高频电路基本常识

低频率电路与高频电路的区别 为了了解高频电路的特征，在此，对低频率电路与高频电路作一此较。如下图 1 所示的为低频率电路与高频电路 的此较。图（a）为低频率电路，图(b)为高频电路。首先，说明信号的流通。由於在低频率电路的信号其波长较长， 一般可以忽略时间因素。因此，振荡器的输出端舆放大器的输入端可视为同一信号。也即是，在低频率电路中的信 号流通如箭头的方向所示，成为闭回路，此也称的为集中常数的考虑方法。而在高频电路中，由於波长较短，不可 以忽略时间的要素。在同一时间的振荡器输出端，中途的电缆线上，放大器的输入端的信号就非同一信号，也就是 说信号像电波一样传输着，这种考虑电路问题的方法称为分布常数。 一般地，在集中常数电路中的低频电路中，对於电缆线的限制较少，可以使用一般的隔离线，重视杂讯兴频率特 性。而在分布常数电路中的高频电路中，为了不使信号发生传送路径上的失真，使用同轴电缆线，重视特性阻抗。 在放大器的输出端所连接的负载如下：
产生的杂讯要很小 S/N 称为信噪比，常用于表示信号的品质，反映具体信号中有用信号和杂讯的比率。 如图 2-2 所示，由於放大器在放大信号的同时，内部本身也会产生杂讯，故信号在输出端较之输入端的 S/N 值要 小，品质会变差。 对於由於放大而造成信号 S/N 变化，可以用杂讯指数 NF 表示。理想放大器的 NF 为 0dB。 图 2-3 所示的为改善 NF 的例子，在杂讯指数为 8dB 的接收机，连接前置放大器(pre-amplifier)的高频放大器。此 时的前置放大器的 NF 为 2dB，功率增益为 25dB。因此，连接前置放大器後的 NF 可以用以下公式表示。
对於所使用的频带的功率增益要高 在直流放大和低频放大电路中，增益(Gain)一般是指电压增益；而在高频率电路中，增益一般常用功率增益来 表示。 例如，在图 2-1 所示的电路中，由天线所输入的信号为-30dBm(0.00lmW)，当高频放大器的功率增益为 25dB 时，输出信号变成为-5dBm。
图 2-1 高频电路的增益为功率增益(在高频放大器中，一般是以每级功率增益限制在 20~30dB 的程度来设计。如 图若输入信号为-30dBm，增益为 25dB 时，放大後的信号成为-5dBm。)
第二章 高频放大器设计与制作 2-1 高频信号放大器所应具备的特征
放大电路可以说是模拟信号处理电路的基本单元，尤其对高频接收机与发射机而言。在接收机里，放大电路要 将从天线所输入的µV 单位的小信号加以放大，在发射机方面，功率放大电路也要将信号放大至以 W 为单位的信 号级别。
在本章中，将依次分析小信号高频放大器，宽频带放大器，功率放大器等 3 种不同类型的放大电路。 2-1 在高频放大电路所要求的特性
之所以会产生此一时间差的原因，可以用图 4 所示的电缆线内的信号传送原理来解释。在图(a)中，在脉波产生 的同时，於同轴电缆线内会产生电缆面发生了电场，此後，电荷住负载端移动而产生电流，因而会发生磁场。 也即是，随着时间的经过，信号会以(a)→(b)→(c)的情况前进。这种情况与连续波的高频信号传送相同。
第一章 高频电路基本常识 第一部分
为何要学习高频电路的知识 电子电路可以分为模拟电路与数字电路，而模拟电路又可以分类为低频率电路与高频电路。 一般的电子技术人员，首先尝试设计或制作的，大多以数位电路或低频率电路为主，此较少从高频电路开始的。 其主要原因是，高频电路较难去理解，往往所制作出的电路无法如预期的设计目标动作。 但是，如果忽略了高频电路的基本常识，也可能使所设计出的数位电路或低频率电路不能成为最适当，甚至於可 能会造成动作的不稳定。 相反地，如果能够熟悉高频电路，也可以提高数位电路或低频率电路的设计水准。近些年，无论是数位电路或以 直流为主的测试仪器电路，对於处理系要求高速化，结果也使得高频电路的基本常识相当重要。
现 ch A 的脉波发生器端舆 ch B 的负载端亩产生时间上的差距。
照 片 29 在 同 轴 电 缆 上 传 送 脉 冲 波 的 情 形 (5V/div ， 100ns/div)(图 3 的实验结果，由脉波发生器所发射的脉 波，经由同轴电缆传送到负载端子此时会在同轴电缆线 上产生传送时间的延迟。在空间的电波传播速度为光速， 但是，在同轴电缆线内的傅播速度要乘以速度系敷 (ÿ=0.62)
高频的电路分析的考虑方法方法下一样。
集中常数电路与分布常数电路 右图所示的为以传送路线为例子， 说明集中常数电路的分析方法与分布 常数电路的分析方法。 实际上，无论任何低频/高频电路， 也都存在有电阻 R，电容器 C，线圈 L。 可是，如图(a)所示，在传送路径很短 的情况下，或者在低频率信号的场台， 可以忽略 R，L，C 的存在，当做集中 常数处理。如此，可以使电路分析简 单化。 而在图(b)的场合，在传送路径较 长，或者在高频信号的场合，不可以 忽略 R，L，C 的存在。随着时间的经 过，信号在传送路径(路线)上，会以① →②→③的情况前进。
照片 30 前进波与反射波的情形(5V/diV，lOOns/div)(为 了观测反射波，发射单次脉冲，在 ZL=50Ω 的阻抗匹配 状态下，不会发生反射波。
如果将负载开路，前进波会维持原状反射。在同轴电 缆线 30m 上的往返时间只花了约 0.3µS。
如果将负载短路，前进波会反相而反射。反射波的相 位在 ZL<50Ω 时，会反转。)
第一章 高频电路的基本常识 第二部分 高频信号傅送分析 为了了解信号的传送，可以以图 3 的实验说明。使用长度为 30m 的同轴电檀线，在电缆综的左端连接脉冲发 生器，在右端连接 50Ω 的终端负载。在此一状态下，产生脉冲宽度为 0.1µs=100ns 的单次脉冲。
图 3 脉冲信号传送实验(使用 30m 的同轴电缆做为实验。由信号源发射脉波宽幅为 lOOns(10MHz)的单次脉波冲) 照片 29 所示的是以示彼器的 ch A(上方)连接脉波发生器，以 ch B(下方)连接负载端做为观测。由波形中可以发
(a)阻抗匹配良好
(c)将负载端短路
(b)负载端开路
前进波+反射波……驻波的产生 如图 6 所示，将高频信号利用传送电缆线传送。如果将终端负载设为开路时，由於前进波会在负载端反射，因 此在电缆线上同时存在有前进波与反射波。此时，将前进波与反射波合成，便会在电缆线上产生电压波形，此一 电压(Standing wave)。前进波(进行波)与反射波的关系可以
像(SpuriOtIS)成分、高谐波成分等杂 讯。在这里，把影响最严重的 3 次互 调失真成分与信号进行比较，这以比 较可以用截取点(Intercept Point)表 示。
图 2-4 所示的为截取点的方法。 在图上的信号电平与 3 次相互调变 失真的电平相等的点，称为截取点。 由於实际的放大器电平已达饱和，因 此用虚线所示的假想延长线来求出 截取点。
图 1-(a)低频电路
图 1-(b)高频电路
图 b 高频电路为功率驱动……信号的单位为功率，从负载 图(a)低频率电路为定电压驱动……即使负载阻抗有变化，
能够取出的最有效功率为在 Zo=ZL 状态下，也即是在阻抗 输出电压也一定，放大器的输出阻抗 Zo 舆负载的阻抗 ZL
匹配( Impendance matting)状态下。因此，低频率电路与 的关系为 Zo<ZL。
▲相对位准用 dB 表示 对於放大器的放大率或电阻的衰减度而言，为一种相对的表示方法，此时可以用输人为基准，表示输出的大小。 功率放大率 Gp，可以表示如下。 Gp=10 ㏒(Po/Pi)[dB] ▲绝对位准用 dBm 表示 以 lmW 为基准的表示方法。也即是以 Pm=lmW 为基准值，例如，P=100mW 时，用 dBm 可以表示如下。 Gm=10 ㏒(P/Pm)=10log100=20dBm ▲绝对位准用 dBµ 表示 以 1µV 为基准的表示方法。也即是以 Vp=1µV 为基准值。例如，V=1V 时，用 dBµ 可以表示如下。 Gv=20 ㏒(V/Vµ)=20 ㏒ 106=120dBdBµ 对於高频电路的测试，可以使用如图 8 所示的标准信号发生器 SSG(Standard Signal Generator)做为信号源，此 一 SSG 的输出常用 dBm 与 dBµ 表示。 此处，dBm 为功率的输出表示。也即是，SSG 的输出在连按 ZL=50Ω 负载并取得阻抗匹配状态下的输出值。 而 dBµ 为 SSG 的输出端子为开路状态下的输出电压值。因此，如果在输出端连接 ZL=50Ω 的负载时，实际的输 出值比此 SSG 的表达值小 6dB。
将数值代人此公式，可以得到连接前置放大器後的 NF 成为 NF=10log[1.58+(6.3-1)/316]=2.03dB 由此可以看出，加入前置放大器，可以改善全体的 NF，而得到高增益，低杂讯的放大器。
图 2-2 放大器的杂讯指数 NF(S/N 为表示信号品质的值。在高频放大器中，由於放大器内部会产生杂讯，导致 S/N 恶化。利用杂讯指数 NF，可以分析由於内部杂讯而使 S/N 降低的情况。内部没有杂讯的放大器称为理想放大 器，其 NF 为 0dB。)
第一章 高频电路基本常识 第三部分
如何降低传输过程中的高频功率损耗--阻抗匹配 高频信号所使用的机器或电缆线，都有其固有的阻抗，一般的机器阻抗为 50Ω 或 75Ω。各高频机器间连接时， 为了有效率地传送功率，需要阻抗匹配良好，俗称“阻抗匹配”。 图 7 所示的为阻抗匹配与功率的关系。
在圆(a)的电路中，假设传送方的输出阻抗为 r，负载方的阻抗为 R，则供应至负载的功率 P 为
双重电波……前进波舆反射波的产生 高频信号以电波形式在电缆线内传播，很快就到达电缆线的终端。在电缆线终端所连接的负载，会将所传送来 的高频能量消耗。 此时，假设传送电缆线的阻抗为 Z，终端负载的阻抗为 ZL。而在 Z 不等于 ZL，也即是在阻抗没有匹配的状态 下，无法将高频能量完全消耗，所剩下的能量成分会返回至信号源端。 因此，在传送电缆线上，除了有从信号源传送至负栽的前进波以外，还有从负载端返回至信号源的反射波存在。 关於反射波的存在，可以使用图 3 的电路实验。 照片 30 所示的为观察结果。照片(a)为终端负载 ZL=50Ω，也即是在阻抗匹配的情况下，所得到的波形。由於 前进波的能量会在终端负载消耗掉，因此，不会产生反射波。照片(b)为将终端负载取开，成为开路状态下的情形， 照片(c)为将终端短路成为非匹配状态下的情形。由於前进波的能量没有在终端负载消耗掉，因此，会有反射波产 生。