第1章緒論1.1電子線路分類1.2非線性電子線路在通信中的應(yīng)用1.3無線電波的傳播1.4本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)要求

1.1

電子線路分類

電子線路是指含有晶體三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等有源電子器件并能實(shí)現(xiàn)某種特定電功能的電路。例如,振蕩器、放大器、濾波器等各種信號(hào)的產(chǎn)生、放大、變換和處理電路。

1.按照工作頻率分類

按照工作頻率分類,電子線路可分為低頻電子線路、高頻電子線路和微波電子線路。

高頻工作頻率的范圍一般為300kHz~300MHz,如廣播、電視、短波通信設(shè)備等無線電設(shè)備均屬于高頻電子線路。微波工作頻率一般高于300MHz,如移動(dòng)通信設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)備、微波中繼通信設(shè)備、雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備等均屬于微波電子線路。

由于工作頻率不同,對(duì)有源器件的性能要求、電子線路的工藝結(jié)構(gòu)都不盡相同。隨著工作頻率升高,對(duì)器件的上限頻率要求也提高,晶體管極間電容、電極的引線電感、載流子擴(kuò)散漂移時(shí)間等因素的影響都會(huì)逐漸明顯起來,以至于變成必須考慮的主要因素。

電路的制造工藝由印刷電路板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成微型集成電路結(jié)構(gòu),電路各級(jí)間的隔離、屏蔽和電源的饋給等都隨之發(fā)生變化。

2.按照流通的信號(hào)形式分類

按照流通的信號(hào)形式分類,電子線路可分成模擬電子線路和數(shù)字電子線路。凡是完成模擬信號(hào)的產(chǎn)生、放大、變換、處理和傳輸?shù)碾娮泳€路統(tǒng)稱為模擬電子線路。模擬信號(hào)比較

直觀形象,但是電路的抗干擾能力差且不便于用計(jì)算機(jī)處理。凡是完成數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生、放大、變換、處理和傳輸?shù)碾娮泳€路統(tǒng)稱為數(shù)字電子線路。數(shù)字信號(hào)可以再生,其抗干擾能力強(qiáng),并且便于用計(jì)算機(jī)處理。在電子信息各個(gè)領(lǐng)域中,要根據(jù)不同的用途和要求選取不同的電路。

3.按照線性和非線性分類

按照線性和非線性分類,電子線路可分為線性電子線路和非線性電子線路。線性電子線路由線性元件組成,具有疊加性和均勻性,適用疊加定理。非線性電子線路含有非線性

元件。非線性電子線路具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(3)非線性器件的響應(yīng)取決于工作點(diǎn)位置與輸入信號(hào)大小。圖1-1所示是晶體三極管非線性轉(zhuǎn)移特性。在圖1-1(a)中,靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于放大區(qū),當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí),動(dòng)態(tài)范圍位于線性段,可以近似為線性工作,輸出信號(hào)不失真,即所謂的甲類工作狀態(tài);當(dāng)輸入信號(hào)為大信號(hào)時(shí),輸入信號(hào)有部分進(jìn)入截止區(qū),即進(jìn)入非線性區(qū),為非線性工作,輸出信號(hào)失真,即所謂的甲乙類工作狀態(tài)。在圖1-1(b)中,靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于截止區(qū),無論輸入信號(hào)有多大,都將進(jìn)入非線性區(qū),輸出信號(hào)失真,即所謂的乙類工作狀態(tài)。

圖1-1

晶體三極管非線性轉(zhuǎn)移特性

(4)采用工程近似分析方法。非線性電路的數(shù)學(xué)描述是非線性方程,在求解非線性方程時(shí)頗為復(fù)雜和困難。在工程上一般采用近似分析方法,根據(jù)實(shí)際情況對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型

和電路條件進(jìn)行合理近似,以便使用簡(jiǎn)單的分析方法獲得具有實(shí)用意義的結(jié)果。

1.2非線性電子線路在通信中的應(yīng)用非線性電子線路廣泛地應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域,因此又稱之為通信電子線路。

1.2.1

無線通信的發(fā)展與應(yīng)用無線通信是在逐漸發(fā)展的電路理論和電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上得以實(shí)現(xiàn)的。1831年,英國的法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。1837年,英國的麥克斯韋提出了電磁場(chǎng)理論。1888年,德國的赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。以上這一切,都為發(fā)明無線通信奠定了重要的基礎(chǔ)。

無線通信技術(shù)的發(fā)展具有以下三個(gè)特征:

(1)無線通信所應(yīng)用的振蕩頻率不斷升高,從長(zhǎng)波、中波發(fā)展到短波、超短波,直至微波,隨之傳送的信號(hào)頻率范圍不斷加寬,從幾百赫茲、幾千赫茲到幾千兆赫茲。

2)無線通信技術(shù)所采用的電子元件和器件不斷更新,由電子管到晶體管,又發(fā)展到集成電路。電阻器、電容器、電感線圈以及各種接插件、開關(guān)、導(dǎo)線等各種新型元器件不斷

出現(xiàn)。

(3)近代無線通信承擔(dān)的任務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了通信范圍,它與各學(xué)科的發(fā)展緊密地聯(lián)系在一起,成為各門學(xué)科發(fā)展的重要工具。

下面列出無線通信技術(shù)的一些主要應(yīng)用場(chǎng)合:

(1)無線電報(bào)——利用無線電波傳遞電報(bào)信號(hào)。

(2)無線電話——利用無線電波傳送語音信號(hào)。

(3)無線電廣播——利用無線電波給千家萬戶送去語音、音樂和各種信息。

(4)無線電傳真——將照片、文字(文件)等隨著無線電波的傳播從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方。

(5)無線電廣播電視——隨著無線電波的傳播給千家萬戶送去活動(dòng)影像和信息。電視技術(shù)還在工業(yè)、醫(yī)療、教育、國防、公安等部門得到廣泛應(yīng)用。

(6)無線電定位——利用無線電波的反射來測(cè)定天空中、水面上或陸地上各種目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)情況,軍事上應(yīng)用極廣,如航空雷達(dá)。

(7)無線電導(dǎo)航——利用無線電定位設(shè)備和其他電子設(shè)備,引導(dǎo)飛機(jī)在復(fù)雜氣象條件下飛行和著陸,或幫助艦船在大霧中航行和靠岸。

(8)無線電超聲波技術(shù)——利用超聲波(可以在水中傳播)測(cè)海深、探魚群和暗礁的位置,測(cè)繪海深地圖。超聲波可作為水中通信工具或操縱水中武器,在這方面已發(fā)展成為一

門與國防有關(guān)的科學(xué)——水聲學(xué)。

(9)無線電天文學(xué)——無線電技術(shù)和天文學(xué)結(jié)合而形成的學(xué)科。它通過分析天體所發(fā)射的電磁波來研究宇宙,用天文無線電望遠(yuǎn)鏡來觀測(cè)天體。

(10)無線電氣象學(xué)——用無線電技術(shù)研究地球表面大氣中的復(fù)雜氣象過程,可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、暖流、寒流、雨、雪等氣象情況。

(11)無線電遙測(cè)、遙控技術(shù)——利用無線電技術(shù)遠(yuǎn)距離測(cè)量各種物理量,控制各種機(jī)件的動(dòng)作,可以使生產(chǎn)過程自動(dòng)化。

(12)辦公室自動(dòng)化、家用電器自動(dòng)化——利用無線電技術(shù)控制辦公室設(shè)備和家用電器。

(13)電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是近代無線電技術(shù)發(fā)展的一大成就。

上述各種無線通信技術(shù)的應(yīng)用,都伴隨著各種性質(zhì)的消息的傳送。而無線通信技術(shù)在工業(yè)上的其他許多應(yīng)用,卻并不傳送什么消息,如高頻加熱、高頻焊接、微波爐等。

1.2.2非線性電子線路應(yīng)用舉例:無線電廣播系統(tǒng)

1.無線電廣播發(fā)送設(shè)備的工作原理

一個(gè)典型的無線電廣播發(fā)送設(shè)備(或無線電廣播發(fā)射機(jī))的組成框圖及各點(diǎn)波形如圖1-2所示。

圖1-2無線電廣播發(fā)送設(shè)備的組成框圖

2.無線電廣播接收設(shè)備的工作原理

1)最簡(jiǎn)單的接收機(jī)——直接檢波式接收機(jī)

最簡(jiǎn)單的直接檢波式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形如圖1-3所示。圖1-3直接檢波式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形

2)高放式接收機(jī)

一般把帶有高頻放大器的接收機(jī)稱為高放式接收機(jī)。另外,為了能推動(dòng)功率大一點(diǎn)的揚(yáng)聲器放聲,還需在檢波器后面加音頻放大器。高放式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形如圖1-4所示。圖1-4高放式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形

3)超外差式接收機(jī)

超外差式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形如圖1-5所示。圖1-5超外差式接收機(jī)的組成框圖及各點(diǎn)波形

由于中頻頻率固定不變,選臺(tái)時(shí)中頻放大器的調(diào)諧回路就不需要再調(diào)整,中頻放大器的選擇性、通頻帶質(zhì)量可以得到保證;而且中頻頻率相對(duì)較低,中頻放大電路增益可以做得較高,能提高整機(jī)增益和靈敏度。這些都是超外差式接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

1.3無線電波的傳播

1.3.1-無線電波波段的劃分電磁波的范圍很廣,它包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、宇宙射線等等。無線電波是波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的一種電磁波,它所占有的頻率范圍很廣,約為10kHz~10000Ghz(104~1013Hz),波長(zhǎng)范圍為30000m~0.3mm。無線電波各波段的名稱、波長(zhǎng)與頻率范圍、相應(yīng)的頻段名稱以及主要用途如表1-1所示。

1.3.2無線電波各波段的傳播特點(diǎn)

1.無線電波的基本傳遞方式

無線電波和光波一樣,具有直射、繞射、反射和折射等現(xiàn)象。按照由發(fā)射天線到接收天線的傳播途徑不同分類,無線電波傳播包括表面波(地面波)、天波和空間波三種方式。

1)表面波

表面波主要依靠繞射方式傳播,即電波沿著彎曲的地球表面行進(jìn)到接收點(diǎn),如圖1-6所示。圖1-6表面波傳播方式

2)天波

天波是依靠電離層的反射和折射到達(dá)接收點(diǎn)的,如圖

1-7所示。圖1-7天波傳播方式

3)空間波

空間波是在空間傳播的,主要包括直射波和反射波,如圖1-8所示?？臻g波一般適用于微波的傳播。圖1-8空間波傳播方式

2.各波段傳播特點(diǎn)

(1)長(zhǎng)波波段用地面波方式傳播有利,因損耗小,可遠(yuǎn)距離傳輸。

(2)中波波段的傳播特點(diǎn)與長(zhǎng)波相似,可用地面波方式和天波方式傳播。

(3)短波波段的特點(diǎn)是地面的吸收比較嚴(yán)重,用地面波傳播很不利,傳播距離不超過幾十千米。

短波傳播還有兩個(gè)突出的特點(diǎn):

①短波天波傳播受電離層的影響很大,而電離層的物理特性經(jīng)常變化,所以短波傳播很不穩(wěn)定。通常在兩點(diǎn)之間進(jìn)行短波通信時(shí),接收信號(hào)往往會(huì)突然減弱,有時(shí)甚至無法收到,這種現(xiàn)象稱為衰弱,它是短波通信的一個(gè)嚴(yán)重問題,為了保持良好的通信質(zhì)量,必須根據(jù)電離層的變化規(guī)律,經(jīng)常更換工作頻率。

②在離開短波發(fā)射電臺(tái)一定距離的范圍內(nèi),有一段信號(hào)無法到達(dá)的中間地帶,這個(gè)區(qū)域稱為寂靜區(qū),如圖1-9所示。出現(xiàn)寂靜區(qū)的原因是,地面波傳播的傳輸距離不遠(yuǎn),而天波傳播的傳輸距離又較遠(yuǎn),兩者之間會(huì)出現(xiàn)一段天波和地面波都傳播不到的中間地帶。圖1-9短波通信中的寂靜區(qū)

(4)超短波和微波由于頻率太高,地面損耗大增,繞射能力不強(qiáng),不能用地面波方式傳播。同時(shí)超短波和微波在電離層中反射得很小,大部分電波穿透電離層后一去不復(fù)返,故也不能用天波方式傳播。所以超短波和微波通常是靠直線傳播,即主要用空間波的傳播方式,作用距離大致限制在幾十千米的視距范圍之內(nèi)。

1.4本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)要求

1.本課程的內(nèi)容——三大類電路(1)高頻放大電路——在輸入信號(hào)作用下,可將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為按輸入信號(hào)規(guī)律變化的被放大的輸出信號(hào)。例如,小信號(hào)諧振放大器、諧振功率放大器。

(2)高頻振蕩電路——在不