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?
解
(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