第1章緒論1.1無線通信系統(tǒng)概述1.2信號、頻譜與調(diào)制

1.3本課程的特點(diǎn)思考題與習(xí)題

本書主要討論用于各種電子系統(tǒng)和電子設(shè)備中的高頻電子線路。通信系統(tǒng)，特別是無線通信系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。通信的目的與任務(wù)是傳遞消息。無線通信系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是利用高頻(無線電)信號來傳遞消息。

通信中傳遞的消息的類型很多，傳輸消息的方法也很多?，F(xiàn)代通信大多以電(或光)信號的形式出現(xiàn)，因此，通常被稱作電信。傳輸電信號的媒質(zhì)(或介質(zhì))可以是有線的，也可以是無線的，而無線的形式最能體現(xiàn)高頻電路的應(yīng)用。盡管各種無線通信系統(tǒng)在所傳遞消息的形式、工作方式以及設(shè)備體制組成等方面有很大差異，但設(shè)備中產(chǎn)生、接收和檢測高頻信號的基本電路大都是相同的。本書將主要結(jié)合無線通信來討論高頻電路的線路組成、工作原理和分析、設(shè)計(jì)、仿真方法。這不僅有利于明確學(xué)習(xí)基本電路的目的和加強(qiáng)對有關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)的概念，而且對于其它通信系統(tǒng)也有典型意義。1.1無線通信系統(tǒng)概述

高頻電路是通信系統(tǒng)，特別是無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是無線通信設(shè)備的重要組成部分。1.1.1無線通信系統(tǒng)的組成無線通信(或稱無線電通信)的類型很多，可以根據(jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類。不同的無線通信系統(tǒng)，其設(shè)備組成和復(fù)雜度雖然有較大差異，但它們的基本組成不變，圖1-1是典型的無線通信系統(tǒng)基本組成方框圖。

圖1-1無線通信系統(tǒng)的基本組成圖中虛線以上部分為發(fā)送設(shè)備(發(fā)射機(jī))，虛線以下部分為接收設(shè)備(接收機(jī))，天線及天線開關(guān)為收發(fā)共用設(shè)備。信道為自由空間。話筒和揚(yáng)聲器屬于通信的終端設(shè)備，分別為信源和信宿。上下兩個(gè)音頻放大器分別是為放大話筒輸出信號和推動(dòng)揚(yáng)聲器工作而設(shè)置的，屬低頻部件，本書不討論。上面的音頻放大器輸出的信號控制高頻載波振蕩器的某個(gè)(些)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制；下面的解調(diào)器就是針對上面發(fā)射端的調(diào)制而進(jìn)行的檢波(調(diào)制的逆過程)。已調(diào)制信號的頻率若不夠高，可根據(jù)需要進(jìn)行倍頻或上混(變)頻；若幅度不夠，可根據(jù)需要進(jìn)行若干級(通常有預(yù)放、激勵(lì)和輸出三級)放大，經(jīng)天線輻射出去。接收機(jī)一般都采用超外差的形式，在通過高頻選頻放大(初步的選擇放大并抑制其它無用信號)后進(jìn)行下混(變)頻，取出中頻后再進(jìn)行中頻放大(主選擇放大，具有較大的放大增益和較強(qiáng)的濾波能力)和其它處理，然后進(jìn)行解調(diào)。超外差接收機(jī)的主要特點(diǎn)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(dāng)信號頻率改變時(shí)，只要相應(yīng)地改變本地振蕩信號頻率即可。發(fā)送設(shè)備主要完成調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波等功能，其結(jié)構(gòu)大同小異。根據(jù)調(diào)制和上變頻是否合二為一，發(fā)送設(shè)備結(jié)構(gòu)分為直接變換結(jié)構(gòu)和兩次變換結(jié)構(gòu)兩種方式，在每種方式中也都可以采用單通道調(diào)制和雙通道正交調(diào)制方式，圖1-1中的發(fā)射機(jī)為典型的一次變頻結(jié)構(gòu)。在發(fā)送設(shè)備中，一般存在兩種變換：第一種變換是將信源產(chǎn)生的原始信息變換成電信號，而這一信號的頻譜通?？拷泐l附近，屬于低頻信號，稱為基帶(Baseband)信號；第二種變換稱為調(diào)制Modulating)，是將基帶信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘栃问?一般為射頻或高頻的帶通信號)。調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號(ModulatedSignal)，相應(yīng)的沒有進(jìn)行調(diào)制之前的基帶信號也可稱為調(diào)制信號ModulatingSignal)。調(diào)制時(shí)還需要一個(gè)高頻振蕩信號，稱為載波(Carrier)，它可由高頻振蕩器(Oscillator)或頻率合成器(FrequencySynthesizer)產(chǎn)生。載波通常為單一頻率的正弦信號或脈沖號。

接收設(shè)備的任務(wù)主要是有選擇地放大空中微弱電磁信號(同時(shí)要盡可能保證信息的質(zhì)量)，并恢復(fù)有用信息。接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)通常采用超外差(SuperHeterodyne)形式，圖1-1中的接收機(jī)即為一次變頻超外差結(jié)構(gòu)。隨著設(shè)備小型化和系統(tǒng)化，接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了許多新的形式，如圖1-2和圖1-3分別為鏡頻抑制式和直接變換式(DirectConversion)或零中頻(ZeroIF)式接收機(jī)結(jié)構(gòu)。不同的接收設(shè)備結(jié)構(gòu)有不同的特點(diǎn)。圖1-2鏡像抑制接收機(jī)結(jié)構(gòu)

(a)Hartley結(jié)構(gòu)；(b)Weaver結(jié)構(gòu)圖1-3零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)超外差結(jié)構(gòu)的接收設(shè)備在接收過程中，將射頻輸入信號與本地振蕩器產(chǎn)生的信號混頻或差拍(Heterodyne)，由混頻器后的中頻濾波器選出射頻信號與本振信號頻率兩者的和頻或差頻。超外差接收機(jī)可以采用一次變頻、兩次變頻，甚至多次變頻，以降低濾波器實(shí)現(xiàn)的難度，提高鏡像頻率抑制能力。傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)采用向下變頻(DownConversion)方式，接收信號首先通過混頻前的選頻網(wǎng)絡(luò)(鏡像抑制濾波器)選出所需頻率并削弱干擾特別是鏡像干擾后，經(jīng)低噪聲放大器放大并送到混頻器進(jìn)行混頻，得到中頻信號。隨著無線通信工作頻率的不斷提高，高品質(zhì)因數(shù)Q的鏡像抑制濾波器越來越難以實(shí)現(xiàn)，因此，高性能的超外差接收機(jī)通常采用多級頻率變換結(jié)構(gòu)，使每級變頻前后的工作頻率之比在10左右。中頻信號經(jīng)中頻濾波器濾波后再進(jìn)入自動(dòng)增益控制(AGC)放大器或限幅放大器放大到合適電平，經(jīng)解調(diào)器恢復(fù)出基帶信號。由于無線信道存在衰落，輸入接收機(jī)信號電平變化范圍很大，需要接收機(jī)具有大的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)，要求輸出信號幅度在盡可能小的范圍內(nèi)波動(dòng)，這可以通過AGC電路實(shí)現(xiàn)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但對于寬帶應(yīng)用，其前端選頻網(wǎng)絡(luò)不易設(shè)計(jì)，且當(dāng)用于較高頻段時(shí)，前端選頻網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)諧性也會(huì)成為較難克服的問題。在現(xiàn)代高性能寬帶超外差接收機(jī)中，通常采用向上變頻(UpConversion)方式，并至少需要兩次頻率變換。其中的多個(gè)本振信號的頻率穩(wěn)定度要求較高(如0.5~1ppm)，這就需要采用復(fù)雜的鎖相環(huán)或高性能的頻率合成電路，也可以采用本振頻率漂移抵消設(shè)計(jì)，但這增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。在超外差接收機(jī)中，中頻頻率是固定的，當(dāng)信號頻率改變時(shí)，只要相應(yīng)地改變本地振蕩信號頻率即可。通常中頻頻率相對較低，中頻放大器可以獲得很高的穩(wěn)定增益，降低了射頻級實(shí)現(xiàn)高增益的難度，相應(yīng)地，AGC范圍也就較大。由于使用高性能的中頻濾波器(通常是晶體濾波器或聲表面波濾波器)，接收機(jī)的選擇性好，抗干擾能力強(qiáng)。超外差結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)就是組合干擾頻率點(diǎn)多，特別是對于鏡像頻率干擾的抑制頗為麻煩，因此出現(xiàn)了多種鏡頻抑制接收方案。其中，Hartley與Weaver變換結(jié)構(gòu)理論上完全消除了鏡像響應(yīng)和鏡像噪聲，結(jié)構(gòu)也比較簡單，然而，這兩種方法在實(shí)踐中都有明顯的缺點(diǎn)。Hartley結(jié)構(gòu)兩路信道功率增益失配與相位失配雖然相對較低，但是無法實(shí)現(xiàn)寬帶中頻(IF)下變換，要實(shí)現(xiàn)寬帶固定移相器是相當(dāng)困難的，且頻率越高，難度越大。Weaver結(jié)構(gòu)是寬帶IF下變換的基礎(chǔ)。第一下變頻后的第一中頻是固定的，第二中頻可以調(diào)諧到要求的IF頻率，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，兩路信道的失配度相對較大。值得注意的是，這兩種結(jié)構(gòu)方案的效用取決于最終實(shí)現(xiàn)所得到的鏡像抑制度。在實(shí)際中，由于兩路信道的增益與相位失配，完全抑制鏡像信號響應(yīng)是不可能的。而且隨著失配增大，鏡像抑制度會(huì)降低。實(shí)際上，在給定鏡像抑制要求情況下，可以在前端預(yù)選器和接收機(jī)結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。直接變換結(jié)構(gòu)也是按照超外差原理設(shè)計(jì)的，只是讓本地振蕩頻率等于載頻，使中頻為零（因此也稱為零中頻結(jié)構(gòu)），也就不存在鏡像頻率，從而也就避免了鏡頻干擾的抑制問題。接收的信號通過直接變換處理成為零中頻的低頻基帶信號，但不一定經(jīng)過解調(diào)，可能需要在基帶上進(jìn)行同步與解調(diào)。另外，直接變換結(jié)構(gòu)中射頻部分只有高放和混頻器，具有增益低，易滿足線性動(dòng)態(tài)范圍的要求；由于下變頻后為低頻基帶信號，只需用低通濾波器來選擇信道即可，省去了價(jià)格昂貴的中頻濾波器，體積小、功耗低、便于集成，多用于便攜式的低功耗設(shè)備中。但是，直接變換結(jié)構(gòu)也存在著本振泄漏與輻射、直流偏移（DCOffset）、[JP]閃爍噪聲、兩支路平衡與匹配問題等缺點(diǎn)。直接變換結(jié)構(gòu)是軟件無線電（SoftwareRadio）的基礎(chǔ)前端電路結(jié)構(gòu)，而且往往采用正交方式。在接收設(shè)備中有相應(yīng)的兩種反變換。將接收到的已調(diào)信號變換（恢復(fù)）為基帶信號的過程稱為解調(diào)（Demodulating），把實(shí)現(xiàn)解調(diào)的部件稱為解調(diào)器（Demodulator）。解調(diào)時(shí)一般也需要一個(gè)本地的高頻振蕩信號，稱為恢復(fù)載波（或插入載波）。有時(shí)將收發(fā)設(shè)備中的調(diào)制器和解調(diào)器合稱為調(diào)制解調(diào)器（Modem）。

由上面的例子可以總結(jié)出無線通信系統(tǒng)的基本組成，從中也可看出高頻電路的基本內(nèi)容應(yīng)該包括：

(1)高頻振蕩器(信號源、載波信號或本地振蕩信號)；

(2)放大器(高頻小信號放大器及高頻功率放大器)；

(3)混頻或變頻(高頻信號變換或處理)；

(4)調(diào)制與解調(diào)(高頻信號變換或處理)。在無線通信系統(tǒng)中通常需要某些反饋控制電路，這些反饋控制電路主要是自動(dòng)增益控制(AGC)或自動(dòng)電平控制(ALC)電路，自動(dòng)頻率控制(AFC)電路和自動(dòng)相位控制(APC)電路(也稱鎖相環(huán)PLL)。此外，還要考慮高頻電路中所用的元件、器件和組件，以及信道或接收機(jī)中的干擾與噪聲問題。需要說明的是，雖然許多通信設(shè)備可以用集成電路(IC)來實(shí)現(xiàn)，但是上述的單元電路通常都是由有源的和無源的元器件構(gòu)成的，既有線性電路，也有非線性電路。這些基本單元電路的組成、原理及有關(guān)技術(shù)問題，就是本書的研究對象。應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)際的通信設(shè)備比上面所舉例子要復(fù)雜得多。比如發(fā)射機(jī)的振蕩器和接收機(jī)的本地振蕩器就可以用更復(fù)雜的組件——頻率合成器(FS)來代替，它可以產(chǎn)生大量所需頻率的信號。1.1.2無線通信系統(tǒng)的類型無線通信系統(tǒng)的類型，可以根據(jù)不同的方法來劃分。按照無線通信系統(tǒng)中關(guān)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(wèi)星通信等。所謂工作頻率，主要指發(fā)射與接收的射頻(RF)頻率。射頻實(shí)際上就是“高頻”的廣義語，它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。無線通信的一個(gè)發(fā)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。所謂單工通信，指的是只能發(fā)或只能收的方式；半雙工通信是一種既可以發(fā)也可以收但不能同時(shí)收發(fā)的通信方式；而雙工通信是一種可以同時(shí)收發(fā)的通信方式。圖1-1的例子是半雙工方式，將天線開關(guān)換成雙工器就成了雙工方式。

(3)按照調(diào)制方式的不同來劃分，有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。

(4)按照傳送的消息的類型分類，有模擬通信和數(shù)字通信，也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。

1.1.3無線通信系統(tǒng)的要求與指標(biāo)無線通信系統(tǒng)的基本特性主要體現(xiàn)在有效性和可靠性兩方面。有效性就是指空間、時(shí)間、頻率的利用率，主要用傳輸距離和通信容量(信道容量)指標(biāo)來衡量；而可靠性主要用信號失真度、誤碼率、抗干擾能力等指標(biāo)衡量。

傳輸距離是指信號從發(fā)送端到達(dá)接收端并能被可靠接收的最大距離，它與采用的通信體制和是否中繼有關(guān)。在無中繼的情況下，傳輸距離決定于發(fā)送端的信號功率、信號通過信道的損耗、信號通過信道混入的各種形式的干擾和噪聲以及接收機(jī)的接收靈敏度。通信容量是指一個(gè)信道能夠同時(shí)傳送獨(dú)立信號的路數(shù)或信道速率。影響信道容量的因素包括已調(diào)信號所占有的頻帶寬度、系統(tǒng)采用的調(diào)制方式、信道條件(信噪比和信干比)和信道的復(fù)用(多址)方式以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。

信號失真度指的是接收設(shè)備輸出信號不同(失真)于發(fā)送端基帶信號的程度。產(chǎn)生信號失真的原因主要包括信道特性不理想和對信號進(jìn)行處理的電路(發(fā)送與接收設(shè)備)特性不理想。信號通過信道時(shí)，總要混入各種形式的干擾和噪聲，使接收機(jī)輸出信號的質(zhì)量下降，通信系統(tǒng)抵抗這種干擾的能力稱為通信系統(tǒng)的抗干擾能力。提高通信系統(tǒng)抗干擾能力的技術(shù)主要包括技術(shù)體制中采用的抗干擾措施、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提高的抗干擾能力和選用高質(zhì)量的調(diào)制和解調(diào)電路等幾方面。1.2信號、頻譜與調(diào)制在高頻電路中，我們要處理的無線電信號主要有三種：基帶(消息)信號、高頻載波信號和已調(diào)信號。這些無線電信號有多方面的特性，主要有時(shí)間(域)特性、頻率特性、頻譜特性、調(diào)制特性、傳播特性等。

1.時(shí)間特性一個(gè)無線電信號，可以將它表示為電壓或電流的時(shí)間函數(shù)，通常用時(shí)域波形或數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述。對于較簡單的信號(如正弦波、周期性方波等)，用這種方法表示很方便。無線電信號的時(shí)間特性就是信號隨時(shí)間變化快慢的特性。信號的時(shí)間特性要求傳輸該信號的電路的時(shí)間特性(如時(shí)間常數(shù))與之相適應(yīng)。

2.頻譜特性對于較復(fù)雜的信號(如話音信號、圖像信號等)，用頻譜分析法表示較為方便。這是因?yàn)槿魏涡问降男盘柖伎梢苑纸鉃樵S多不同頻率、不同幅度的正弦信號之和，如圖1-4所示。圖中實(shí)線為一重復(fù)頻率為F的方波脈沖信號，點(diǎn)劃線為該脈沖信號的直流分量，短虛線為其基波分量，長虛線為其直流分量、基波分量和三次諧波分量之和。諧波次數(shù)越高，幅度越小，影響就越小。圖1-4信號分解對于周期性信號，可以表示為許多離散的頻率分量(各分量間成諧頻關(guān)系)，例如圖1-5即為圖1-4所示信號的頻譜圖；對于非周期性信號，可以用傅里葉變換的方法分解為連續(xù)譜，信號為連續(xù)譜的積分。頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分，它們分別反映信號中各個(gè)頻率分量的振幅和相位的分布情況。圖1-5頻譜圖任何信號都會(huì)占據(jù)一定的帶寬。從頻譜特性上看，帶寬就是信號能量主要部分(一般為90%以上)所占據(jù)的頻率范圍或頻帶寬度。不同的信號，其帶寬不同，比如，話音的頻率范圍大致為100Hz～6kHz，其主要能量集中在300Hz～3.4kHz。射頻頻率越高，可利用的頻帶寬度就越寬，不僅可以容納許多互不干擾的信道，從而實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用或頻分多址，而且也可以傳播某些寬頻帶的消息信號(如圖像信號)，這是無線通信采用高頻的原因之一。

3.頻率特性任何信號都具有一定的頻率或波長。我們這里所講的頻率特性就是無線電信號的頻率或波長。電磁波輻射的波譜很寬，如圖1-6所示。

圖1-6電磁波波譜無線電波只是一種波長比較長的電磁波，占據(jù)的頻率范圍很廣。在自由空間中，波長與頻率存在以下關(guān)系：

c=fλ

(1-1)式中：c為光速，f和λ分別為無線電波的頻率和波長，因此，無線電波也可以認(rèn)為是一種頻率相對較低的電磁波。對頻率或波長進(jìn)行分段，分別稱為頻段或波段。不同頻段信號的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同，傳播的能力和方式也不同，因而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。表1-1列出了無線電波的頻(波)段劃分、主要傳播方式和用途等。表中關(guān)于傳播方式和用途的劃分是相對而言的，相鄰頻段間無絕對的分界線。應(yīng)當(dāng)指出，不同頻段的信號具有不同的分析與實(shí)現(xiàn)方法，對于米波以上(含米波，λ≥1m)的信號通常用集總(中)參數(shù)的方法來分析與實(shí)現(xiàn)，而對于米波以下(λ<1m)的信號一般應(yīng)用分布參數(shù)的方法來分析與實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，這也是相對的。另外，從表中可以看出，頻段劃分中有一個(gè)“高頻”段，其頻率范圍為3～30MHz，這是“高頻”的狹義解釋，它指的就是短波頻段。本課程涉及的波段可從中波到微波波段。

4.傳播特性無線通信的傳輸媒質(zhì)主要是自由空間。頻率或波長不同，電磁波在自由空間的傳播方式也不同。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(diǎn)等。無線電信號的傳播特性主要根據(jù)其所處的頻段或波段來區(qū)分。

電磁波從發(fā)射天線輻射出去后，不僅電波的能量會(huì)擴(kuò)散，接收機(jī)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(huì)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(chǎn)生折射或散射等現(xiàn)象，從而造成到達(dá)接收機(jī)時(shí)的強(qiáng)度大大衰減。根據(jù)無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)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1-7所示。決定傳播方式和傳播特點(diǎn)的關(guān)鍵因素是無線電信號的頻率。圖1-7無線電波的主要傳播方式

(a)直射傳播；(b)地面繞射傳播；(c)電離層反射傳播；(d)對流層散射傳播

一般來講，無線電信號的輻射是多方向的。由于地球是一個(gè)巨大的導(dǎo)體，電波沿地面?zhèn)鞑?繞射)時(shí)能量會(huì)被吸收(趨膚效應(yīng)引起)，通常是波長越長(或頻率越低)，被吸收的能量越少，損耗就越小，因此，中、低頻(或中、長波)信號可以以地波的方式繞射傳播很遠(yuǎn)，并且比較穩(wěn)定，多用作遠(yuǎn)距離通信與導(dǎo)航。實(shí)際上，繞射依賴于電波的波長、物體的體積與形狀、繞射點(diǎn)入射波的振幅、相位和極化情況等，當(dāng)電波的波長大于物體的體積時(shí)容易發(fā)生繞射。短波波段的無線電波沿地面?zhèn)鞑サ木嚯x很近，遠(yuǎn)距離傳播主要靠電離層。地球外部包裹著厚厚的大氣層，在大氣層中離地面60~600km的區(qū)域稱為電離層，它是由于太陽和星際空間的輻射引起大氣電離而產(chǎn)生的。電離層從里往外可以分為D、E、F1、F2

四層，D層和F1

層在夜晚幾乎完全消失，因此經(jīng)常存在的是E層和F2層。電離層對通過的電波也有吸收作用，頻率越高的信號，電離層吸收能力越弱，或者說電波的穿透能力越強(qiáng)。因此，頻率太高的信號會(huì)穿過電離層而達(dá)到外層空間。另一方面，電離層也是一層介質(zhì)，對射向它的無線電波會(huì)產(chǎn)生反射與折射作用。入射角越大，越易反射；入射角太小，容易折射。在通常情況下，對于短波信號，F(xiàn)2層是反射層，D、E層是吸收層(因?yàn)樗鼈兊碾娮用芏刃?，不滿足反射條件)。F2

層的高度約250~300km，所以，一次反射的最大跳距約4000km。應(yīng)當(dāng)指出，由于電離層的狀態(tài)隨著時(shí)間(年、季、月、天、小時(shí)甚至更小單位)而變化，因此，利用電離層進(jìn)行的短波通信并不穩(wěn)定。但由于電離層離地面較高，因此，短波通信還是一種價(jià)格低廉的遠(yuǎn)距離通信方式。需要指出，電波的反射傳播不只是存在于電離層中。由于電波在不同性質(zhì)的介質(zhì)的交界處都會(huì)發(fā)生反射，因此，當(dāng)電波遇到比波長大得多的物體時(shí)將產(chǎn)生反射，這就是說，反射也會(huì)發(fā)生于地球表面、建筑物表面等許多地方。在離地面大約10~12km范圍內(nèi)的大氣層稱為對流層，該層的空氣密度較高，所有的大氣現(xiàn)象(如風(fēng)、雨、雷、電等)都發(fā)生在這一層。散射現(xiàn)象也主要發(fā)生在對流層。在這個(gè)層中由于大氣湍流運(yùn)動(dòng)等原因形成的不均勻性就是電波的散射源。散射具有很強(qiáng)的方向性和隨機(jī)性。接收到的能量與入射線和散射線的夾角有關(guān)。散射信號隨時(shí)間的變化分為慢衰落和快衰落兩種，前者決定于氣象條件，后者由多徑傳播引起。散射傳播還有一定的散射損耗。散射傳播距離約為100~500km，適合的頻率在400~6000MHz之間。需要指出，散射是在電波通過的介質(zhì)中存在小于波長的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常大時(shí)產(chǎn)生的，因此，散射發(fā)生于粗糙表面、小物體或不規(guī)則物體等許多地方。

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。由于地球曲率的原因，直射傳播的距離有限，通常只能為視距，因此也稱為視距傳播。當(dāng)然，直線傳播方式可以通過架高天線、中繼或衛(wèi)星等方式來擴(kuò)大傳輸距離?？傊?，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，不過，前者以地波傳播為主，后者以天波(反射與折射)為主；超短波以上頻段的信號大多以直射方式傳播，也可以采用對流層散射的方式傳播。

5.調(diào)制特性調(diào)制在無線通信中的作用至關(guān)重要。無線電傳播一般都要采用高頻(射頻)的另一個(gè)原因就是高頻適于天線輻射和無線傳播。只有當(dāng)天線的尺寸大到可以與信號波長相比擬時(shí)，天線的輻射效率才會(huì)較高，從而以較小的信號功率傳播較遠(yuǎn)的距離，接收天線也才能有效地接收信號。若把低頻的調(diào)制信號直接饋送至天線上，要想將它有效地變換成電磁波輻射，則所需天線的長度幾乎無法實(shí)現(xiàn)。如果通過調(diào)制，把調(diào)制信號的頻譜搬至高頻載波頻率，則收發(fā)天線的尺寸就可大為縮小。此外，調(diào)制還有一個(gè)重要作用就是可以實(shí)現(xiàn)信道的復(fù)用，提高信道利用率。

所謂調(diào)制，就是用調(diào)制信號去控制高頻載波的參數(shù)，使載波信號的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)(振幅、頻率或相位)按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。根據(jù)載波受調(diào)制參數(shù)的不同，調(diào)制分為三種基本方式，它們是振幅調(diào)制(調(diào)幅)、頻率調(diào)制(調(diào)頻)、相位調(diào)制(調(diào)相)，分別用AM、FM、PM表示，還可以有組合調(diào)制方式。當(dāng)調(diào)制信號為數(shù)字信號調(diào)制時(shí)，通常稱為鍵控，三種基本的鍵控方式為振幅鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)和相位鍵控(PSK)。

一般情況下，高頻載波為單一頻率的正弦波，對應(yīng)的調(diào)制為正弦調(diào)制。若載波為一脈沖信號，則稱這種調(diào)制為脈沖調(diào)制。本課程中主要討論模擬消息(調(diào)制)信號和正弦載波的模擬調(diào)制，但這些原理甚至電路完全可以推廣到數(shù)字調(diào)制中去。不同的調(diào)制信號和不同的調(diào)制方式，其調(diào)制特性不同。調(diào)制的逆過程稱為解調(diào)或檢波，其作用是將已調(diào)信號中的原調(diào)制信號恢復(fù)出來。1.3本課程的特點(diǎn)

高頻電子線路廣泛應(yīng)用于通信與電子系統(tǒng)中，高頻電子線路的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求也通常具有系統(tǒng)性。應(yīng)用于電子系統(tǒng)和電子設(shè)備中的高頻電子線路幾乎都是由線性的元件和非線性的器件組成的。嚴(yán)格來講，所有包含非線性器件的電子線路都是非線性電路，只是在不同的使用條件下，

非線性器件所表現(xiàn)的非線性程度不同而已。

比如對于高頻小信號放大器，由于輸入的信號足夠小，而又要求不失真放大，因此，其中的非線性器件可以用線性等效電路來表示，分析方法也可以用線性電路的分析方法。但是，本書的絕大部分電路都屬于非線性電路，一般都用非線性電路的分析方法來分析。與線性器件不同，對非線性器件的描述通常用多個(gè)參數(shù)，如直流跨導(dǎo)、時(shí)變跨導(dǎo)和平均跨導(dǎo)，而且大都與控制變量有關(guān)。在分析非線性器件對輸入信號的響應(yīng)時(shí)，不能采用線性電路中行之有效的疊加原理，而必須求解非線性方程(包括代數(shù)方程和微分方程)。在實(shí)際中，要想精確求解十分困難，一般都采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的方法進(jìn)行近似分析。在工程上也往往根據(jù)實(shí)際情況對器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡單的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果，而不必過分追求其嚴(yán)格性。精確的求解非常困難，也不必要。高頻電子線路能夠?qū)崿F(xiàn)的功能和單元電路很多，實(shí)現(xiàn)每一種功能的電路形式更是千差萬別，但它們都是基于非線性器件實(shí)現(xiàn)的，也都是在為數(shù)不多的基本電路的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。因此，在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，要抓住各種電路之間的共性，洞悉各種功能之間的內(nèi)在聯(lián)系，而不要局限于掌握一個(gè)個(gè)具體的電路及其工作原理。當(dāng)然，熟悉典型的單元電路對識圖能力的提高和電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是非常有意義的。

近年來，集成電路和數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)迅速發(fā)展，各種通信電路甚至系統(tǒng)都可以做在一個(gè)芯片內(nèi)，稱為片上系統(tǒng)(SOC)。但要注意，所有這些電路都是以分立器件為基礎(chǔ)的，因此，在學(xué)習(xí)時(shí)要注意“分立為基礎(chǔ)，集成為重點(diǎn)，分立為集成服務(wù)”的原則。在學(xué)習(xí)具體電路時(shí)，要掌握“管為路用，以路為主”方法，

做到以點(diǎn)帶面，舉一反三，觸類旁通。高頻電子線路是在科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)展起來的，也只有通過實(shí)踐才能得到深入的了解。因此，在學(xué)習(xí)本課程時(shí)必須要高度重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)踐中積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA技術(shù))的發(fā)展，越來越多的高頻電子線路可以采用EDA軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真分析和電路板制作，甚至可以做電磁兼容的分析和實(shí)際環(huán)境下的仿真。因此，掌握先進(jìn)的高頻電路EDA技術(shù)，也是學(xué)習(xí)高頻電子線路的一個(gè)重要內(nèi)容。

1-1畫出無線通信收發(fā)信機(jī)的原理框圖，并說出各部分的功用。

1-2無線通信為什么要用高頻信號？“高頻”信號指的是什么？

1-3無線通信為什么要進(jìn)行調(diào)制？如何進(jìn)行調(diào)制？

1-4無線電信號的頻段或波段是如何劃分的？各個(gè)頻段的傳播特性和應(yīng)用情況如何？思考題與習(xí)題第2章高頻電路基礎(chǔ)與系統(tǒng)問題2.1高頻電路中的元器件2.2高頻電路中的組件2.3阻抗變換與阻抗匹配2.4電子噪聲與接收靈敏度2.5非線性失真與動(dòng)太范圍2.6高頻電路的電磁兼容思考題與習(xí)題

由上一章的介紹可知，各種無線電設(shè)備都包含有處理高頻信號的功能電路，如高頻放大器、振蕩器、調(diào)制與解調(diào)器等。雖然這些電路的工作原理和實(shí)際電路都有各自的特點(diǎn)，但是它們之間也有一些共同之處。這些共同之處就是高頻電路的基礎(chǔ)，主要包括高頻電路的基本元器件和基本組件等。各種高頻電路基本上是由無源元件、有源器件和高頻基本組件等組成的，而這些元器件和基本組件絕大部分是相同的，它們與用于低頻電路的基本元器件沒有本質(zhì)上的差異，主要需要注意這些元器件在高頻運(yùn)用時(shí)的特殊性，當(dāng)然也有一些高頻電路所特有的器件。在高頻多個(gè)單元電路中常用的兩個(gè)重要功能是選頻濾波與阻抗變換，振蕩回路、石英諧振器與集中選頻濾波器等組件都具有這兩個(gè)功能，高頻變壓器、傳輸線變壓器及阻抗匹配器則具有較好的阻抗變換能力。高頻電路的主要任務(wù)是功率的傳輸與處理，而功率的傳輸與處理又與阻抗匹配直接相關(guān)，或者說，優(yōu)化功率的傳輸與處理的充要條件是高頻電路模塊間的輸入與輸出阻抗的共軛匹配。因此，阻抗變換與阻抗匹配是高頻系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。高頻系統(tǒng)的兩個(gè)重要指標(biāo)是在小信號狀態(tài)時(shí)的噪聲系數(shù)和在大信號工作時(shí)的非線性失真。電子噪聲存在于各種電子電路和系統(tǒng)中，噪聲系數(shù)與電子噪聲密切相關(guān)，了解電子噪聲的概念對理解某些高頻電路和系統(tǒng)的性能非常有用，因此，電子噪聲與接收靈敏度、非線性失真與動(dòng)態(tài)范圍，以及高頻電路系統(tǒng)的電磁兼容問題都是高頻電路的重要問題。高頻信號會(huì)產(chǎn)生許多低頻信號所沒有的效應(yīng)，主要是分布參數(shù)效應(yīng)、趨膚效應(yīng)和輻射效應(yīng)。電子元器件的高頻特性主要就是由這些效應(yīng)引起的。集總參數(shù)元件是指一個(gè)獨(dú)立的局域性元件，能夠在一定的頻率范圍內(nèi)提供特定的電路性能。而隨著頻率提高到射頻，任何元器件甚至導(dǎo)線都要考慮分布參數(shù)效應(yīng)和由此產(chǎn)生的寄生參數(shù)，如導(dǎo)體間、導(dǎo)體或元件與地之間、元件之間的雜散電容，連接元件的導(dǎo)線的電感和元件自身的寄生電感等。由于分布參數(shù)元件的電磁場分布在附近空間，其特性也會(huì)受到周圍環(huán)境的影響，分析和設(shè)計(jì)都相當(dāng)復(fù)雜。2.1高頻電路中的元器件趨膚效應(yīng)是指當(dāng)頻率升高時(shí)，電流只集中在導(dǎo)體的表面，導(dǎo)致有效導(dǎo)電面積減小，交流電阻可能遠(yuǎn)大于直流電阻，從而使導(dǎo)體損耗增加，電路性能惡化。輻射效應(yīng)是指信號泄漏到空間中，這就使得信號源或要傳輸?shù)男盘柲芰坎荒苋枯斔偷截?fù)載上，產(chǎn)生能量損失和電磁干擾。輻射效應(yīng)還會(huì)引起一些耦合效應(yīng)，使得高頻電路的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試和測量等都非常困難。2.1.1高頻電路中的元件

各種高頻電路基本上是由有源器件、無源元件和無源網(wǎng)絡(luò)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，但要注意它們在高頻使用時(shí)的高頻特性。高頻電路中的元件主要是電阻(器)、電容(器)和電感(器)，它們都屬于無源的線性元件。高頻電纜、高頻接插件和高頻開關(guān)等由于比較簡單，這里不加討論。高頻電路中完成信號的放大、非線性變換等功能的有源器件主要是二極管、晶體管和集成電路。

1．電阻器一個(gè)實(shí)際的電阻器，在低頻時(shí)主要表現(xiàn)為電阻特性，但在高頻使用時(shí)不僅表現(xiàn)有電阻特性的一面，而且還表現(xiàn)有電抗特性的一面。電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。一個(gè)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。分布電容和引線電感越小，表明電阻的高頻特性越好。電阻器的高頻特性與制作電阻的材料、電阻的封裝形式和尺寸大小有密切關(guān)系。一般說來，金屬膜電阻比碳膜電阻的高頻特性要好，而碳膜電阻比線繞電阻的高頻特性要好;表面貼裝(SMD)電阻比引線電阻的高頻特性要好;小尺寸的電阻比大尺寸的電阻的高頻特性要好。圖2-1電阻的高頻等效電路頻率越高，電阻器的高頻特性表現(xiàn)越明顯。在實(shí)際使用時(shí)，要盡量減小電阻器高頻特性的影響，使之表現(xiàn)為純電阻。

2.電容器由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體即構(gòu)成電容。作為電路元件的電容器一般只考慮其電容量值(標(biāo)稱值)，在理論上也只按電容量來處理。但實(shí)際上一個(gè)電容器的等效電路卻如圖2-2(a)所示。其中，電阻RC為極間絕緣電阻，它是由于兩導(dǎo)體間的介質(zhì)的非理想(非完全絕緣)所致，通常用損耗角δ或品質(zhì)因數(shù)QC來表示;電感LC為分布電感或(和)極間電感，小容量電容器的引線電感也是其重要組成部分。圖2-2電容器的高頻等效電路(a)電容器的等效電路;(b)電容器的阻抗特性理想電容器的阻抗為1/(jωC)，如圖2-2(b)虛線所示，其中，f為工作頻率，ω=2πf。但實(shí)際的電容器在高頻運(yùn)用時(shí)的阻抗頻率特性如圖2-2(b)實(shí)線所示，呈V形特性，而且其具體形狀與電容器的種類和電容量的不同有關(guān)。由此可知，每個(gè)電容器都有一個(gè)自身諧振頻率SRF(SelfResonantFrequency)。當(dāng)工作頻率小于自身諧振頻率時(shí)，電容器呈正常的電容特性，但當(dāng)工作頻率大于自身諧振頻率時(shí)，電容器將等效為一個(gè)電感。

3.電感器高頻電感器與普通電感器一樣，電感量是其主要參數(shù)。電感量L產(chǎn)生的感抗為jωL，其中，ω為工作角頻率。高頻電感器一般由導(dǎo)線繞制(空心或有磁芯、單層或多層)而成(也稱電感線圈)，由于導(dǎo)線都有一定的直流電阻，所以高頻電感器具有直流電阻R。把兩個(gè)或多個(gè)電感線圈靠近放置就可組成一個(gè)高頻變壓器。工作頻率越高，趨膚效應(yīng)越強(qiáng)，再加上渦流損失、磁芯電感在磁介質(zhì)內(nèi)的磁滯損失以及由電磁輻射引起的能量損失等，都會(huì)使高頻電感的等效電阻(交流電阻)大大增加。一般地，交流電阻遠(yuǎn)大于直流電阻，因此，高頻電感器的電阻主要指交流電阻。但在實(shí)際中，并不直接用交流電阻來表示高頻電感器的損耗性能，而是引入一個(gè)易于測量、使用方便的參數(shù)——品質(zhì)因數(shù)Q來表征。品質(zhì)因數(shù)Q定義為高頻電感器的感抗與其串聯(lián)損耗電阻之比。Q值越高，表明該電感器的儲能作用越強(qiáng)，損耗越小。因此，在中短波段和米波波段，高頻電感可等效為電感和電阻的串聯(lián)或并聯(lián)。若工作頻率更高，電感內(nèi)線圈匝與匝之間及各匝與地之間的分布電容的作用就十分明顯，等效電路應(yīng)考慮電感兩端總的分布電容，它應(yīng)與電感并聯(lián)。與電容器類似，高頻電感器也具有自身諧振頻率SRF。在SRF上，高頻電感的阻抗的幅值最大，而相角為零，如圖2-3所示。

圖2-3高頻電感器的自身諧振頻率SRF2.1.2高頻電路中的有源器件

從原理上看，用于高頻電路的各種有源器件，與用于低頻或其它電子線路的器件沒有什么根本不同。它們是各種半導(dǎo)體二極管、晶體管以及半導(dǎo)體集成電路，這些器件的物理機(jī)制和工作原理，在有關(guān)課程中已詳細(xì)討論過，只是由于工作在高頻范圍，對器件的某些性能要求更高。隨著半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，能滿足高頻應(yīng)用要求的器件越來越多，也出現(xiàn)了一些專門用途的高頻半導(dǎo)體器件。

1.二極管半導(dǎo)體二極管在高頻中主要用于檢波、調(diào)制、解調(diào)及混頻等非線性變換電路中，工作在低電平。因此主要用點(diǎn)接觸式二極管和表面勢壘二極管(又稱肖特基二極管)。兩者都利用多數(shù)載流子導(dǎo)電機(jī)理，它們的極間電容小、工作頻率高。常用的點(diǎn)接觸式二極管(如2AP系列)，工作頻率可到100～200MHz，而表面勢壘二極管，工作頻率可高至微波范圍。另一種在高頻中應(yīng)用很廣的二極管是變?nèi)荻O管，其特點(diǎn)是電容隨偏置電壓變化。我們知道，半導(dǎo)體二極管具有PN結(jié)，而PN結(jié)具有電容效應(yīng)，它包括擴(kuò)散電容和勢壘電容。當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，擴(kuò)散效應(yīng)起主要作用；而當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，勢壘電容將起主要作用。利用PN結(jié)反偏時(shí)勢壘電容隨外加反偏電壓變化的機(jī)理，在制作時(shí)用專門工藝和技術(shù)經(jīng)特殊處理而制成的具有較大電容變化范圍的二極管就是變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj與外加反偏電壓u之間呈非線性關(guān)系。變?nèi)荻O管在工作時(shí)處于反偏截止?fàn)顟B(tài)，基本上不消耗能量，噪聲小，效率高。將它用于振蕩回路中，可以作成電調(diào)諧器，也可以構(gòu)成自動(dòng)調(diào)諧電路等。變?nèi)莨苋粲糜谡袷幤髦校梢酝ㄟ^改變電壓來改變振蕩信號的頻率。這種振蕩器稱為壓控振蕩器(VCO)。壓控振蕩器是鎖相環(huán)路的一個(gè)重要部件。電調(diào)諧器和壓控振蕩器也廣泛用于電視接收機(jī)的高頻頭中。具有變?nèi)菪?yīng)的某些微波二極管(微波變?nèi)莨?還可以進(jìn)行非線性電容混頻、倍頻。還有一種以P型、N型和本征(I)型三種半導(dǎo)體構(gòu)成的PIN二極管，它具有較強(qiáng)的正向電荷儲存能力。它的高頻等效電阻受正向直流電流的控制，是一電可調(diào)電阻。它在高頻及微波電路中可以用作電可控開關(guān)、限幅器、電調(diào)衰減器或電調(diào)移相器。

2.晶體管與場效應(yīng)管(FET)在高頻中應(yīng)用的晶體管仍然是雙極晶體管和各種場效應(yīng)管，這些管子比用于低頻的管子性能更好，在外形結(jié)構(gòu)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。目前雙極型小信號放大管，工作頻率可達(dá)幾千兆赫茲，噪聲系數(shù)為幾分貝。小信號的場效應(yīng)管也能工作在同樣高的頻率，且噪聲更低。一種稱為砷化鎵的場效應(yīng)管，其工作頻率可達(dá)十幾千兆赫茲以上。在高頻大功率晶體管方面，在幾百兆赫茲以下頻率，雙極型晶體管的輸出功率可達(dá)十幾瓦至上百瓦。而金屬氧化物場效應(yīng)管(MOSFET)，甚至在幾千兆赫茲的頻率上還能輸出幾瓦功率。有關(guān)晶體管和場效應(yīng)管的高頻等效電路、性能參數(shù)及分析方法將在第3章中進(jìn)行較為詳細(xì)的描述。

3.集成電路用于高頻的集成電路的類型和品種要比用于低頻的集成電路少得多，主要分為通用型和專用型兩種。目前通用型的寬帶集成放大器，工作頻率可達(dá)一二百兆赫茲，增益可達(dá)五六十分貝，甚至更高。用于高頻的晶體管模擬相乘器，工作頻率也可達(dá)一百兆赫茲以上。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，也生產(chǎn)出了一些高頻的專用集成電路(ASIC)。其中包括集成鎖相環(huán)、集成調(diào)頻信號解調(diào)器、單片集成接收機(jī)以及電視機(jī)中的專用集成電路等。

由于各種有源器件的基本原理在有關(guān)前修課程中已經(jīng)討論過，而它們的具體應(yīng)用在本書各章中又將詳細(xì)討論，這里只對高頻電路中有源器件的應(yīng)用作一概括性的綜述，下面將著重介紹和討論用于高頻中的無源網(wǎng)絡(luò)。高頻電路中的無源組件或無源網(wǎng)絡(luò)主要有高頻振蕩(諧振)回路、高頻變壓器、諧振器與各種濾波器等，它們完成信號的傳輸、頻率選擇及阻抗變換等功能。高頻電路中的其它組件，如平衡調(diào)制(混頻)器、正交調(diào)制(混頻)器、移相器、匹配器與衰減器、分配器與合路器、定向耦合器、隔離器與緩沖器、高頻開關(guān)與雙工器等，其功能和實(shí)現(xiàn)方式各異。2.2高頻電路中的組件2.2.1高頻振蕩回路高頻振蕩回路是高頻電路中應(yīng)用最廣的無源網(wǎng)絡(luò)，也是構(gòu)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(wù)，并可直接作為負(fù)載使用。下面分簡單振蕩回路、抽頭并聯(lián)振蕩回路和耦合振蕩回路三部分來討論。

1.簡單振蕩回路振蕩回路就是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)形成的回路。只有一個(gè)回路的振蕩電路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路。簡單振蕩回路的阻抗在某一特定頻率上具有最大或最小值的特性稱為諧振特性，這個(gè)特定頻率稱為諧振頻率。簡單振蕩回路具有諧振特性和頻率選擇作用，這是它在高頻電子線路中得到廣泛應(yīng)用的重要原因。

1)串聯(lián)諧振回路圖2-4(a)是最簡單的串聯(lián)振蕩回路。圖中，r是電感線圈L中的損耗電阻，r通常很小，可以忽略，C為電容。振蕩回路的諧振特性可以從它們的阻抗頻率特性看出來。對于圖2-4(a)的串聯(lián)振蕩回路，當(dāng)信號角頻率為ω時(shí)，其串聯(lián)阻抗為(2-1)回路電抗

、回路阻抗的模|ZS|和輻角隨ω變化的曲線分別如圖2-4(b)、(c)和(d)所示。由圖可知，當(dāng)ω<ω0時(shí)，回路呈容性，|ZS|>r;當(dāng)ω>ω0時(shí)，回路呈感性，|ZS|>r;當(dāng)ω=ω0時(shí)，感抗與容抗相等，|ZS|最小，并為一純電阻r，我們稱此時(shí)發(fā)生了串聯(lián)諧振，且串聯(lián)諧振角頻率ω0為

(2-2)串聯(lián)諧振頻率是串聯(lián)振蕩回路的一個(gè)重要參數(shù)。圖2-4串聯(lián)振蕩回路及其特性若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號，則發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)因阻抗最小，流過電路的電流最大，稱為諧振電流，其值為

(2-3)在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為(2-4)其模為

(2-5)其中，

(2-6)圖2-5串聯(lián)諧振回路的諧振曲線稱為回路的品質(zhì)因數(shù)，它是振蕩回路的另一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)式(2-5)畫出相應(yīng)的曲線如圖2-5所示，稱為諧振曲線。由圖可知，回路的品質(zhì)因數(shù)越高，諧振曲線越尖銳，回路的選擇性越好。因此，回路品質(zhì)因數(shù)的大小可以說明回路選擇性的好壞。另外一個(gè)反映回路選擇性好壞的參數(shù)——矩形系數(shù)的概念將在后面給出。在高頻中通常Q是遠(yuǎn)大于1的值(一般電感線圈的Q值為幾十到一二百)。在串聯(lián)回路中，電阻、電感、電容上的電壓值與阻抗值成正比，因此串聯(lián)諧振時(shí)電感及電容上的電壓為最大，其值為電阻上電壓值的Q倍，也就是恒壓源的電壓值的Q倍。發(fā)生諧振的物理意義是，此時(shí)，電容中儲存的電能和電感中儲存的磁能周期性地轉(zhuǎn)換，并且儲存的最大能量相等。在實(shí)際應(yīng)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(dāng)ω與ω0很接近時(shí)，(2-7)令(2-8)為廣義失諧，則式(2-5)可寫成(2-9)當(dāng)保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時(shí)，將回路電流值下降為諧振值的時(shí)對應(yīng)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(2-9)等于≈0.707，則可推得ξ=±1，從而可得帶寬B0.707

或B0.7為(2-10)應(yīng)當(dāng)指出，以上所用到的品質(zhì)因數(shù)都是指回路沒有外加負(fù)載時(shí)的值，稱為空載Q值或Q0。當(dāng)回路有外加負(fù)載時(shí)，品質(zhì)因數(shù)要用有載Q值或QL來表示，其中的電阻r應(yīng)為考慮負(fù)載后的總的損耗電阻。串聯(lián)振蕩回路的相位特性與其輻角特性相反。在諧振時(shí)回路中的電流、電壓關(guān)系如圖2-6所示，圖中與同相，和分別為電感和電容上的電壓。由圖可知，和反相。圖2-6串聯(lián)回路在諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系

2)并聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為低內(nèi)阻(如恒壓源)的情況或低阻抗的電路(如微波電路)。當(dāng)頻率不是非常高時(shí)，并聯(lián)諧振回路應(yīng)用最廣。并聯(lián)諧振回路是與串聯(lián)諧振回路對偶的電路，其等效電路、阻抗特性和輻角特性分別如圖2-7(b)、(c)和(d)所示。并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為(2-11)我們也定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯(lián)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(zhì)因數(shù)，有當(dāng)Q>>1時(shí)，?；芈吩谥C振時(shí)的阻抗最大，為一電阻R0

(2-12)我們還關(guān)心并聯(lián)回路在諧振頻率附近的阻抗特性，同樣考慮高Q條件下，可將式(2-11)表示為(2-13)并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng)，此時(shí)ω與ω0相差不大，式(2-13)可進(jìn)一步簡化為(2-14)式中，Δω=ω－ω0。對應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為(2-15)(2-16)上述特性可以在圖2-7中反映出來。在圖2-7(b)的等效電路中，并聯(lián)電阻R0是等效到回路兩端的并聯(lián)諧振電阻，電感和電容中沒有損耗電阻。從圖2-7(c)、(d)可以看出，Q值越高，阻抗和幅角在諧振頻率附近變化就越快。對于并聯(lián)諧振回路，若將阻抗值下降為的頻率范圍稱為通頻帶B，則它與式(2-10)相同。圖2-7并聯(lián)諧振回路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性(a)并聯(lián)諧振回路;(b)等效電路;(c)阻抗特性;(d)輻角特性在圖2-7(b)的等效電路中，流過L的電流是感性電流，它落后于回路兩端電壓90°。是容性電流，超前于回路兩端電壓90°。則與回路電壓同相。諧振時(shí)與相位相反，大小相等。此時(shí)流過回路的電流正好就是流過R0的電流。由式(2-12)還可看出，由于回路并聯(lián)諧振電阻R0為ω0L(或1/ω0C)的Q倍，并聯(lián)電路各支路電流大小與阻抗成反比，因此電感和電容中的電流為外部電流的Q倍，即有

IL=IC=QI(2-17)圖2-8表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系。圖2-8并聯(lián)回路中諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系當(dāng)信號頻率低于諧振頻率，即ω<ω0時(shí)，感抗小于容抗，此時(shí)整個(gè)回路呈感性阻抗;當(dāng)ω>ω0時(shí)，整個(gè)回路呈容性阻抗。圖2-7(d)也表示出了此關(guān)系。應(yīng)當(dāng)指出，以上討論的是高Q的情況。如果Q值較低時(shí)，并聯(lián)振蕩回路諧振頻率將低于高Q情況的頻率，并使諧振曲線和相位特性隨著Q值而偏離。下面舉一例說明簡單并聯(lián)振蕩回路的計(jì)算。

例2-1

設(shè)一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載，信號中心頻率fs=10MHz，回路電容C=50pF，(1)試計(jì)算所需的線圈電感值。(2)若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q=100，試計(jì)算回路諧振電阻及回路帶寬。(3)若放大器所需的帶寬B0.7=0.5Hz，則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求?

解

(1)計(jì)算L值。由式(2-2)，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?yōu)橐粚?shí)用計(jì)算公式:將f0=fs=10MHz代入，得

(2)回路諧振電阻和帶寬。由式(2-12)回路帶寬為

(3)求滿足0.5MHz帶寬的并聯(lián)電阻。設(shè)回路上并聯(lián)電阻為R1，并聯(lián)后的總電阻為R1∥R0，總的回路有載品質(zhì)因數(shù)為QL。由帶寬公式，有

此時(shí)要求的帶寬B0.7=0.5MHz，故回路總電阻為需要在回路上并聯(lián)7.97kΩ的電阻。

2.抽頭并聯(lián)振蕩回路在實(shí)際應(yīng)用中，常常用到激勵(lì)源或負(fù)載與回路電感或電容部分連接的并聯(lián)振蕩回路，即抽頭并聯(lián)振蕩回路。圖2-9是幾種常用的抽頭振蕩回路。采用抽頭回路，可以通過改變抽頭位置或電容分壓比來實(shí)現(xiàn)回路與信號源的阻抗匹配(如圖2-9(a)、(b))，或者進(jìn)行阻抗變換(如圖2-9(d)、(e))。也就是說，除了回路的基本參數(shù)ω0、Q和R0外，還增加了一個(gè)可以調(diào)節(jié)的因子。這個(gè)調(diào)節(jié)因子就是接入系數(shù)(抽頭系數(shù))p。它被定義為:與外電路相連的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質(zhì)總電抗之比。p也可以用電壓比來表示，即(2-18)因此，又把抽頭系數(shù)稱為電壓比或變比。下面簡單分析圖2-9(a)和(b)兩種電路。仍然考慮窄帶高Q的實(shí)際情況。對于圖2-9(a)，設(shè)回路處于諧振或失諧不大時(shí)，流過電感的電流L仍然比外部電流大得多，即IL>>I，因而UT比U大。當(dāng)諧振時(shí)，輸入端呈現(xiàn)的電阻設(shè)為R，從功率相等的關(guān)系看，有(2-19)其中，接入系數(shù)p用元件參數(shù)表示時(shí)則要復(fù)雜些。仍假設(shè)滿足IL>>I，并設(shè)抽頭部分的電感為L1，若忽略兩部分間的互感，則接入系數(shù)為p=L1/L。實(shí)際上，一般是有互感的。設(shè)上下兩段線圈間的互感值為M，則接入系數(shù)p=(L1+M)/L。對于緊耦合的線圈電感(即后面將介紹的帶抽頭的高頻變壓器)，設(shè)抽頭的線圈匝數(shù)為N1，總匝數(shù)為N，因線圈上的電壓與匝數(shù)成比例，其接入系數(shù)為p=N1/N。圖2-9幾種常見抽頭振蕩回路事實(shí)上，接入系數(shù)的概念不只是對諧振回路適用，在非諧振回路中通常用電壓比來定義接入系數(shù)。根據(jù)分析，在回路失諧不大，p又不是很小的情況下，輸入端的阻抗也有類似關(guān)系

(2-20)對于圖2-9(b)的電路，其接入系數(shù)p可以直接用電容比值表示為(2-21)在實(shí)際中，除了阻抗需要折合外，有時(shí)信號源也需要折合。對于電壓源，由式(2-18)可得U=pUT

對于如圖2-10所示的電流源，其折合關(guān)系為IT=pI(2-22)需要注意，對信號源進(jìn)行折合時(shí)的變比是p，而不是p2。圖2-10電流源的折合在抽頭回路中，由于激勵(lì)端的電壓U小于回路兩端電壓UT，從功率等效的概念來考慮，回路要得到同樣功率，抽頭端的電流要更大些(與不抽頭回路相比)。這也意味著諧振時(shí)的回路電流IL和IC與I的比值要小些，而不再是Q倍。由及可得IL=pQI(2-23)接入系數(shù)p越小，IL與I的比值也越小。在上面的分析中，曾假設(shè)IL>>I，

當(dāng)p較小時(shí)將不能滿足，因此阻抗(2-20)的近似公式的適用條件為IL/I=Pq>>1。

例2-2

如圖2-11，抽頭回路由電流源激勵(lì)，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。

例2-2

如圖2-11，抽頭回路由電流源激勵(lì)，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。圖2-11例2的抽頭回路

解由于忽略了回路本身的固有損耗，因此可以認(rèn)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(shù)等效到回路兩端的電阻為回路兩端電壓u(t)與i(t)同相，電壓振幅U=IR=2V，故輸出電壓為回路有載品質(zhì)因數(shù)回路帶寬在上述近似計(jì)算中，u1(t)與u(t)同相。考慮到R1對實(shí)際分壓比的影響，u1(t)與u(t)之間還有一小的相移。

3.耦合振蕩回路在高頻電路中，有時(shí)用到兩個(gè)互相耦合的振蕩回路，也稱為雙調(diào)諧回路。把接有激勵(lì)信號源的回路稱為初級回路，把與負(fù)載相接的回路稱為次級回路或負(fù)載回路。圖2-12是兩種常見的耦合回路。圖2-12(a)是互感耦合電路，圖2-12(b)是電容耦合回路。圖2-12兩種常見的耦合回路及其等效電路耦合振蕩回路在高頻電路中的主要功用，一是用來進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換以完成高頻信號的傳輸;一是形成比簡單振蕩回路更好的頻率特性。通常應(yīng)用時(shí)都滿足下述兩個(gè)條件:一是兩個(gè)回路都對信號頻率調(diào)諧;另一個(gè)是都為高Q電路。下面以圖2-12(a)的互感耦合回路為主來分析說明它的原理和特性。反映兩回路耦合大小的是兩線圈間的互感M，以及互感與初次級電感L1、L2

的大小關(guān)系。耦合阻抗為Zm=jXm=jωM。為了反映兩回路的相對耦合程度，可以引入一耦合系數(shù)k，它定義為Xm與初次級中與Xm同性質(zhì)兩電抗的幾何平均值之比，即(2-24)

對于圖2-12(b)電路，耦合系數(shù)為

(2-25)根據(jù)電路理論，當(dāng)初級有信號源激勵(lì)時(shí)，初級回路電流通過耦合阻抗將在次級回路中產(chǎn)生一感應(yīng)電勢，從而在次級回路中產(chǎn)生電流。次級回路必然要對初級回路產(chǎn)生反作用(即要在初級產(chǎn)生反電勢)，此反作用可以通過在初級回路中引入一反映(射)阻抗Zf來等效。反映阻抗為

(2-26)

Z2是次級回路的串聯(lián)阻抗，它具有串聯(lián)諧振的特性。當(dāng)次級回路諧振時(shí)，Zf為一電阻rf，會(huì)使初級并聯(lián)諧振電阻下降。在次級失諧時(shí)，Zf為一隨頻率變化的感性阻抗(ω<ω0)或容性阻抗(ω>ω0)。顯然，Zf的影響會(huì)使初級的并聯(lián)阻抗Z1和初次級的轉(zhuǎn)移阻抗Z21的頻率特性發(fā)生變化。耦合回路常作為四端網(wǎng)絡(luò)(兩端口網(wǎng)絡(luò))應(yīng)用，我們更關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性。假設(shè)兩回路的電感、電容和品質(zhì)因數(shù)相同(這是常見的情況)，在此條件下來分析轉(zhuǎn)移阻抗。此時(shí)有L1=L2=L，

C1=C2=C，

Q1=Q2=Q再引入兩個(gè)參數(shù)，廣義失諧

(2-27)耦合因子A=kQ(2-28)初次級串聯(lián)阻抗可分別表示為耦合阻抗為由圖2-12(c)等效電路，轉(zhuǎn)移阻抗為

(2-29)由次級感應(yīng)電勢產(chǎn)生，有

考慮次級的反映阻抗，則將上兩式代入式(2-29)，再考慮其它關(guān)系，經(jīng)簡化得(2-30)根據(jù)同樣的方法可以得到電容耦合回路的轉(zhuǎn)移阻抗特性為

(2-31)若不計(jì)常數(shù)因子，式(2-30)與式(2-31)具有相同的頻率特性。A出現(xiàn)在分子和分母中，這表示兩回路的耦合程度要影響曲線的高度和形狀。以ξ為變量，對式(2-30)求極值可知，當(dāng)耦合因子A小于1時(shí)，在ξ=0處有極大值。當(dāng)A大于1，則有兩個(gè)極大值，在ξ=0處有凹點(diǎn)。此時(shí)|Z21|曲線為雙峰。求出|Z21|的極大值|Z21|max，可以求出不同A時(shí)的歸一化轉(zhuǎn)移阻抗(2-32)通常將A=1的情況稱為臨界耦合，而將此時(shí)耦合系數(shù)稱為臨界耦合系數(shù)(2-33)而將A>1，或k>k0

稱為過耦合;A<1，或k<k0

稱為欠耦合。

圖2-13為歸一化的轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性。由圖可見，當(dāng)k<k0

的欠耦合時(shí)，

曲線較尖，帶寬窄，且其最大值也較小(比k≥k0

時(shí))。通常不工作在這種狀態(tài)。當(dāng)k增加至k0

的臨界耦合時(shí)，曲線由單峰向雙峰變化，曲線頂部較平緩。臨界耦合時(shí)的特性可將A=1代人式(2-32)得到(2-34)圖2-13耦合回路的頻率特性與前面單回路的阻抗特性(式(2-15))相比，耦合回路特性頂部平緩，帶寬要大，而且在頻帶之外，曲線下降也更陡峭。從回路對鄰近無用信號頻率的抑制來看，性能也更好。我們已知單振蕩回路的帶寬為B0.7=f0/Q。對臨界耦合回路，令|Ｚ21|/|Z21|max=，得回路帶寬為(2-35)為表示曲線邊沿的陡峭程度，通常可以用曲線接近理想矩形的程度來度量，并可以簡單地用一矩形系數(shù)Kr0.1來衡量。矩形系數(shù)的定義為

(2-36)式中，B0.7就是前面定義的下降為≈0.7的帶寬，B0.1是曲線下降為0.1時(shí)的帶寬。理想矩形時(shí)，B0.7=B0.1，矩形系數(shù)Kr0.1=1。因此，矩形系數(shù)越接近于1越好，由式(2-34)，令|Z21|/|Z21|max=0.1可得因此臨界耦合時(shí)的矩形系數(shù)為而單回路的矩形系數(shù)Kr0.1=10。

當(dāng)允許頻帶內(nèi)有凹陷起伏特性時(shí)，可以采用k>k0的過耦合狀態(tài)，它可以得到更大的帶寬。但凹陷點(diǎn)的值小于0.707的過耦合情況沒有什么應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)式(2-32)的頻率特性可以分析出最大凹陷點(diǎn)也為0.707時(shí)的耦合因子及帶寬，它們分別為A=2.41必須再一次指出，以上分析只限于高Q值的窄帶耦合回路。順便指出，多個(gè)單回路級聯(lián)的情況和參差調(diào)諧(不同回路調(diào)諧于不同頻率)的情況請參見本書第3章和其它參考書。2.2.2高頻變壓器和傳輸線變壓器在幾十兆赫茲以下的高頻范圍中，與低頻變壓器原理相同的高頻變壓器常有應(yīng)用。在高頻電路中變壓器的功用仍然是進(jìn)行信號傳輸和阻抗變換，但也可用來隔絕直流。另一種用傳輸線繞制的變壓器稱為傳輸線變壓器，它是高頻中專用的，它也可以工作在更高工作頻率(如幾百兆赫茲)，而且它的工作頻帶寬，還可以完成一些其它功能。

1.高頻變壓器變壓器是靠磁通交鏈，或者說是靠互感進(jìn)行耦合的。兩個(gè)耦合的線圈，通常只有當(dāng)兩者緊耦合時(shí)，方稱它為變壓器。如果用前面定義的互感耦合系數(shù)k表示，只有當(dāng)k接近1時(shí)，性能才接近理想變壓器。因此，高頻變壓器同樣以某種磁性材料作為公共的磁路，以增加線圈間的耦合。但高頻變壓器在磁芯材料和變壓器結(jié)構(gòu)上都與低頻變壓器有較大不同，主要表現(xiàn)在:

(1)為了減少損耗，高頻變壓器常用導(dǎo)磁率μ高、高頻損耗小的軟磁材料作磁芯。最常用的高頻磁芯是鐵氧體材料(鐵氧體材料也可用于低頻中)，一般有錳鋅鐵氧體MXO和鎳鋅鐵氧體NXO兩種。前者導(dǎo)磁率(通常以相對導(dǎo)磁率表示)高，但高頻損耗大，多用于幾百千赫茲至幾兆赫茲范圍，或者允許有較大損耗的高頻范圍。后者導(dǎo)磁率較低，但高頻損耗小，可用于幾十兆赫茲甚至更高的頻率范圍。

(2)高頻變壓器一般用于小信號場合，尺寸小，線圈的匝數(shù)較少。因此，其磁芯的結(jié)構(gòu)形狀與低頻時(shí)不同，主要采用圖2-14(a)、(b)的環(huán)形結(jié)構(gòu)和罐形結(jié)構(gòu)。初次級線圈直接穿繞在環(huán)形結(jié)構(gòu)的磁環(huán)上，或繞制在骨架上，放于兩罐之間。罐形結(jié)構(gòu)中磁路允許有氣隙，可以用調(diào)節(jié)氣隙大小的方法來微調(diào)變壓器的電感。圖2-14(c)是雙孔磁芯，它是環(huán)形磁芯的一種變形，可以在兩個(gè)孔中分別繞制線圈。圖2-14高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)(a)環(huán)形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)雙孔磁芯高頻變壓器的近似等效電路如圖2-15(b)所示。它忽略了實(shí)際變壓器中存在的各種損耗(磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗和導(dǎo)線電阻損耗)和漏感。除了元件數(shù)值范圍不同外，它與低頻變壓器的等效電路沒有什么不同。圖中，虛線內(nèi)為理想變壓器，L為初級勵(lì)磁電感，LS為漏感，CS為變壓器的分布電容。圖2-15高頻變壓器及其等效電路(a)電路符號;(b)等效電路當(dāng)高頻變壓器用于窄帶電路時(shí)，只要知道此頻率時(shí)等效電路中的參數(shù)L、LS和CS，就不難構(gòu)成實(shí)際電路并進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)用在寬帶電路，比如用作寬帶阻抗變換器時(shí)，希望在寬頻帶內(nèi)有比較均勻的阻抗和傳輸特性。由圖2-15(b)的等效電路可以看出，影響寬帶特性的因素就是L、LS和CS。在低頻端，由于勵(lì)磁電感L的阻抗小，對負(fù)載起分流作用，影響低頻響應(yīng)。在高頻端，CS阻抗起旁路作用，而漏感LS的阻抗大，起分壓作用。CS與LS是引起高頻傳輸系數(shù)下降的主要因素。L、LS和CS對變壓器頻率特性的影響，還與端接的負(fù)載阻抗大小有關(guān)。高頻變壓器在寬帶應(yīng)用時(shí)，在不同頻率范圍，可忽略某些參數(shù)的影響，進(jìn)一步簡化電路和分析。在低頻端，LS和CS的影響可忽略;在高頻端，L的旁路作用可忽略。要展寬高頻范圍，應(yīng)盡量減小LS和CS。減少變壓器的初次級線圈匝數(shù)，可以減小漏感LS和分布電容CS；但勵(lì)磁電感L將隨匝數(shù)減小而迅速減小，這會(huì)導(dǎo)致低頻響應(yīng)變差。比較好的方法是采用高導(dǎo)磁率的高頻磁芯，可以在減小匝數(shù)時(shí)保持所需的勵(lì)磁電感值。目前，在低阻抗負(fù)載電路中(幾十歐姆至上百歐姆)，在變壓比(N1/N2或N2/N1)不很大的情況下，高頻變壓器的頻帶寬度可以做到3～4個(gè)倍頻程(即最高頻率與最低頻率比為8～16)甚至還可更高些。在某些高頻電路中經(jīng)常會(huì)用到一種具有中心抽頭的三繞組高頻變壓器，稱之為中心抽頭變壓器，它可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入信號的相加或相減，在某些端口間有隔離，另一些端口間有最大的功率傳輸。

圖2-16(a)是一中心抽頭變壓器的示意圖。初級為兩個(gè)等匝數(shù)的線圈串聯(lián)，極性相同，設(shè)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(guān)系分別為U1=U2=nU3(2-37)－I3=n(I1+I2)(2-38)中心抽頭變壓器的一種典型應(yīng)用就是作為四端口器件，圖2-16(b)表示了這一情況。四端口上接有Z1、Z2、Z3、Z4阻抗，根據(jù)不同應(yīng)用，可在某些端口加信號源。中心抽頭變壓器的用途很多，可用作功率分配器、功率合成器、平衡橋電路，也可以與有源器件(二極管、晶體管)組合構(gòu)成一些非線性變換電路。第5章中的平衡調(diào)制器、環(huán)形調(diào)制器中就要用到它。圖2-16中心抽頭變壓器電路(a)中心抽頭變壓器電路;(b)作四端口器件應(yīng)用

2.傳輸線變壓器傳輸線變壓器就是利用繞制在磁環(huán)上的傳輸線而構(gòu)成的高頻變壓器。圖2-17為其典型的結(jié)構(gòu)和電路圖。圖2-17傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)和電路(a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)電路傳輸線變壓器中的傳輸線主要是指用來傳輸高頻信號的雙導(dǎo)線、同軸線。圖2-17(a)的互相絕緣的雙導(dǎo)線(一般用漆包線)應(yīng)扭絞在一起，也常用細(xì)同軸電纜繞制。傳輸線就是利用兩導(dǎo)線間(或同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間)的分布電容和分布電感形成一電磁波的傳輸系統(tǒng)。它傳輸信號的頻率范圍很寬，可以從直流到幾百、上千兆赫茲(同軸電纜)。傳輸線的主要參數(shù)是波速、波長及特性阻抗。波速與波長分別為

(2-39)(2-40)式中，εr為傳輸線的相對介電常數(shù)。因εr總是大于1(一般為2～4)，

傳輸線上的波速和波長比自由空間電磁波的波速c和波長λ0都要小。傳輸線特性阻抗ZC取決于傳輸線的橫向尺寸(導(dǎo)線粗細(xì)、導(dǎo)線間距離、介質(zhì)常數(shù))的參數(shù)。當(dāng)傳輸線端接的負(fù)載電阻值與特性阻抗ZC相等時(shí)，傳輸線上傳輸行波，此時(shí)有最大的傳輸帶寬。從原理上講，傳輸線變壓器既可以看作是繞在磁環(huán)上的傳輸線，也可以看作是雙線并繞的1∶1變壓器，因此它兼有傳輸線和高頻變壓器兩者的特點(diǎn)。傳輸線變壓器有兩種工作方式(也可以說是兩種模式)。一種是傳輸線工作方式，一種是變壓器工作方式，如圖2-18所示。不同方式?jīng)Q定于信號對它的不同激勵(lì)。傳輸線工作方式的特點(diǎn)是，在傳輸線的任一點(diǎn)上，兩導(dǎo)線上流過的電流大小相等、方向相反。兩導(dǎo)線上電流所產(chǎn)生的磁通只存在于兩導(dǎo)線間，磁芯中沒有磁通和損耗。當(dāng)負(fù)載電阻RL與ZC相等而匹配時(shí)，兩導(dǎo)線間的電壓沿線均勻分布(指振幅)，這種方式傳輸特性的頻率很寬。在變壓器方式中，信號源加在一個(gè)繞組兩端，在初級線圈中有勵(lì)磁電流，此電流在磁環(huán)中產(chǎn)生磁通。由于有磁芯，勵(lì)磁電感較大，在工作頻率上其感抗值