高頻電子線路第三版課件第1章 緒論

1、高頻電子線路,西安電子科技大學(xué),內(nèi)容提要,第一章 緒論,第二章 高頻電路基礎(chǔ),第三章 高頻放大器,第四章正弦波振蕩器,第五章 頻譜的線性搬移電路,第六章 振幅調(diào)制、解調(diào)及混頻,第七章 頻譜的線性搬移電路,第八章 反饋控制電路,第九章 高頻電路系統(tǒng)設(shè)計(jì),內(nèi)容提要,第一章 緒論,第二章 高頻電路基礎(chǔ),第三章 高頻放大器,第四章正弦波振蕩器,第五章 頻譜的線性搬移電路,第六章 振幅調(diào)制、解調(diào)及混頻,第七章 頻譜的線性搬移電路,第八章 反饋

2、控制電路,第九章 高頻電路系統(tǒng)設(shè)計(jì),1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述 1.2 發(fā)射前端結(jié)構(gòu)1.3 高頻電子線路發(fā)展趨勢(shì)1.3 本課程的特點(diǎn),本課程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。通信的目的和任務(wù)是傳遞消息，而無(wú)線通信系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是利用高頻（無(wú)線電）信號(hào)來(lái)傳遞消息。,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,通信是信號(hào)的傳輸、交換和處理。,高頻電路是通信系統(tǒng), 特別是無(wú)線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ), 是無(wú)線通信設(shè)備的重要組

3、成部分。,1.1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)的組成,什么是通信？,無(wú)線通信(或稱無(wú)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(wú)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是無(wú)線通信系統(tǒng)基本組成的方框圖。,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,圖1—1 無(wú)線通信系統(tǒng)的基本組成,通信終端,信源,信宿,低頻部件,音頻放大器輸出信號(hào)控制載波震蕩器的某些參數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)制,,解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程,變頻、混

4、頻器實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率的變換,放大器提高信號(hào)幅度,實(shí)現(xiàn)放大和選頻功能,震蕩器用來(lái)產(chǎn)生載波信號(hào),發(fā)信機(jī),收信機(jī),1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,接收機(jī)有超外差式和直放式兩種，兩者的差別是：超外差式接收機(jī)其中頻不變，而在直放式則不是。,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(lái)完成對(duì)接收信號(hào)的選擇和放大。 當(dāng)信號(hào)頻率改變時(shí), 只要相應(yīng)地改變本地振蕩信號(hào)頻率即可。,超外差接收機(jī)的主要缺點(diǎn)是組合干擾頻率點(diǎn)多，特別是對(duì)于鏡像頻率干擾的抑制比較麻煩。

5、,1.1.1無(wú)線通信系統(tǒng)的組成,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,,由上面可以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(hào)源、載波信號(hào)或本地震蕩信號(hào)）,（2）放大器 （高頻小信號(hào)放大器和高頻功率放大器） ,（3）混頻和或變頻 （高頻信號(hào)變換或處理）,（4）調(diào)制與解調(diào) （高頻信號(hào)變換或處理）,1.1.1無(wú)線通信系統(tǒng)的組成,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,在高頻電路中, 我們要處理的無(wú)線電信號(hào)主要有三種: 基帶（消息）信號(hào)、 高頻載波信

6、號(hào)和已調(diào)信號(hào)。,所謂基帶信號(hào), 就是沒(méi)有進(jìn)行調(diào)制之前的原始信號(hào), 也稱調(diào)制信號(hào)。,高頻載波信號(hào)主要指用于調(diào)制的高頻震蕩（載波）信號(hào)，以及用于解調(diào)的本地 震蕩信號(hào)（或恢復(fù)載波）,已調(diào)信號(hào)是指調(diào)制信號(hào)對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制以后的信號(hào)。,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,1.1.2 無(wú)線通信中的信號(hào)與調(diào)制,無(wú)線電信號(hào)有很多方面的特性，主要有時(shí)間特性、頻譜特性、調(diào)制特性和傳播特性,一、 時(shí)間特性,無(wú)線電信號(hào)的時(shí)間特性就是信號(hào)隨時(shí)間變化快慢的特性。,一個(gè)無(wú)

7、線電信號(hào), 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(lái)描述。,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,1.1.2 無(wú)線通信中的信號(hào)與調(diào)制,圖 1 — 2 信號(hào)分解,二、頻譜特性,任何形式的信號(hào)都可以分解成許多不同頻率、不同幅度的正弦信號(hào)之和，如圖所示,諧波次數(shù)越高，幅度越小，影響就越小,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,圖 1 — 3 頻譜圖,對(duì)于周期性信號(hào), 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 —

8、3即為圖 1 — 2所示信號(hào)的頻譜圖。,二、頻譜特性,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,對(duì)于非周期性信號(hào), 可以用傅里葉變換的方法分解為連續(xù)譜, 信號(hào)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(hào)中各個(gè)頻率分量的振幅和相位的分布情況。,任何信號(hào)都會(huì)占據(jù)一定的帶寬。 從頻譜特性上看, 帶寬就是信號(hào)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。 ,二、頻譜特性,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,三、 頻率特

9、性,這里所講的頻率特性就是無(wú)線電信號(hào)的頻率或波長(zhǎng)。在自由空間中, 波長(zhǎng)與頻率存在以下關(guān)系：,c = f λ （1—1）,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,圖 1 — 4 電磁波波譜,電磁波輻射的波譜很寬, 如圖 1 — 4 所示。,三、 頻率特性,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,對(duì)頻率或波長(zhǎng)進(jìn)行分段, 分別稱為頻段或波段。 不同頻段信號(hào)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

10、而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,四、傳播特性,傳播特性指的是無(wú)線電信號(hào)的傳播方式、 傳播距離、 傳播特點(diǎn)等。 無(wú)線電信號(hào)的傳播特性主要根據(jù)其所處的頻段或波段來(lái)區(qū)分。,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。,決定傳播方式和傳播特點(diǎn)的關(guān)鍵因素是無(wú)線電信號(hào)的頻率。,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,四、傳播特性,直射傳播,地波傳播,也叫視距傳播，主要適用于超短

11、波或頻率很高的無(wú)線電波。 因?yàn)轭l率大，用戶數(shù)多，所以比較常用。,主要用于中低頻信號(hào)，因?yàn)殡姴ㄑ氐孛鎮(zhèn)鞑r(shí)，能量會(huì)損耗，而波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越低，損耗越小。,傳播特性指的是無(wú)線電信號(hào)的傳播方式，傳播距離、傳播特點(diǎn),1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,天波傳播,散射傳播,電離層主要離地面60-600km,對(duì)流層主要離地面10-12km,四、傳播特性,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,五、 調(diào)制特性,無(wú)線電傳播一般都要采用高頻（射頻）的另一個(gè)原因就

12、是高頻適于天線輻射和無(wú)線傳播。,只有當(dāng)天線的尺寸到可以與信號(hào)波長(zhǎng)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(hào)功率傳播較遠(yuǎn)的距離, 接收天線也才能有效地接收信號(hào)。,什么是調(diào)制？,所謂調(diào)制, 就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的參數(shù), 使載波信號(hào)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(hào)的規(guī)律變化。,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,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

13、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。,數(shù)字調(diào)制信號(hào)，通常稱為鍵控，分別為振幅鍵控（ASK），相位鍵控（PSK）和頻率鍵控（FSK）,高頻載波為單一頻率的正弦波——正弦調(diào)制,載波為脈沖信號(hào)————————脈沖調(diào)制,五、 調(diào)制特性,1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,（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。,,（2） 按照通信方式來(lái)分類, 主要有（全）雙

14、工、 半雙工和單工方式。,（3） 按照調(diào)制方式的不同來(lái)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 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,1.1.3 無(wú)線通信系統(tǒng)的類型,1.1.3 無(wú)線通信系統(tǒng)的要求與指標(biāo),1.1 無(wú)線通信系統(tǒng)概述,無(wú)線通信系統(tǒng)的主要指標(biāo)有：有效性和可靠性。有效性——是指空間、時(shí)間、頻率的利用率，主要用傳

15、輸距離和通信容量指標(biāo)來(lái)衡量。可靠性——用失真度、誤碼率、抗干擾能力等指標(biāo)衡量。傳輸距離——是指信號(hào)從發(fā)送端到達(dá)接收端并能被可靠接收（解調(diào)）的最大距離，它與采用的通信體制和是否有中繼有關(guān)。,高頻電子線路發(fā)展趨勢(shì),高頻電路正在朝著寬帶化、集成化、單片化、模塊化和軟件化等方向發(fā)展。集成電路（IC）是整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，高頻電路的集成化已經(jīng)成為高頻電路發(fā)展的一個(gè)重要方向采用EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)軟

16、件對(duì)高頻電路和系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，不僅可以節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，縮短設(shè)計(jì)周期和生產(chǎn)周期，而且可以快速準(zhǔn)確地獲得完善的電路方案，因此，各種方便快捷的EDA軟件不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用也日益廣泛。目前，高頻電路的集成化設(shè)計(jì)幾乎全都是用EDA軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,從IC誕生之日到現(xiàn)在，大約四十年的時(shí)間，歸納起來(lái)，經(jīng)歷了四個(gè)階段，即電路集成（CI）、功能集成（FI）、技術(shù)集成（TI）和知識(shí)集成（KI）階段。更高集成度（更細(xì)工藝或更高精度） 集成度

17、的提高依賴于工藝技術(shù)的提高和新的制造方法。 更大規(guī)模和單片化 集成工藝的改進(jìn)和集成度的提高直接導(dǎo)致集成電路規(guī)模的擴(kuò)大。實(shí)際上，改進(jìn)集成工藝和提高集成度的目的也正是為了制作更大規(guī)模的集成電路。,高頻電子線路發(fā)展趨勢(shì),更高頻率 隨著無(wú)線通信頻段向高端的擴(kuò)展，勢(shì)必也會(huì)開(kāi)發(fā)出頻率更高的高頻集成電路。數(shù)字化與智能化 隨著數(shù)字技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的高頻信號(hào)處理電路可以用數(shù)字和數(shù)字信號(hào)處

18、理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如數(shù)字上/下變頻器、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)器等。這種趨勢(shì)也表現(xiàn)在高頻集成電路中。,高頻電子線路發(fā)展趨勢(shì),低功耗和小封裝 隨著系統(tǒng)功能的增加和設(shè)備小型化的發(fā)展，芯片規(guī)模和復(fù)雜度也越來(lái)越大，因此，降低芯片功耗（通常需要降低供電電壓）和縮小芯片的封裝尺寸成為高頻IC發(fā)展的必然。,高頻電子線路發(fā)展趨勢(shì),高頻EDA,一、EDA技術(shù)及其發(fā)展 EDA(Electronics Design Automati

19、on)即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，是指以計(jì)算機(jī)為基本工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算數(shù)學(xué)和拓?fù)溥壿媽W(xué)以及智能化技術(shù)等最新成果而開(kāi)發(fā)出來(lái)的電子設(shè)計(jì)軟件工具，主要進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作： IC設(shè)計(jì)電子電路設(shè)計(jì)印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)。,高頻EDA,EDA工具的推廣應(yīng)用，加深了電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性并滿足了電子產(chǎn)品上市（Time to market）的時(shí)限性。沒(méi)有EDA技術(shù)的支持，想要完成超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)與制

20、造幾乎是不可想象的。 EDA技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)、集成電路、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展，經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：第一個(gè)階段為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)階段。 20世紀(jì)70年代，隨著中小規(guī)模集成電路的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，傳統(tǒng)的手工制圖設(shè)計(jì)印刷電路板和集成電路的方法已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)精度和效率的要求，因此工程師們開(kāi)始進(jìn)行二維平面圖形的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，主要是用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行IC版圖編輯和PCB布局布線，這就是第一代的EDA工具。,第二個(gè)階段為計(jì)

21、算機(jī)輔助工程(CAE)階段。 到了20世紀(jì)80年代，CAD已不能適應(yīng)電子產(chǎn)品在規(guī)模和制作上的需要，這樣，就產(chǎn)生了第二代的EDA技術(shù)——計(jì)算機(jī)輔助工程。CAE的主要功能是：原理圖輸入，邏輯仿真，電路分析，自動(dòng)布局布線，PCB后分析。與CAD相比，它除了純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 第三個(gè)階段是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化(ESDA)階段。 20世紀(jì)90年代以后，隨著EDA技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，出

22、現(xiàn)了以高級(jí)語(yǔ)言描述、系統(tǒng)級(jí)仿真和綜合技術(shù)為特征的第三代EDA技術(shù)——電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。它的出現(xiàn)，極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率。,高頻EDA,1.本課程的核心內(nèi)容和絕大部分電路都屬于非線性電路，非線性電路在無(wú)線通信中主要完成頻譜變換功能，如混頻、倍頻、調(diào)制與解調(diào)等。,2. 對(duì)非線性電路進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析不僅困難，而且沒(méi)有十分的必要。在工程中往往根據(jù)實(shí)際情況對(duì)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(jiǎn)單的分析方法獲得具有實(shí)際意義