高频-第2章 高频电路基础 (3)滤波器与阻抗变换

其左边为发送换能器，is和Gs表示信号源。G中消耗的功率 相当于转换为声能的功率。右边为接收换能器，GL为负载电 导，GL中消耗的功率相当于再转换为电能的功率。
入 (a)
出
Is Gs
C
G
(b)
G
C
GL
声表面滤波器的符号与等效电路
声表滤波器的主要特点：
① 工作频率高，中心频率在10MHz–1GHz之间，且频带宽， 相对带宽为0.5%~25%。 ② 尺寸小，重量轻。动态范围大，可达100dB。 ③ 由于利用晶体表面的弹性波传送，不涉及电子的迁移过程 所以抗辐射能力强。 ④ 温度稳定性好。 ⑤ 选择性好，矩形系数可达1.2。 在电视机的中频通道电路中作为中频通道滤波器使用，实 现集中滤波功能，免调试。
换能器的指宽a，指与指之间间距b决定声波波长.相邻两极 的电场相位差为180，当不同极指相邻指极的间距为声波长的 一半时，声波经传输延时的相位差刚好是180度，便形成同向 叠加。偏离此波长的其他频率，便会相互抵消，因此可以实 现滤波作用。
符号及等效电路
声表面波滤波器的符号如图(a)所示，图(b)为它的等效电路.
并联谐振频率 p
式中，C 为C0和C8串联后的电容。
陶瓷滤波器电路
四端网络陶瓷滤波器（由双电极或三电极陶瓷滤 波器构成）： 如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式，即为四 端（二端口网络）陶瓷滤波器。图(a)为由二个谐 振子组成的滤波器，图(b)为由五个谐振子组成四 端滤波器。谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好。 图（C）为四端陶瓷滤波器（三电极陶瓷滤波器）
RL (1 Q 2 ) 2 L2 Q
2.4 电子噪声
噪声是一种随机信号，其频谱分布于整个无线电工作 频率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。 噪声和干扰是两个不同的术语，但没有本质的区别。 习惯上，将外部的称为干扰，内部的称为噪声。 干扰与噪声的分类如下： （1）干扰一般指外部干扰，可分为自然的和人为的干扰。 自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。 人为干扰 主要有工业干扰和无线电器的干扰。
2L1
2L2
(a)
(b)
2L1
2L2 (a)
图（a）选中心频率为串 臂的串联谐振和并臂的并 联谐振频率，串臂的并联 谐振和并臂的串联谐振分 别为上下截止频率.
2.声表面波滤波器（SAWF）
声表面波滤波器SAWF（Surface Acoustic Wave
Filter）是一种以铌酸锂、石英或锆钛酸铅等压电材 料为衬底（基体）的一种电声换能元件。
沿着不同的轴切下，有不同的切型，X切型、Y
切型、AT切型、BT、CT……等等。 石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶 体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴 产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在 电轴方向产生电场。且换能性能具有谐振特性，在 谐振频率，换能效率最高。
石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性， 因而存在着固有振动频率，当晶体片的固有频率与 外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。
3. 薄膜体声（FBAR薄膜体声波谐振器）滤波器
这是一种体积更小、损耗更低、Q值更高、使用频率更高（高达20G） 新型滤波器。且结构与半导体技术工艺兼容，便于射频集成电路（RFIC） 的集成。在3G技术广泛应用。
2.2.5 高频衰减器
利用高频衰减器可以调整信号传输通道上的信号电平。 高频衰减器分为固定衰减器和高频可变(调)衰减器两种。 除了微波衰减器可以用其他形式构成外，高频衰减器通常 都用电阻网络、开关电路或PIN二极管实现 。 分固定衰减器和可变衰减器。器件的终端阻抗和线路的匹
第二章 高频电路基础
2.2.3 2.2.4 2.2.5 石英晶体谐振器 集中滤波器 高频衰减器与匹配器
作业：2.7 2.10
2.2.3
石英晶体谐振器（石英振子）
1。 石英晶体的物理特性： 石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造）， 化学成分是SiO2，其形状为结晶的六角锥体。图(a) 表示自然结晶体，图(b)表示晶体的横截面。为了便 于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶 体内画出三种几何对称轴， 连接两个角锥顶点的一根 轴ZZ，称为光轴，在图(b) 中沿对角线的三条XX轴， 称为电轴，与电轴相垂直 的三条YY轴，称为机械轴。
利用带抽头的并联振荡回路，实现阻抗变换。另外，耦合
振荡回路中改变互感M，改变其反映阻抗。
2.3.2 LC网络阻抗变换
以串-并联阻抗变换为基础，有L型、Γ 型、T型和π 型阻 抗匹配网络。
2. L型网络阻抗变换
下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点， 不足之处是电路的品质因数Q值很低(通常Q＜10)，因此电路 的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用T型或 型网络作匹配之用。
配阻抗通常是50欧和75欧。
类似于滤波电路，固定 衰减器有L型、T型和π型。 表2-1 列出了50和75两种。 将固定电阻换成可变电阻或 开关电路或使用PIN二极管，就构成可变（或电调）衰减器。
2.3 阻抗变换和阻抗匹配
如果相连接的两部分高频电路阻抗匹配，则可以直接相 连。 但如果阻抗不匹配，就需要用高频匹配器或阻抗变换
结构与原理：
声表面波滤器是在经过研磨抛光的极薄的压电材 料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉 指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指 换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。
当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会
产生交变电场。
声表面波滤器的滤波特性，如中心频率、频带宽度、频响特性等一般 由叉指换能器的几何形状和尺寸决定。这些几何尺寸包括叉指对数、指 条宽度a、指条间隔b、指条有效长度B和周期长度M等。上图是声表面波 滤波器的基本结构图。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要 是声面波。在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成 电信号。
上式忽略 rq 后可简化为
2 q2 1 z0 jx0 j C0 2 02
（1）当 = q时z0 = 0 Lq、Cq串谐谐振，当 = p，z0 = 回路并谐谐振。
（2）当 或 时, z jx 0 q 0 0 为容性。 （3）当 0 q 时,z0 = jx0 为感性。其电抗曲线如上图所示。
C0
C0
s
d
一般C0 在几PF ～ 几十PF。式中 —石英 介电常数，s —极板面积，d —石英片厚 a 度.接入系数为 Cq Cq P b Cq C0 C0
Cq
Co
Lq rq
石英晶体的特点是：
①等效电感Lq特别大、等效电容Cq特别小，因此，石英晶
1 Qq 体的Q值 rq Lq Cq
器来连接。
在高频电子线路中，经常要在信号源与电路、输出与负
载、级间进行阻抗变换和阻抗匹配。其目的是使负载得到最 大功率，滤波器得到最佳性能，接收机的灵敏度得到改善， 发射机的效率得到提高。
有LC网络阻抗变换、带抽头的并联谐振电路阻抗变换、 变 压器阻抗变换、电阻网络阻抗变换。
2.3.1 振荡回路的阻抗变换
1. 电阻的热噪声
电阻由导体等材料组成，导体内的自由电子在一定的温度 下总是处于“无规则”的热运动状态，这种热运动的方向和速 度都是随机的。 自由电子的热骚动在导体内形成非常弱的电 流。 电阻热噪声作为一种起伏噪声，具有极宽的频谱，从零频 一直延伸到1012~13Hz以上的频率，而且它的各个频率分量的强 度是相等的。 这种频谱与白色光的光谱类似，因此将具有均 匀连续的噪声叫做白噪声，电阻的热噪声就是一种白噪声。
（2）噪声一般指内部噪声，也可以分为自然的和人为的噪 声。 本章主要讨论自然噪声，对工业干扰和天电干扰只做 简略的说明。 抑制干扰的措施是消除、切断和躲避干扰。
2.4.2 噪声的来源和特点
理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但是因为通常 电子噪声的强度很弱，因此它的影响主要出现在有用信号比 较弱的场合，在电子线路中，噪声来源主要有两方面： 电阻 热噪声和半导体管噪声，两者有许多相同的特性。
很大，一般为几万到几百万。这是
普通LC电路无法比拟的。 ② 由于 C0 Cq，这意味着等效电路中的接入系数很小,
因此外电路对它影响很小。
③ 晶体的内部参数受外界因素（温度、振动）的影响很
小，谐振频率很稳定。
阻抗特性（石英谐振器的等效电抗） 石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的串联谐振 角频率q，即石英片本身的自然角频率。另一个为石英谐振器 的并联谐振角频率0。 串联谐振频率
1 Le 2 2 C0 p / 2 1 必须指出，在q与p的角频率之间，谐振器所 呈现的等效电感 （数值非常大），并不等于石英 晶体片本身的等效电感Lq。
等效电感为
2 1 q / 2
石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个谐振频
率之间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度。 为了展宽通带宽度，通 常的办法是用电感与石英 谐振器相串联或并联。
RL RS 1 Q 22
R Q2 L X L2
RS RL Q2 1
RS RL Re 1 Q12 RS 1 Q12 RL
RS




Re 1 Q12 RS


Q1
X 2C2
即Re 1 Q12 RL，或Q1


Re 1， 即Re RL RL

2. 等效电路、符号及阻抗特性
石英片相当一个串联谐振电路，可用 集中参数Lq、Cq、rq来模拟，Lq为晶体的 质量（惯性），Cq 为等效弹性模数，rg JT 为机械振动中的摩擦损耗。 右图表示石英谐振器的基频等效电路。 电容C0 称为石英谐振器的静电容。其 容量主要决定于石英片尺寸和电极面积。