具体描述
基本信息
书名：高频电子线路(莫怀忠)(二版)
定价：24.00元
作者：莫怀忠
出版社：化学工业出版社
出版日期：2010-08-01
ISBN：9787122084354
字数：
页码：
版次：2
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.322kg
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内容提要
本书为教育部高职高专规划教材。全书由无线电通信系统组成的基本原理，高频小信号放大器，高频功率放大器，正弦波振荡器，频率变换与集成模拟乘法器，调幅、检波与混频电路，调角与解调，反馈控制电路，实验与实训等章节组成。
本书根据高职高专学生的特点，重点放在讲清基本电路的物理本质和分析方法上，注意培养学生对电路基本工作原理的理解及分析能力。在附录部分指导学生利用Multisim 8电路仿真软件对各章节相应的电路进行性能分析和结论验证，并给出了两种方案的实训课题。
本书可作为高职高专院校电子信息工程、通信工程等专业的教材，也可供电子类相关专业的学生使用和相关专业的工程技术人员参考。
目录
绪论
章 高频小信号放大器
节 晶体管高频等效电路
第二节 宽带放大器的特点和分析方法
第三节 扩展放大器通频带的方法
第四节 小信号谐振放大器的分类和主要性能指标
第五节 单调谐放大器
第六节 影响放大器的稳定性及其解决方法
第七节 集成中频放大器
本章小结
习题一
第二章 高频功率放大器
节 概述
第二节 丙类谐振功率放大器的工作原理
第三节 丙类谐振功率放大器的性能分析
第四节 丙类谐振功率放大器电路
第五节 宽带高频功率放大器
第六节 丙类谐振倍频器
本章小结
习题二
第三章 正弦波振荡器
节 概述
第二节 反馈式正弦波振荡器的工作原理
第三节 LC正弦波振荡器
第四节 石英晶体振荡器
第五节 RC振荡器
本章小结
习题三
第四章 频率变换与集成模拟乘法器
节 概述
第二节 利用非线性器件进行频率变换
第三节 模拟乘法器及其应用
本章小结
习题四
第五章 调幅、检波与混频电路
节 调制概述
第二节 调幅波的性质
第三节 调幅电路
第四节 检波器
第五节 混频电路
本章小结
习题五
第六章 调角与解调
节 概述
第二节 调频电路
第三节 鉴频器
本章小结
习题六
第七章 反馈控制电路
节 概述
第二节 自动增益控制(AGC)电路
第三节 自动频率控制(AFC)电路
第四节 锁相环路(PLL)
本章小结
习题七
附录 实验与实训
部分实验
第二部分实训
参考文献
作者介绍
文摘
序言
引言：跨越时代的电子脉搏 在信息爆炸、技术飞速迭代的今天，电子线路如同现代社会的神经网络，承载着信息传递、信号处理、能量转换等核心功能。而在这片广阔的电子领域中，高频电子线路更是信息时代的“高速公路”，其重要性不言而喻。它决定了无线通信的带宽、雷达的探测距离、高性能计算的响应速度。理解和掌握高频电子线路的设计、分析与实现，是深入洞悉现代电子设备工作原理，乃至参与未来技术革新的基石。 本书并非一本单纯的教科书，而是一次对高频电子线路深刻而系统的探索。它旨在为读者揭示高频电子线路背后严谨的物理规律、精妙的设计艺术以及不断演进的工程实践。从基础理论的梳理，到关键器件的剖析，再到复杂系统的构建，本书将带领读者层层深入，理解高频信号在传输、放大、振荡、调制解调等过程中所面临的独特挑战，以及相应的解决方案。 本书的内容编排，力求逻辑清晰，循序渐进。我们将从高频电路与低频电路的基本区别入手，探讨寄生参数在高频效应中的关键作用，以及如何有效地进行高频电路的建模和分析。随后，我们将深入研究高频下至关重要的传输线理论，理解阻抗匹配、驻波比等概念，以及如何利用史密斯圆图等工具进行高效的设计。 在器件层面，本书将详尽介绍在高频应用中不可或缺的晶体管、场效应管、二极管等半导体器件，并重点分析其在高频条件下的行为特性，包括频率响应、噪声系数、功率输出等关键参数。对于无源元件，如电感、电容、电阻，在高频下的寄生效应和等效电路模型也将得到深入阐述，帮助读者建立对元件在高频工作下的真实认知。 本书的核心章节将聚焦于高频电路的几大基本功能模块。我们将详细讲解高频信号的放大，包括不同类别的放大器（如共射、共集、共基放大器在高频下的表现），以及稳定放大器设计、噪声抑制和功率效率优化等关键技术。接着，我们将探讨振荡器的原理与设计，分析各种振荡电路（如LC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器）的稳定性、起振条件和输出波形特性，并介绍如何实现频率的精确控制。 此外，本书还将深入研究高频通信系统中至关重要的调制解调技术。我们将解析幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM）等基本调制方式的原理，以及相应的解调电路设计。对于更先进的数字调制技术，如ASK、FSK、PSK、QAM等，本书也将进行介绍，并探讨其在高频环境下的实现和性能评估。 在系统层面，本书将通过对实际高频电路的设计案例进行分析，帮助读者将理论知识应用于实践。我们将探讨射频（RF）前端的设计，包括匹配网络、滤波器、混频器等模块的功能与设计。同时，我们将涉及雷达系统、功率放大器、低噪声放大器（LNA）等典型高频应用的设计考量，让读者对高频电路的工程应用有一个直观的认识。 本书在内容深度上追求严谨，在表述上力求生动。我们不仅会呈现理论的推导和公式的解析，更会结合实际的应用场景，通过图示、波形分析等方式，将抽象的概念具象化，帮助读者建立直观的理解。本书的目标读者群广泛，包括电子工程专业的在校学生、从事通信、雷达、广播电视、微波技术等相关领域的研究人员与工程师，以及对高频电子技术感兴趣的爱好者。 本书的编写，并非仅仅是知识的堆砌，更是对高频电子领域发展脉络的梳理，对工程实践智慧的传承。我们希望通过这本书，为读者提供一个坚实的理论基础，一套实用的设计工具，以及一种解决实际问题的思维方式。在这个日新月异的技术时代，掌握高频电子线路的精髓，便是掌握了打开未来之门的钥匙。 第一章：高频电子线路的基础理论 本章将为读者打下坚实的高频电子线路理论基础，阐述高频环境下电路行为与低频电路的显著区别，并介绍分析高频电路的关键工具和方法。 1.1 高频电路与低频电路的差异 1.1.1 寄生效应的重要性凸显 导线电阻、电感和电容在高频下的影响 元件本身的寄生参数（如电容、电感） 印刷电路板（PCB）走线作为传输线的效应 1.1.2 信号传播延迟与波效应 信号传播速度远低于光速，但可能与元件尺寸可比 传输线理论的引入：分布式参数模型 反射、驻波、阻抗匹配的概念 1.1.3 元件特性在高频下的变化 半导体器件的结电容、迁移时间效应 电感在高频下的趋肤效应和邻近效应 电容在高频下的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL） 1.2 高频电路的建模与分析 1.2.1 分布参数电路与集总参数电路 集总参数模型的适用条件（波长远大于电路尺寸） 分布式参数模型的必要性（波长与电路尺寸相当或更小） 1.2.2 S参数（散射参数） S参数的定义与物理意义 S参数在描述高频电路输入输出关系中的优势 S参数矩阵的建立与计算 S参数与Z参数、Y参数、H参数的转换 1.2.3 史密斯圆图（Smith Chart） 史密斯圆图的构建原理 利用史密斯圆图进行阻抗匹配、驻波比计算、阻抗变换 史密斯圆图在电路设计中的实际应用 1.3 高频电路中的噪声 1.3.1 噪声的来源 热噪声（Johnson-Nyquist noise） 散粒噪声（Shot noise） 闪烁噪声（Flicker noise） 外部干扰噪声（EMI/RFI） 1.3.2 噪声参数 噪声系数（Noise Figure, NF） 噪声因子（Noise Factor, F） 最小噪声系数（Minimum Noise Figure） 等效噪声电压和等效噪声电流 1.3.3 噪声对电路性能的影响 信噪比（SNR）的下降 信号失真与检测困难 1.3.4 降低噪声的设计方法 选择低噪声器件 优化电路拓扑结构 合理的阻抗匹配 第二章：高频传输线理论 传输线是高频电路中信息传递的“脉络”，理解其行为对于实现高效、可靠的信号传输至关重要。本章将深入探讨传输线的原理、特性以及阻抗匹配技术。 2.1 传输线的结构与分类 2.1.1 理想传输线模型 集总参数近似与分布参数模型 传输线方程的推导 2.1.2 物理结构 同轴电缆 微带线 带状线 平行双线 2.2 传输线的特性参数 2.2.1 特性阻抗（Characteristic Impedance, Z₀） 定义与计算 由传输线几何结构和介质决定的特性 2.2.2 传播常数（Propagation Constant, γ） 衰减常数（α）与相移常数（β） 信号在高频传输中的衰减与相速度 2.2.3 速度与波长 相速度（vₚ） 与介电常数的关系 在高频电路中的重要性 2.3 传输线上的信号传播与反射 2.3.1 瞬态响应 电压和电流波形的传播 充电过程与充磁过程 2.3.2 终端负载效应 反射系数（Γ） 当负载阻抗与特性阻抗不匹配时产生的反射 全反射、部分反射与无反射 2.3.3 驻波（Standing Waves） 入射波与反射波的叠加 驻波比（Voltage Standing Wave Ratio, VSWR） 最大值与最小值点 2.4 阻抗匹配（Impedance Matching） 2.4.1 阻抗匹配的目的 最大功率传输 最小反射，信号能量有效传递 避免振荡 2.4.2 匹配网络的设计 单节匹配 多节匹配 调谐电路匹配（Lumped Element Matching） 2.4.3 宽带匹配与窄带匹配 不同应用场景下的匹配需求 2.4.4 史密斯圆图在阻抗匹配中的应用 精确、直观的设计工具 第三章：高频半导体器件 半导体器件是现代电子系统的核心，在高频电路中，其特性和工作方式与低频时存在显著差异。本章将详细介绍关键高频半导体器件及其应用。 3.1 二极管在高频应用 3.1.1 PIN二极管 结构与工作原理（掺杂区域） 高频下的开关特性，低电容、高线性度 应用：衰减器、开关、调制器 3.1.2 变容二极管（Varactor Diode） PN结电容随反向电压变化的特性 应用：压控振荡器（VCO）、调谐电路 3.1.3 肖特基二极管 金属-半导体接触，低正向压降，快速响应 应用：混频器、检波器、开关 3.2 双极型晶体管（BJT）在高频应用 3.2.1 BJT在高频下的等效电路 寄生电容（Cbe, Cbc）的影响 结电容的频率依赖性 3.2.2 频率响应参数 fₜ（特征频率） f<0xE2><0x82><0x98>（最大振荡频率） 3.2.3 噪声特性 热噪声、散粒噪声的贡献 低噪声放大器（LNA）设计中的选型 3.2.4 高频放大器应用 共射、共集、共基放大电路在高频下的增益与稳定性 多级放大器的级联 3.3 场效应晶体管（FET）在高频应用 3.3.1 MOSFET在高频下的特性 栅-源电容（Cgs）、栅-漏电容（Cgd） 高输入阻抗，低噪声（特别是JFET） 3.3.2 JFET（结型场效应晶体管） 低噪声特性，适用于LNA 饱和区特性 3.3.3 MESFET（金属-半导体场效应晶体管） 速度更快，适用于微波频率 高频应用：混频器、振荡器 3.3.4 LDMOS（横向双扩散MOSFET） 高功率、高效率，适用于功率放大器 与传统MOSFET的区别 3.4 其他高频器件 3.4.1 砷化镓（GaAs）器件 高电子迁移率，适用于高频、高速度应用 GaAs MESFET, HBT (异质结双极晶体管) 3.4.2 硅锗（SiGe）器件 结合了硅工艺的成熟性和锗的优势 高频性能优异，集成度高 第四章：高频功率放大器 功率放大器是许多高频系统（如发射机）的核心组成部分，负责将低功率信号放大到所需的发射功率。本章将深入探讨高频功率放大器的设计原则、性能指标和常见类型。 4.1 功率放大器的基本原理与分类 4.1.1 放大器的工作模式（A, B, C, AB类） 线性度与效率的权衡 在高频应用中的适用性 4.1.2 功率放大器的关键性能指标 功率增益（Power Gain） 效率（Efficiency）：功率添加效率（PAE）、DC-to-RF效率 线性度：三阶交调失真产物（IMD3）、ACPR（Adjacent Channel Power Ratio） 输出功率：饱和输出功率（P₀_sat）、P₁dB（1dB压缩点功率） 稳定性：输入/输出匹配、K因子、Δ因子 4.2 匹配网络设计 4.2.1 阻抗匹配对功率放大器的重要性 最大功率输出 避免器件过载和损坏 提高效率 4.2.2 输入匹配网络 匹配信号源到放大器输入端的阻抗 最小化输入反射，最大化信号注入 4.2.3 输出匹配网络 匹配放大器输出端到负载（如天线）的阻抗 最大化输出功率，满足负载需求 4.2.4 史密斯圆图在输出匹配中的应用 利用等效电路和史密斯圆图实现目标阻抗变换 4.3 常见高频功率放大器拓扑结构 4.3.1 单端功率放大器 基本结构与特点 适用于功率要求不高的场合 4.3.2 推挽功率放大器（Push-Pull Amplifier） 利用两个相对的器件放大信号，提高效率和功率 偶次谐波抵消，减少失真 4.3.3 反射式功率放大器（Reflection Amplifier） 利用负阻器件实现放大，结构简单 通常工作在窄带 4.3.4 LDMOS功率放大器 高功率、高效率，常用于基站和雷达 采用先进的功率MOSFET技术 4.4 线性化技术 4.4.1 预失真（Pre-distortion） 在输入端引入与放大器非线性相反的失真，以抵消输出失真 数字预失真（DPD） 4.4.2 反馈技术 引入负反馈来降低失真，但可能影响增益和稳定性 4.4.3 包络跟踪（Envelope Tracking） 动态调整放大器的偏置电压，使其始终工作在高效区，改善线性度和效率 第五章：高频振荡器 振荡器是产生周期性电信号的核心电路，在高频应用中，它们为通信、雷达、测量仪器等提供精确的频率基准。本章将深入探讨高频振荡器的原理、设计和稳定性。 5.1 振荡器的基本原理 5.1.1 起振条件 幅度条件：总增益大于等于1 相位条件：正反馈环路的总相移为360°的整数倍（或0°） 5.1.2 振荡器类型 自激振荡器（Harmonic Oscillators） 弛豫振荡器（Relaxation Oscillators） 数控振荡器（DCO） 5.2 LC振荡器 5.2.1 并联谐振振荡器 Colpitts振荡器 Hartley振荡器 振荡频率由LC谐振回路决定 5.2.2 串联谐振振荡器 Clapp振荡器 5.2.3 振荡频率的确定与调整 LC值的选择 电感和电容的寄生效应影响 5.3 RC振荡器 5.3.1 移相振荡器 利用RC网络产生360°的相移 输出波形通常为正弦波 5.3.2 维恩桥振荡器 利用正负反馈结合，实现高精度正弦波输出 频率选择性好 5.4 晶体振荡器（Crystal Oscillators） 5.4.1 石英晶体的压电效应 晶体谐振器的工作原理 高Q值，频率稳定性极佳 5.4.2 晶体振荡器的等效电路 静态元件参数（C₀, L₁, R₁, C₁） 串联谐振与并联谐振频率 5.4.3 常用晶体振荡器电路 Pierce振荡器 Colpitts振荡器（配合晶体） 5.4.4 频率稳定性分析 温度漂移 负载变化 老化效应 5.5 压控振荡器（VCO） 5.5.1 VCO的工作原理 利用可变电抗元件（如变容二极管）控制振荡频率 5.5.2 VCO的性能指标 调频斜率（Sensitivity） 调频范围（Tuning Range） 相位噪声（Phase Noise） 5.5.3 VCO的应用 锁相环（PLL） 频率合成器 5.6 振荡器的稳定性分析 5.6.1 相位噪声 定义与影响（通信系统误码率、雷达探测精度） 降低相位噪声的措施 5.6.2 频率漂移 温度、电压、老化等因素引起的频率变化 稳频技术 第六章：高频滤波器 滤波器在高频电路中用于选择、抑制或分离特定频率范围的信号，是信号处理、干扰抑制和系统隔离的关键。本章将深入探讨高频滤波器的设计理论、实现技术和常见类型。 6.1 滤波器的基本概念与分类 6.1.1 频率响应 通带（Passband） 阻带（Stopband） 过渡带（Transition Band） 截止频率（Cutoff Frequency） 6.1.2 滤波器的类型 低通滤波器（Low-Pass Filter, LPF） 高通滤波器（High-Pass Filter, HPF） 带通滤波器（Band-Pass Filter, BPF） 带阻滤波器（Band-Stop Filter, BSF, Notch Filter） 6.2 滤波器设计的基本理论 6.2.1 滤波器近似（Approximation） 巴特沃斯（Butterworth）近似：最大平坦度 切比雪夫（Chebyshev）近似：通带纹波，阻带陡峭 椭圆（Elliptic）近似：通带和阻带都有纹波，但过渡带最陡峭 6.2.2 归一化低通原型滤波器 设计流程：将实际滤波器规格转化为标准低通原型 原型滤波器的元件值 6.3 无源滤波器（Passive Filters） 6.3.1 LC滤波器 使用电感和电容构成 高Q值，低损耗（理想情况下） 在高频下电感和电容的寄生效应需要考虑 6.3.2 滤波器综合 从传递函数推导电路结构 戴维南等效与诺顿等效在设计中的应用 6.4 有源滤波器（Active Filters） 6.4.1 使用运算放大器（Op-Amp） 提高增益，实现阻抗变换 避免使用大体积、高成本的电感 6.4.2 滤波器类型 Sallen-Key滤波器 MF12多反馈滤波器 6.4.3 高频有源滤波器的局限性 运算放大器的带宽限制 噪声问题 6.5 微波滤波器 6.5.1 分布参数滤波器 使用传输线段、槽线等作为滤波器元件 微带滤波器 同轴腔体滤波器 6.5.2 耦合线滤波器 利用传输线之间的耦合效应实现滤波功能 6.5.3 介质谐振腔滤波器 高Q值，低损耗，适用于微波和毫米波频段 6.6 滤波器设计中的挑战 6.6.1 寄生效应 元件的分布电感、电容 PCB走线的阻抗 6.6.2 插入损耗 滤波器本身对信号的衰减 6.6.3 隔离度 不同端口之间的信号泄漏 第七章：高频调制与解调 调制与解调是实现信息高效、可靠传输的核心技术。本章将深入探讨高频通信系统中常见的调制解调方式及其电路实现。 7.1 模拟调制 7.1.1 幅度调制（AM） 标准AM（DSB-FC）：双边带抑制载波 双边带调制（DSB-SC）：无载波 单边带调制（SSB）：只传输一个边带，节省带宽 调制指数，功率谱密度 AM信号的产生与解调电路（包络检波、同步检波） 7.1.2 频率调制（FM） FM信号的数学模型 调频指数，带宽估计（卡森法则） FM信号的产生（压控振荡器，变容二极管） FM信号的解调（斜率检波，比相器，锁相环解调） 7.1.3 相位调制（PM） PM与FM的关系 PM信号的产生与解调 7.2 数字调制 7.2.1 数字幅度调制（ASK） On-Off Keying (OOK) 多电平ASK ASK信号的产生与解调 7.2.2 数字频率调制（FSK） 二进制FSK (BFSK) 多电平FSK FSK信号的产生与解调（鉴频器，锁相环） 7.2.3 数字相位调制（PSK） 二进制PSK (BPSK) 正交PSK (QPSK) 差分PSK (DPSK) PSK信号的产生与解调（相干解调，非相干解调） 7.2.4 正交幅度调制（QAM） 幅度和相位联合调制 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM等 高频谱利用率，对SNR要求高 QAM信号的产生与解调 7.3 混频器（Mixer） 7.3.1 混频器的作用 产生新的频率成分（和频、差频） 用于频率变换（上变频，下变频） 7.3.2 混频器的类型 平衡混频器（Balanced Mixer） 环形混频器（Ring Mixer） 单端混频器 7.3.3 混频器的性能指标 转换损耗（Conversion Loss） 本振（LO）泄漏 中频（IF）泄漏 镜像抑制比（Image Rejection Ratio） 7.4 上变频与下变频 7.4.1 上变频（Up-conversion） 将低频基带信号提升到高频载波频率 用于发射机前端 7.4.2 下变频（Down-conversion） 将高频接收信号降频到低频中频（IF）或基带 用于接收机前端 第八章：高频系统设计实例 本章将通过实际高频系统的设计实例，将前面章节所学的理论知识融会贯通，展示高频电路的设计思路、流程和关键考虑因素。 8.1 简单无线收发系统设计 8.1.1 系统框图 发射机部分：信号源，调制器，功率放大器，滤波器，天线 接收机部分：天线，低噪声放大器（LNA），混频器，中频放大器，解调器，基带信号处理 8.1.2 关键模块设计考量 频率规划，信道带宽 阻抗匹配，噪声系数预算 功率分配，功耗管理 8.1.3 印刷电路板（PCB）布局 走线考虑（传输线效应） 接地设计 屏蔽与隔离 8.2 雷达系统中的高频电路 8.2.1 雷达基本工作原理 发射高频脉冲，接收回波 目标距离、速度、角度测量 8.2.2 关键高频模块 高功率发射机（脉冲放大器，固态功率放大器） 低噪声接收机（LNA，混频器） 频率合成器（产生精确的发射和本地振荡频率） 脉冲压缩技术中的滤波器设计 8.3 射频（RF）前端设计 8.3.1 RF前端的功能 信号的接收与发射路径 频率选择，增益控制，功率放大 8.3.2 LNA设计 低噪声系数，高增益 输入和输出匹配 稳定性考虑 8.3.3 功率放大器（PA）设计 高效率，高线性度 输出匹配，热管理 8.3.4 滤波器设计 带通滤波器，带阻滤波器 避免杂散信号干扰 8.4 现代通信系统中的高频集成电路（IC） 8.4.1 单片射频集成电路（RFIC） 将多个RF功能模块集成到单个芯片上 SiGe, GaAs, CMOS工艺 8.4.2 系统级封装（SiP） 将多个芯片集成到同一个封装中 提高性能，减小尺寸 8.4.3 5G及未来通信技术中的高频挑战 更高的频率（毫米波） 更宽的带宽 更复杂的调制方式 8.5 实际工程中的调试与测试 8.5.1 常用测试仪器 频谱分析仪 矢量网络分析仪（VNA） 信号发生器 示波器（高带宽） 8.5.2 常见设计问题与解决思路 不稳定问题 噪声问题 频率漂移问题 匹配问题 结语 高频电子线路的世界广阔而深邃，本书的篇幅有限，但我们希望所呈现的内容能够为您打开一扇认识这个精彩领域的大门。从基础理论到工程实践，从单一器件到复杂系统，高频电子线路的设计与分析始终贯穿着严谨的科学态度和精妙的工程智慧。掌握这些知识，不仅是理解现代电子设备工作原理的关键，更是参与未来科技创新的有力武器。愿您在探索高频电子线路的旅程中，不断学习，不断进步，创造出属于您的辉煌。
