高頻衡陽師院課件第1頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四第二章高頻電路基礎2.1高頻電路中的元器件**第2頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四高頻電路中的元器件

高頻電路是由各種有源器件、無源元件和無源網絡組成的。高頻電路中使用的元器件與在低頻電路中使用的元器件基本相同,但要注意它們在工作頻率較高時的高頻特性。第3頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四高頻電路中的元件1）電阻

一個電阻R的高頻等效電路如圖2—1所示,其中,CR為分布電容,LR為引線電感,R為電阻。電阻的高頻等效電路

第4頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

理想電容器的容抗為1/(jωC),如圖（b）虛線所示，實際電容器存在損耗電阻RC和引線電感LC，如圖（a）所示。

電容器的高頻等效電路及阻抗特性

2）電容高頻電路中的元件第5頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

理想電感器L的感抗為jωL，實際電感器存在分布電容和損耗電阻。3）電感高頻電路中的元件電感器的高頻等效電路第6頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

1）晶體二極管晶體二極管在高頻中主要用于調制、解調及混頻等非線性變換電路中,工作在低電平。

高頻電路中的有源器件

另一種在高頻中應用很廣的二極管是變容二極管。C－V第7頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

2）晶體三極管與場效應管（FET）在高頻中應用的晶體管仍然是雙極晶體管和各種場效應管，這些管子比用于低頻的管子性能更好,在外形結構方面也有所不同。

高頻晶體管有兩大類型: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;另一類為高頻功率放大管,除了增益外,要求其在高頻有較大的輸出功率。

高頻電路中的有源器件第8頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

2）晶體三極管與場效應管（FET）晶體管的高頻參數：

高頻電路中的有源器件β截止頻率fβ特征頻率

fTα截止頻率fα第9頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四第二章高頻電路基礎2.2高頻電路中的基本電路*****第10頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

高頻電路中的基本電路（無源組件或無源網絡）主要有高頻振蕩（諧振）回路、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。

高頻電路中的組件第11頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四（一）高頻振蕩回路*****第12頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四并聯諧振回路

串聯諧振回路分類高頻振蕩（諧振）回路高頻振蕩（諧振）回路由電感和電容組成。第13頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四串聯振蕩回路及其特性串聯諧振回路第14頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四串聯諧振回路令其虛部為零，求得串聯諧振頻率為第15頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四串聯諧振回路串聯諧振頻率為此時阻抗最小，且為純電阻第16頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四串聯諧振回路第17頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

若在串聯振蕩回路兩端加一恒壓信號,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,其值為串聯諧振回路第18頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為串聯諧振回路其中,

稱為回路的品質因數。第19頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

其模為

在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為串聯諧振回路第20頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四根據上式畫出相應的曲線,稱為諧振曲線。串聯諧振回路第21頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

在實際應用中,外加信號的頻率ω與回路諧振頻率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

為廣義失諧串聯諧振回路–則可寫成第22頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

當保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時,將回路電流值下降為諧振值的時對應的頻率范圍稱為回路的通頻帶,也稱回路帶寬,通常用B來表示。令上式等于,則可推得ξ=±1,從而可得帶寬為.串聯諧振回路Q越高，帶寬越窄。第23頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四串聯諧振回路由于有：所以串聯諧振時：串聯諧振時的電流、電壓關系

（又稱為電壓諧振）第24頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

并聯諧振回路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性

(a)并聯諧振回路;（b）等效電路;（c）阻抗特性;（d）輻角特性并聯諧振回路第25頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

并聯諧振回路的并聯阻抗為

并聯諧振回路第26頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四并聯諧振回路

定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯諧振頻率ω0,令Zp的虛部為零,求解方程的根就是ω0,可得式中,Q為回路的品質因數,

當時,第27頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四并聯回路在諧振時的阻抗最大,為一電阻R0并聯諧振回路在任意頻率下的阻抗第28頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四并聯回路在諧振時的阻抗最大,為一電阻R0并聯諧振回路品質因數Q的另一種表示形式第29頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四并聯諧振回路品質因數Q的兩種表示形式第30頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四并聯回路在在任意頻率下的阻抗并聯諧振回路ω與ω0相差不大時可簡化為

對應的阻抗模值與幅角分別為第31頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四并聯諧振回路并聯諧振回路的幅頻特性第32頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四并聯諧振回路并聯諧振回路的相頻特性對比串聯回路：第33頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四并聯諧振回路由于有：所以并聯諧振時：并聯諧振時的電流、電壓關系（又稱為電流諧振）第34頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

例1

設一放大器以簡單并聯振蕩回路為負載,信號中心頻率fs=10MHz,回路電容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,試計算回路諧振電阻及回路帶寬。

(3)若放大器所需的帶寬B=0.5MHz,則應在回路上并聯多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求?

并聯諧振回路第35頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四公式歸納串聯諧振回路基本公式：第36頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四公式歸納并聯諧振回路基本公式：第37頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四將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,得解(1)計算L值。由式(2—2),可得并聯諧振回路第38頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

(2)回路諧振電阻和帶寬。由式(2—12)并聯諧振回路回路帶寬為

第39頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

設回路上并聯電阻為R1,并聯后的總電阻為R1∥R0,總的回路有載品質因數為QL。由帶寬公式,有此時要求的帶寬B=0.5MHz,故回路總電阻為并聯諧振回路(3)求滿足0.5MHz帶寬的并聯電阻。需要在回路上并聯的電阻。第40頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

電路如下圖所示，已知L=586μH，C=200pF，r=12Ω，RL為負載電阻。試求：

(1)未接入RL時，回路的品質因數Q0、諧振電阻RP、通頻帶BW0.7。

(2)RL=200KΩ時，回路的等效品質因數QL

、諧振電阻RΣ

、通頻帶BW0.7

。

課堂練習第41頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

電路如下圖所示，已知L=586μH，C=200pF，r=12Ω，RL為負載電阻。試求：

(1)未接入RL時，回路的品質因數Q0、諧振電阻RP、通頻帶BW0.7。課堂練習第42頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

電路如下圖所示，已知L=586μH，C=200pF，r=12Ω，RL為負載電阻。試求：

(2)RL=200KΩ時，回路的等效品質因數QL

、諧振電阻RΣ

、通頻帶BW0.7

。

課堂練習第43頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四抽頭并聯諧振回路抽頭并聯諧振回路的引入：“部分接入”第44頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四抽頭并聯諧振回路幾種常見抽頭振蕩回路

“部分接入”第45頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四抽頭并聯諧振回路R<1（接入系數）（等效原則）將R0等效為R：第46頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四抽頭并聯諧振回路接入系數第47頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四抽頭并聯諧振回路L2L1接入系數第48頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四抽頭并聯諧振回路電流源的折合

第49頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

例2如圖所示抽頭回路由電流源激勵,忽略回路本身的固有損耗,試求回路兩端電壓u(t)、輸出電壓u1(t)的表示式及回路帶寬。抽頭并聯諧振回路第50頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

解由于忽略了回路本身的固有損耗,因此可以認為Q→∞。由圖可知,回路電容為

諧振角頻率為

電阻R1的接入系數R1等效到回路兩端的電阻為

抽頭并聯諧振回路（）第51頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

諧振時回路兩端電壓u(t)與i(t)同相,電壓振幅U=IR=2V,輸出電壓為

回路有載品質因數

回路帶寬

抽頭并聯諧振回路第52頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

在高頻電路中,有時用到兩個互相耦合的振蕩回路,也稱為雙調諧回路。圖（a）是互感耦合電路,圖(b)是電容耦合回路。耦合振蕩回路*兩種常見的耦合回路第53頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

耦合振蕩回路的作用：一是用來進行阻抗變換以完成高頻信號的傳送；二是形成比簡單振蕩回路更好的頻率特性。兩種常見的耦合回路耦合振蕩回路*第54頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四耦合系數為耦合振蕩回路*第55頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四耦合振蕩回路*③k=k0為臨界耦合k<k0為欠耦合k>k0為過耦合①②③①②第56頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四選擇性常采用矩形系數來表示耦合振蕩回路*第57頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四（單諧振回路的）對臨界耦合耦合振蕩回路*第58頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四P60:2-2圖示為波段內調諧用的并聯振蕩回路，可變電容C的變化范圍為12～260pF，Ct為微調電容，要求此回路的調諧范圍為535～1605kHz，求回路電感L和Ct的值，并要求C的最大和最小值與波段的最低和最高頻率對應。課堂練習第59頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四課堂練習第60頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四課外作業2－1對于收音機的中頻放大電路，其中心頻率f0=465kHz．B0.707=8kHz，回路電容C=200PF，試計算回路電感和QL值。若電感線圈的QO=100，問在回路上應并聯多大的電阻才能滿足要求。2－3圖示為一電容抽頭的并聯振蕩回路。諧振頻率f0=1MHz，C1=400pf，C2=100pF求回路電感L。若Q0=100，RL=2kΩ，求回路有載QL值。第61頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四（二）高頻變壓器和傳輸線變壓器*第62頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四（三）石英晶體諧振器**第63頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四石英晶體諧振器石英晶體諧振器第64頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四石英晶體諧振器

石英晶體具有壓電效應：當晶體受到應力作用時,在它的某些特定表面上將出現電荷,而且應力大小與電荷密度之間存在著線性關系,這是正壓電效應；當晶體受到電場作用時,在它的某些特定方向上將出現應力變化,而且電場強度與應力變化之間存在著線性關系,這是逆壓電效應。第65頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

當交流電壓加在晶體兩端,晶體先隨電壓變化產生應變,然后機械振動又使晶體表面產生交變電荷。當外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時,晶體片的機械振動最大,晶體表面電荷量最多,外電路中的交流電流最強,于是產生了壓電諧振。石英晶體諧振器第66頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四靜態電容C0約1pF～10pF動態電感Lq約10-3H～102H動態電容Cq約10-4pF～10-1pF動態電阻rq約幾十歐到幾百歐下圖是石英晶振的符號和等效電路。由以上參數可以看到：１）石英晶振的Ｑ值和特性阻抗ρ都非常高，Ｑ值可達幾萬到幾百萬,因為：石英晶體諧振器第67頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

2）由于石英晶振的接入系數p=Cq／(C0+Cq)很小,所以外接元器件參數對石英晶振的影響很小。

因此不難理解石英晶振的頻率穩定度是非常高的。靜態電容C0約1pF～10pF動態電感Lq約10-3H～102H動態電容Cq約10-4pF～10-1pF動態電阻rq約幾十歐到幾百歐下圖是石英晶振的符號和等效電路。由以上參數可以看到：石英晶體諧振器第68頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四串聯諧振頻率并聯諧振頻率石英晶體諧振器（因為Cq<<Co）第69頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

由于Cq／C0很小,所以ｆq與ｆo間隔很小,因而在ｆq～ｆo感性區間,石英晶振具有陡峭的電抗頻率特性,曲線斜率大,利于穩頻。石英晶體諧振器容感容第70頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2－5一個5kHz的基頻石英晶體諧振器，Cq=2.4×10－2pFC0=6pF，rq=15Ω。求此諧振器的Q值和串、并聯諧振頻率。

石英晶體諧振器第71頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2－5一個5kHz的基頻石英晶體諧振器，Cq=2.4×10－2pFC0=6pF，rq=15Ω。求此諧振器的Q值和串、并聯諧振頻率。

解：串、并聯諧振頻率近似相等，為5kHz石英晶體諧振器第72頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2－5一個5kHz的基頻石英晶體諧振器，Cq=2.4×10－2pFC0=6pF，rq=15Ω。求此諧振器的Q值和串、并聯諧振頻率。

石英晶體諧振器第73頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四石英晶體濾波器下圖是石英晶體濾波器的應用電路。

將Z1、Z2、Z3、Z4看成電橋形式，當Z1、Z2阻抗異性時電橋不可能平衡，輸出端可得到足夠大的電壓輸出，此為通帶（ｆq～ｆo

之間）；

Z1、Z2阻抗同性且相等時電橋完全平衡，此時衰減最大。第74頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四石英晶體濾波器下圖是石英晶體濾波器的應用電路。

將Z1、Z2、Z3、Z4看成電橋形式，當Z1、Z2阻抗異性時電橋不可能平衡，輸出端可得到足夠大的電壓輸出，此為通帶（ｆq～ｆo

之間）；

Z1、Z2阻抗同性且相等時電橋完全平衡，此時衰減最大。衰減第75頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四（四）集中濾波器**第76頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四多級差分放大電路

常用的有石英晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器等。集中濾波器集中選頻放大器：第77頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四陶瓷濾波器

利用某些陶瓷材料的壓電效應構成的濾波器稱為陶瓷濾波器。常用鋯鈦酸鉛[Pb(zrTi)O3]壓電陶瓷材料（簡稱PZT）制成，這種陶瓷片的兩面涂銀作為電極，經過直流高壓極化之后具有和石英晶體相類似的壓電效應。

陶瓷濾波器的優點是容易焙燒，可制成各種形狀；適于小型化；且耐熱耐濕性好。它的等效品質因數QL為幾百，比石英晶體低但比LC濾波器高。第78頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四陶瓷濾波器

陶瓷濾波器在電路中主要用作選頻元件，具有性能穩定、無需調整、價格低等優點，可取代傳統的LC濾波網絡。

陶瓷濾波器按幅頻特性分為帶阻濾波器（又稱陷波器）、帶通濾波器（又稱濾波器）兩類。第79頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四陶瓷濾波器串聯諧振頻率并聯諧振頻率二端陶瓷濾波器兩端式陶瓷濾波器相當于一個單諧振回路，常用于固定的中頻濾波器。第80頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四陶瓷濾波器三端陶瓷濾波器

當1、3間的輸入信號頻率等于陶瓷片的串聯諧振頻率f0時，陶瓷片產生較大的機械振動，由于壓電效應，這個機械振動又轉換成電信號從2、3端輸出，且頻率也是f0。三端式陶瓷濾波器相當于一個雙調諧耦合回路，常可以代替中頻放大電路中的中頻變壓器。第81頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四陶瓷濾波器

圖(a)由二個諧振子組成，圖(b)由五個諧振子組成。諧振子數目愈多，濾波器的性能愈好。

適當選擇串臂和并臂陶瓷濾波器的串、并聯諧振頻率，就可得到理想的濾波特性。四端陶瓷濾波器第82頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四uo

+6V30FZ1647105121112ui

470H–6V470H470H8470H0.033F0.033F0.033F0.033F0.033F0.033F0.033F625603.3k1.2k1k4.7k30pF0.033F陶瓷濾波器選頻放大器陶瓷濾波器第83頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

聲表面波濾波器ＳＡＷＦ（SurfaceAcousticWaveFilter）是利用某些晶體的壓電效應和表面波傳播的物理特性制成的一種新型電—聲換能器件，不需要調整,而且具有良好的幅頻特性和相頻特性,其矩形系數接近１。聲表面波濾波器第84頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四聲表面波濾波器

聲表面波濾波器是在極薄的壓電材料基片上,用蒸發、光刻、腐蝕等工藝制成兩組叉指狀電極,其中與信號源連接的一組稱為發送叉指換能器,與負載連接的一組稱為接收叉指換能器。當把輸入電信號加到發送換能器上時,叉指間便會產生交變電場。

第85頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四聲表面波濾波器

由于逆壓電效應的作用,基體材料將產生彈性變形,從而產生聲波振動。向基片內部傳送的體波會很快衰減,向左傳送的聲表面波被涂于基片左端的吸聲材料所吸收,向右傳送的聲表面波由接收換能器接收,由于正壓電效應,在叉指對間產生電信號,并由此端輸出。第86頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四聲表面波濾波器

聲表面波濾波器的濾波特性,如中心頻率、頻帶寬度、頻響特性等一般由叉指換能器的幾何形狀和尺寸決定。這些幾何尺寸包括叉指對數、指條寬度a、指條間隔b、指條有效長度Ｂ和周期長度Ｍ等。第87頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四聲表面波濾波器

目前聲表面波濾波器的中心頻率可在１０MHz～１ＧHz之間,相對帶寬為５%～５０%,插入損耗最低僅幾個分貝,矩形系數可達１.２。第88頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四聲表面波濾波器下圖是聲表面波濾波器的符號和等效電路。第89頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四聲表面波濾波器

為了保證對信號的選擇性要求,聲表面波濾波器在接入實際電路時必須實現良好的匹配。下圖為一接有聲表面波濾波器的預中放電路,濾波器輸出端與一寬帶放大器相接。預中放第90頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四（五）衰減器與匹配器*第91頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四第二章高頻電路基礎2.3電子噪聲及其特性**第92頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

所謂干擾（或噪聲）,就是除有用信號以外的一切不需要的信號及各種電磁擾動的總稱。干擾與噪聲

通常將來自系統外部的稱為干擾，系統內部產生的稱為噪聲。第93頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四干擾與噪聲

外部干擾分為兩大類：自然干擾與人為干擾。自然干擾主要來源于大氣層的天電干擾、地球外層空間的宇宙射線等，人為干擾是由機電設備或其他人工裝置產生的電磁能量干擾；內部噪聲有電阻產生的熱噪聲、晶體管或場效應管產生的散粒噪聲等。第94頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四

外部干擾一般表現為一種電沖擊幅度很強的窄脈沖；內部噪聲一般為隨機噪聲，表現為不規則的電擾動，幅度不是很大但占有的頻率范圍很寬，且只能用概率分布或功率譜函數來表示。干擾與噪聲第95頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四電阻的熱噪聲

電阻熱噪聲是由于電阻內部自由電子的熱運動產生的。這種熱運動在導體內形成非常微弱的電流,呈雜亂起伏的狀態,稱為起伏噪聲電流。起伏噪聲電流流過電阻本身就會在其兩端產生起伏噪聲電壓。第96頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四電阻的熱噪聲

由于起伏噪聲電壓的變化是不規則的,其瞬時振幅和瞬時相位是隨機的,所以無法計算其瞬時值。起伏噪聲電壓的平均值為零,噪聲電壓正是不規則地偏離此平均值而起伏變化。第97頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四電阻的熱噪聲

但是起伏噪聲的均方值是確定的,可以用功率計測量出來。實驗發現：在整個無線電頻段內,當溫度一定時,單位電阻上所消耗的平均功率在單位頻帶內幾乎是一個常數,即其功率頻譜密度是一個常數（白噪聲）。第98頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四電阻熱噪聲等效電路

電阻的熱噪聲第99頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四晶