第1章緒論

1.1電子線路的分類

1.2線性與非線性電子線路1.3非線性電子線路的應用1.4本課程的要求1.1電子線路的分類按工作頻率分低頻電子線路：工作頻率低于300kHz。高頻電子線路：工作頻率在300kHz----300MHz。廣播、電視、短波通信、移動通信等。微波電子線路：頻率高于300MHz。衛星電視、微波中繼通信、雷達、導航等。電子線路的定義：包含有源器件的網絡的統稱。按信號形式分模擬電子線路：所有完成模擬信號產生、放大、變換、處理和傳輸的電子線路。按集成度分數字電子線路：所有完成數字信號產生、放大、變換、處理和傳輸的電子線路。分立電路集成電路集成電路與分立電路相比，集成電路具有體積小、性能穩定、可靠性高、維修使用方便等優點。但是，由于頻率響應和功率容量的限制，目前高頻、大功率電子線路還是以分立為主。按元件性質分線性電子線路：由線性元件組成的電子線路。恒定參數電子線路：由恒定參數元件組成的電子線路。線性電路是用線性代數方程、線性微分方程或線性差分方程來描述。非線性電子線路：由非線性元件組成的電子線路。非線性電子線路是用非線性代數方程、非線性微分方程或非線性差分方程來描述。參變電子線路或時變電路：包含有時變參數元件的電子線路。由于本書研究的主要是非線性電子線路，所以必須對線性電子線路和非線性電子線路有一個正確的認識。線性電子線路具有線性特性，也就是它具有疊加性和均勻性，適用疊加定理。非線性電子線路與線性電子線路有五點不同。1.2線性與非線性電子線路非線性電子線路與線性電子線路的五個不同點非線性電子線路不具有疊加性和均勻性，不適用疊加定理。如：在穩定狀態下，非線性電子線路輸出變量中含有新的頻率分量。如：3.

處于非線性狀態工作的有源器件，如晶體三極管、場效應管、運算放大器等，它們的輸出響應與器件工作點的選取和輸入信號的大小有關。這一點，可以用圖1.1說明。圖1.1示出了晶體三極管的轉移特性。圖1.1(a)中，靜態工作點取在放大區，當輸入信號很小時，可近似認為是線性工作。集電極電流的變化ΔiC與輸入信號ui近似為線性關系。隨著輸入信號幅度的增大，由于器件的非線性，集電極電流開始出現失真，以至變為余弦脈沖形狀。圖1.1(b)示出當靜態偏置電壓小于零，晶體管靜態處于截止狀態時，隨著輸入信號的增加，集電極電流開始為零，以后變為余弦脈沖的形狀。圖1.1非線性工作的晶體三極管集電極電流與靜態工作點和輸入信號大小的關系

(a)靜態工作點處于放大區；(b)靜態工作點處于截止區圖1.1非線性工作的晶體三極管集電極電流與靜態工作點和輸入信號大小的關系

(a)靜態工作點處于放大區；(b)靜態工作點處于截止區(1.2―1)4.描述非線性器件特性的參量有三種：一是靜態參量，也稱為直流參量；二是動態參量，也稱為交流參量；三是折合參量，也稱為平均參量。用這三種參量綜合起來描述一個非線性器件的工作狀態。如晶體三極管在非線性狀態下工作，它的跨導要用直流跨導、交流跨導和平均跨導三個參量來表述。所謂直流跨導就是靜態工作點的電流與靜態工作點的電壓之比。如圖1.2(a)所示，直流跨導(1.2―2)當輸入信號ui=Uimcosωt，晶體管的集電極電流為余弦脈沖時(見圖1.1(b))，利用傅立葉級數展開交流跨導是在靜態工作點處的電流增量與電壓增量之比。如圖1.2(b)所示，交流跨導圖1.2直流跨導與交流跨導(a)直流跨導示意圖；(b)交流跨導示意圖(1.2―3)其中包含有直流、基波和各次諧波分量。取其中一個諧波分量的幅值Inm與輸入電壓幅值Uim相比，得到的比值gcn就是第n次諧波的平均跨導。如二次諧波的平均跨導為5.非線性電子線路的數學描述是非線性方程。非線性微分方程的精確求解是一個難題，時至今日，二階以上的非線性微分方程還沒有實用的求解方法。在工程上一直沿用的是近似解法，本書也將采用這種方法。隨著計算技術的發展，二階以下的非線性微分方程可以采用計算機數值解法，這種方法將會逐步走向實用。1.3非線性電子線路的應用

非線性電子線路是通信系統,特別是無線通信系統的基礎,是無線通信設備的重要組成部分。

1.3.1無線通信系統的組成

無線通信(或稱無線電通信)的類型很多,可以根據傳輸方法、頻率范圍、用途等分類。不同的無線通信系統,其設備組成和復雜度雖然有較大差異,但它們的基本組成不變,圖1.4是無線通信系統基本組成的方框圖。圖1.3通信系統的框圖圖1.4無線廣播發送設備與接收設備框圖

(a)發送設備圖1.4無線廣播發送設備與接收設備框圖

(b)接收設備超外差接收機的主要特點就是由頻率固定的中頻放大器來完成對接收信號的選擇和放大。當信號頻率改變時,只要相應地改變本地振蕩信號頻率即可。由上面的例子可以總結出無線通信系統的基本組成,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（2）放大器（3）混頻或變頻（4）調制與解調注：混頻器：器件本身僅能實現頻率變換，本振信號由另外器件產生。變頻器：器件本身既能產生振蕩電壓又能實現頻率變換1.3.2無線通信系統的類型

按照無線通信系統中關鍵部分的不同特性,有以下一些類型:

（1）按照工作頻段或傳輸手段分類,有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛星通信等。所謂工作頻率,主要指發射與接收的射頻（RF）頻率。射頻實際上就是“高頻”的廣義語,它是指適合無線電發射和傳播的頻率。無線通信的一個發展方向就是開辟更高的頻段。（2）按照通信方式來分類,主要有（全）雙工、半雙工和單工方式。（3）按照調制方式的不同來劃分,有調幅、調頻、調相以及混合調制等。（4）按照傳送的消息的類型分類,有模擬通信和數字通信,也可以分為話音通信、圖像通信、數據通信和多媒體通信等。各種不同類型的通信系統,其系統組成和設備的復雜程度都有很大不同。但是組成設備的基本電路及其原理都是相同的,遵從同樣的規律。本書將以模擬通信為重點來研究這些基本電路,認識其規律。這些電路和規律完全可以推廣應用到其它類型的通信系統。1.3.3傳播特性

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分。電磁波從發射天線輻射出去后,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—5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。

圖1—5無線電波的主要傳播方式（a）直射傳播;（b）地波傳播;（c）天波傳播;（d）散射傳播1.地波：其傳播情況取決于地面條件。

1）地面對電磁波有吸收現象。

2）電磁波頻率越低，損耗越小。

3）電磁波具有繞射的特性。地波傳播適用于長波、中波（即中、低頻）多用于遠距離通信與導航。2.天波：是經過距地面60—600Km的電離層反射后，傳播到接收點的電磁波。主要優點是用較小的功率進行遠距離通信。天波傳播適用于短波波段。3.散射傳播：主要發生在10—12Km范圍內的對流層。散射特性是具有很強的方向性和隨機性，還有一定的散射損耗。傳播距離100—500km，適用頻率在400—600MHz。4.視距傳播：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。緒論：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，超短波以上頻段信號大多以直射方式傳播，也可用對流層散射的方式傳播。現代通信系統

70年代以前，通信系統主要是模擬體制，接收機如前介紹的超外差接收機，70—80年代無線電通信實現了模擬

數字的大轉變，從系統控制（選臺調諧、音量控制，均衡控制等）到信源編碼、信道編碼，以及硬件實現技術都無一例外地實現了數字化。現代超外差接收機可用下圖來表示，它是一個模擬與數字的混合系統。軟件無線電

進入90年代后，通信界開始了一場新的無線電革命，即從數字化走向了軟件化，軟件無線電技術（softwareRadio）應運而生。支持這場革命的是多種技術的綜合，包括多頻段天線和RF變換寬帶A/D/A轉換，完成IF、基帶、比特流處理功能的通用可編程處理器等。軟件無線電最初目的是滿足軍用通信中不同頻段，不同信道調制方式和數據方式的各類電臺之間的聯網需要，因為它可以很容易地解決各種接口標準之間的兼容問題，使得它的優越性很快得到商用通信的青睞，并且在個人移動通信領域發展迅速。軟件無線電是特指具有用軟件實現各種功能特點的無線電臺（如移動通信中的移動電話機、基站電臺、軍用電臺等），它主要由低成本、高性能的DSP芯片組成。規范的軟件無線電典型結構如下圖所示。軟件無線電的標志：

1.無線通信功能是由軟件定義并完成的，這種完全的可編程能力包括可編程的射頻波段、信道接入方式、信道調制方式與糾錯算法等，軟件無線電區別于軟件控制的數字無線電。

2.在盡可能靠近天線的地方使用A/D/A轉換器，因為信號的數字化是實現軟件無線電的首要條件。理想軟件無線電系統中的A/D/A轉換器已相當靠近天線，從而可對高頻信號進行數字化處理，這也是它與常用的數字通信系統的根本區別所在。

軟件無線電的特點：

1.具有完全的可編程性通過安裝不同的軟件來實現不同的電路功能，包括工作模式，系統功能，擴展業務等。

2.軟件無線電基于DSP技術

系統所需要的信號處理工作有變頻、濾波、調制解調，信道編譯碼，接口協議與信令處理，加解密、抗干擾處理，以及網絡監控管理。3.

其有很強的靈活性及可擴充性可以任意轉換信道接入方式，改變調制方式或接收不同系統的信號。4.

具有集中性由于軟件無線電結構具有相對集中和統一的硬件平臺，所以多個信道可以享有共同的射頻前端與寬帶A/D/A轉換器，從而可以獲取每一信道的相對廉價的信號處理性能。由于大規模集成電路的數字無線電和軟件無線電收發信機，其內部的基本功能，基本原理，工作流程和電路結構與傳統的超外式無線電收發信機并無太大差異，經典高頻電子線路的分析方法與設計思想仍可作為現代無線電新技術的理論基礎。而且，由于目前器件水平的限制，軟件無線電技術還基本只能在通信系統的基帶處理部分得到較好發揮，還必須采用與傳統電路結合的方式進行系統研制。要超越器件水平的限制，進行深入的理論研究，提出新的解決方案和好的算法，也需要借助于一些經典的通信電路理論。數字通信中的很多電路功能也基本上用模擬電路實現。因此，本門課程中仍以基本模擬通信電子電路為主要內容進行分析。1.4本課程的特點

第一、在掌握典型非線性電子線路原理的基礎上，學會非線性電子線路的分析方法。第二、非線性電子線路采用的是工程近似分析法，近似都是有條件約束的。第三、非線性電子線路比線性電路復雜，它所涉及的知識面更廣，因此要注意知識的綜合能力。附：LC諧振回路

LC諧振回路是高頻電路中應用最廣的無源網絡,也是構成高頻放大器、振蕩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,并可直接作為負載使用。

1.簡單諧振回路諧振回路就是由電感和電容串聯或并聯形成的回路。只有一個回路的振蕩電路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路。（1）串聯諧振回路。圖1（a）是最簡單的串聯振蕩回路。圖1串聯震蕩回路及其特性在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為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,其值為其模為其中,（附1）

圖2串聯諧振回路的諧振曲線圖3串聯回路在諧振時的電流、電壓關系稱為回路的品質因數,它是振蕩回路的另一個重要參數。根據式（附1）畫出相應的曲線如圖2所示,稱為諧振曲線。令為廣義失諧,則式（附1）可寫成在實際應用中,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,（附2）(2—10)

(2）并聯諧振回路。串聯諧振回路適用于電源內阻為低內阻（如恒壓源）的情況或低阻抗的電路（如微波電路）。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。令式（附2）等于,則可推得ξ=±1,從而可得帶寬為.

圖4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

并聯諧振回路的并聯阻抗為(2—11)式中,Q為回路的品質因數,有當時,

。回路在諧振時的阻抗最大,為一電阻R0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（附3）并聯回路通常用于窄帶系統,此時ω與ω0相差不大,式（附3）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5表示了并聯振蕩回路中諧振時的電流、電壓關系。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?

解

(1)計算L值。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)回路諧振電阻和帶寬。回路帶寬為

(3)求滿足0.5MHz帶寬的并聯電阻。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,故回路總電阻為需要在回路上并聯7.97kΩ的電阻。U—部分電抗兩端電壓UT—總電抗兩端的電壓2)抽頭并聯振蕩回路作用：實現阻抗匹配或阻抗變換。見圖接入系數（或抽頭系數）p的定義：與外電路相聯的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質總電抗之比。也可用電壓比來表示。圖6幾種常見抽頭振蕩回路高Q值時：L1對于圖2—9（b）的電路,其接入系數p可以直接用電容比值表示為4)在回路失諧不大，又p不很小時：電壓源的折合:

U=pUT圖7電流源的折合

及如圖7的電流源的折合：諧振時的回路電流IL和IC與I的比值要小些,而不再是Q倍。由可得圖8抽頭回路

例2

如圖8，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)的表示式及回路帶寬。諧振角頻率為電阻R1的接入系數等效到回路兩端的電阻為解由于忽略了回路本身的固有損耗,因此可以認為Q