,並可直接作為負載使用。

振盪迴路是由電感和電容組成。只有一個迴路的振盪迴路稱為簡單振盪迴路或單振盪迴路,分為串聯諧振迴路或並聯諧振迴路。

串聯

圖1—4串聯震盪迴路及其特性

若在串聯振盪迴路兩端加一恆壓信號,則發生串聯諧振時因阻抗最小,流過電路的電流最大,稱為諧振電流,其值為:

在任意頻率下的迴路電流與諧振電流之比為:

其模為:

其中,

稱為迴路的品質因數,它是振盪迴路的另一個重要參數。根據式(1—6)畫出相應的曲線如圖1—5所示,稱為諧振曲線。

圖1—5串聯諧振迴路的諧振曲線:

圖1—6串聯迴路在諧振時的電流、電壓關係:

在實際套用中,外加信號的頻率ω與迴路諧振頻率ω0之差Δω=ω-ω0表示頻率偏離諧振的程度,稱為失諧。當ω與ω0很接近時,

令ξ為廣義失諧,則式(1—5)可寫成

當保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時,將迴路電流值下降為諧振值的時對應的頻率範圍稱為迴路的通頻帶,也稱迴路頻寬,通常用B來表示。令式(1—9)等於,則可推得ξ=±1,從而可得頻寬為

並聯

串聯諧振迴路適用於電源內阻為低內阻(如恆壓源)的情況或低阻抗的電路(如微波電路)。

圖1—7並聯諧振迴路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性:

(a)並聯諧振迴路;(b)等效電路;(c)阻抗特性;(d)輻角特性

並聯諧振迴路的並聯阻抗為:

定義使感抗與容抗相等的頻率為並聯諧振頻率ω0,令Zp的虛部為零,求解方程的根就是ω0,可得

式中,Q為迴路的品質因數,有

當時,。迴路在諧振時的阻抗最大,為一電阻R0

因為:

並聯迴路通常用於窄帶系統,此時ω與ω0相差不大,式(1—13)可進一步簡化為

式中,Δω=ω-ω0。對應的阻抗模值與幅角分別為

圖1—8表示了並聯振盪迴路中諧振時的電流、電壓關係。

例1設一放大器以簡單並聯振盪迴路為負載,信號中心頻率fs=10MHz,迴路電容C=50pF,

(1)試計算所需的線圈電感值。

(2)若線圈品質因數為Q=100,試計算迴路諧振電阻及迴路頻寬。

(3)若放大器所需的頻寬B=0.5MHz,則應在迴路上並聯多大電阻才能滿足放大器所需頻寬要求?

(1)計算L值。由式(1—2),可得

將f0以兆赫茲(MHz)為單位,C以皮法(pF)為單位,L以微亨(μH)為單位,上式可變為一實用計算公式:

將f0=fs=10MHz代入,得

(2)迴路諧振電阻和頻寬。由式(1—12)

迴路頻寬為

(3)求滿足0.5MHz頻寬的並聯電阻。設迴路上並聯電阻為R1,並聯後的總電阻為R1∥R0,總的迴路有載品質因數為QL。由頻寬公式,有

此時要求的頻寬B=0.5MHz,故

迴路總電阻為

需要在迴路上並聯7.97kΩ的電阻。

抽頭並聯

圖1—9幾種常見抽頭振盪迴路

對於圖1—9(b)的電路,其接入係數p可以直接用電容比值表示為

圖1—10電流源的折合諧振時的迴路電流IL和IC與I的比值要小些,而不再是Q倍。由

例2如圖1—11,抽頭迴路由電流源激勵,忽略迴路本身的固有損耗,試求迴路兩端電壓u(t)的表示式及迴路頻寬。

圖1—11例2的抽頭迴路解:由於忽略了迴路本身的固有損耗,因此可以認為Q→∞。由圖可知,迴路電容為

諧振角頻率為電阻R1的接入係數等效到迴路兩端的電阻為

迴路兩端電壓u(t)與i(t)同相,電壓振幅U=IR=2V,故

迴路有載品質因數

迴路頻寬

耦合振盪

在高頻電路中,有時用到兩個互相耦合的振盪迴路,也稱為雙調諧迴路。把接有激勵信號源的迴路稱為初級迴路,把與負載相接的迴路稱為次級迴路或負載迴路。圖1—12是兩種常見的耦合迴路。圖1—12(a)是互感耦合電路,圖1—12(b)是電容耦合迴路圖1—12兩種常見的耦合迴路及其等效電路

對於圖1—12(b)電路,耦合係數為

初次級串聯阻抗可分別表示為

耦合阻抗為

由圖1—12(c)等效電路,轉移阻抗為

由次級感應電勢產生,有

考慮次級的反映阻抗,則

變壓器

高頻

變壓器是靠磁通交鏈,或者說是靠互感進行耦合的。

(1)為了減少損耗,高頻變壓器常用導磁率μ高、高頻損耗小的軟磁材料作磁芯。

(2)高頻變壓器一般用於小信號場合,尺寸小,線圈的匝數較少。

圖1—14高頻變壓器的磁芯結構

(a)環形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)雙孔磁芯

圖1—15高頻變壓器及其等效電路

(a)電路符號;(b)等效電路圖1—16(a)是一中心抽頭變壓器的示意圖。

初級為兩個等匝數的線圈串聯,極性相同,設初次級匝比n=N1/N2。作為理想變壓器看待,線圈間的電壓和電流關係分別為

圖1—16中心抽頭變壓器電路

(a)中心抽頭變壓器電路;(b)作四連線埠器件套用3.2傳輸線變壓器

傳輸線

傳輸線變壓器就是利用繞制在磁環上的傳輸線而構成的高頻變壓器。圖1—17為其典型的結構和電路圖。

圖1—17傳輸線變壓器的典型結構和電路

(a)結構示意圖;(b)電路

圖1—18傳輸線變壓器的工作方式

(a)傳輸線方式;(b)變壓器方式

圖1—19傳輸線變壓器的套用舉例?

(a)高頻反相器;(b)不平衡—平衡變換器;(c)1∶4阻抗變換器;(d)3分貝耦合器

濾波組件

石英晶體

(一)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製成。

(二)等效電路及阻抗特性

圖1—22是石英晶體諧振器的等效電路。

由圖1—22(b)可看出,晶體諧振器是一串並聯的振盪迴路,其串聯諧振頻率fq和並聯諧振頻率f0

圖1-20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

圖1—21石英晶體諧振器(a)外形;(b)內部結構

圖1—22晶體諧振器的等效電路

(a)包括泛音在內的等效電路;(b)諧振頻率附近的等效電路

圖1—22(b)所示的等效電路的阻抗的一般表示式為

在忽略rq後,上式可化簡為

圖1—23晶體諧振器的電抗曲線

圖1—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

濾波器

(一)陶瓷濾波器

圖1—25陶瓷濾波器電路

圖1—26聲表面波濾波器的結構和幅頻特性(a)結構示意圖(b)均勻對稱的幅頻特性

(二)聲表面波濾波器

圖1—26(a)中的聲表面波濾波器的傳輸函式為

圖1--27一種用於通信機中的聲表面波濾波器

(三)衰減器與匹配器

高頻衰減,匹配器

圖1—28T型和Π型網路

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