1.1射频模拟电路概述
分布参数——分布电容与引线电感。
分布电容:既看不见也摸不着,存在于两个导体之间、导体与元器件之间、导体与地之间或元件之间。
引线电感:一种元件间连接导线的电感,有时也称为内部构成电感。
分布参数在直流和低频时对电路的影响是不严重的,但是在VHF和UHF频段,分布参数会影响接收机前端调谐电路。因此在这种调谐电路中,需要可调整的电容。
RF频段:介于集中参数频段与分布参数频段之间。集中参数频段可用“路”的概念来分析,分布参数频段则用“场”的概念来分析。
RF频段与电路尺寸有关,电路尺寸只要小于八分之一导波波长,就可用“路”的概念来分析电路。
18GHz是公认的微波频率。
RF电路既可用“路”的概念分析问题,又可用分布参数概念——长线理论来分析。(用“路”分析时,还要考虑分布参数的影响)
趋肤效应:交流电流流经导体时趋向于导体外边部分,而直流电流均匀地流经整个导体的截面积。随着频率的升高,趋肤效应形成一个较小的导流带,结果,形成了大于直流电阻的交流电阻。
导体交流电流密度分布从表面起到导体中心按指数规律迅速减小。
趋肤效应的影响:引起信号传输途径中的损耗增加。
趋肤深度ε:电流密度降到表面电流密度1/e=0.368处的临界深度。
ε=sqrt(1/2πfγμ)
f——频率(Hz)
μ——磁导率(H/m)
γ——电导率(S/m)
随着频率的升高,电流愈趋向表面。
RF电路中发现的另一个问题:信号很容易从电路内向外部和在电路内部之间辐射。这样就造成了电路内部元件之间,电路与其环境之间、其环境与电路之间的互相耦合,这种耦合又叫做寄生耦合。
电路元件之间的耦合造成了RF电路中的寄生反馈,引起电路的不稳定及性能下降。
电路中的信号向外辐射造成了两个后果:1.RF电路中的损耗增加 2.干扰环境中的其他RF电路。
RF电路中产生的干扰及其他效应都是这种互耦造成的,互耦造成RF电路的不稳定,或工作在临界稳定状态——亚稳态,当工作条件或环境温度发生变化时,电路即变为不稳定状态。例如:RF电路中的放大器很容易就成了振荡器,而RF振荡器又不起振,或者振荡不稳定。
互耦效应在直流电路中及低频电路中是见不到的。
RF电路的信号传输常常是用互相分开的双根线传输信号,其中一根线作为公共参考线——地线。地线作为信号电压公共的零电压点,既是信号电流的回线,又是有源器件直流电压的参考点和直流电流的回线。
屏蔽:就是把易引起电磁辐射的元器件用金属盒屏蔽起来,外壳接地。屏蔽是克服RF电路中寄生反馈的有效手段。
公用电源的耦合:公用电源中每一个单元电路的交流、直流分量都要通过电源。电源都是非理想的,具有内阻。通过这个公用内阻,把这些单元电路互相耦合在一起。(交流耦合),这就加剧了RF电路的不稳定性。
RF放大链的总增益不允许超过55-60dB。
解决公用电源的耦合的方法:
图1-4(a)使用射频扼流圈和电容构成的低通型π去耦电路,每个RF单元由单元的电容构成闭合回路,RFC起单元间的隔离作用。
图1-4(b)实际的二级不同电压功率放大器电源供电电路,使用了稳压二极管改变供电电压。
图1-4(c)实际二级同电压功率放大器供电电路,该电路使用电阻代替RFC
电容和电感值的选取:从理论上讲,隔直电容、旁路电容的容量应满足1/ωC。图1-5(a)、(b)给出了隔直电容和旁路电容的使用简化图。图1-5(a)中,输入电压vi在电容C及Ri上分压,电容C上分得的电压必须远小于Ri上分得的电压。
由此,必须满足
1/ωC<1/10Ri
一般情况电容值愈大的电容高频损耗愈大,很多大容量的电容不允许应用于RF频段,而且容量大的电容价格也高。一般在1000pF、0.1uF、1uF、10uF等。
射频扼流圈——RFC,RFC对交流电流呈现无穷大的阻抗,即ωLRFC→∞,对直流电流呈现的直流电阻为零。RFC呈现有限的阻抗值,而且具有直流电阻,对流过的直流电阻的大小有限制。
RFC电感值应满足ωLRFC>(5~10)Ri。
RFC电感线圈的选取要注意两个问题:1.线圈之间的分布电容与LRFC一起形成了谐振回路。(工作频率>谐振频率:电感线圈呈容性;工作频率<谐振频率:电感线圈呈感性;工作频率=谐振频率:电感线圈呈非常小的阻抗。)2.RFC通过的直流电流愈大,绕匝线径愈粗,绕制的RFC电感量愈小。
综上宁可选小的电感量。
如图1-5(d)是公用电源π型去耦合电路,C1、C2的选择标准如下:
1/ωC1<1/10RL和1/ωC2<1/10Rs
如图1-5(d)的RFC电感量的选择原则如下:
ωLRFC>(5~10)1/(ωC1C2/(C1+C2))