射频电路中无源器件的特性

周二, 20 十一月 2018 - 14:22

无源器件特性

1.高频电阻 
 
低频电子学中最普通的电路元件就是电阻，它的作用是通过将一些电能装化成热能来达到电压降低的目的。电阻的高频等效电路如图所示，其中两个电感L模拟电阻两端的引线的寄生电感，同时还必须根据实际引线的结构考虑电容效应；用电容C模拟电荷分离效应。
<img alt="电阻等效电路表示法" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="2013350c-3bde-4a99-96f9-efdd3ca31d4b" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9A%E7%94%B5%E9%98%BB%E7%AD%89%E6%95%88%E7%94%B5%E8%B7%AF%E8%A1%A8%E7%A4%BA%E6%B3%95_0.png" />
<center>电阻等效电路表示法</center>

根据电阻的等效电路图，可以方便的计算出整个电阻的阻抗：
<img alt="电阻的阻抗" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="a070f775-2535-4aa5-95f3-98bdd573d5bc" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%EF%BC%9A%E7%94%B5%E9%98%BB%E7%9A%84%E9%98%BB%E6%8A%97_0.png" />
下图描绘了电阻的阻抗绝对值与频率的关系，正像看到的那样，低频时电阻的阻抗是R，然而当频率升高并超过一定值时，寄生电容的影响成为主要的，它引起电阻阻抗的下降。当频率继续升高时，由于引线电感的影响，总的阻抗上升，引线电感在很高的频率下代表一个开路线或无限大阻抗。
<img alt="一个典型的1KΩ电阻阻抗绝对值与频率的关系" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="8a30a0b3-c320-46cd-9135-14e3fd98c86c" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%EF%BC%9A%E4%B8%80%E4%B8%AA%E5%85%B8%E5%9E%8B%E7%9A%841K%E2%84%A6%E7%94%B5%E9%98%BB%E9%98%BB%E6%8A%97%E7%BB%9D%E5%AF%B9%E5%80%BC%E4%B8%8E%E9%A2%91%E7%8E%87%E7%9A%84%E5%85%B3%E7%B3%BB_0.png" />
<center>一个典型的1KΩ电阻阻抗绝对值与频率的关系</center>

2.高频电容 
片状电容在射频电路中的应用十分广泛，它可以用于滤波器调频、匹配网络、晶体管的偏置等很多电路中，因此很有必要了解它们的高频特性。电容的高频等效电路如图所示，其中L为引线的寄生电感；描述引线导体损耗用一个串联的等效电阻R1；描述介质损耗用一个并联的电阻R2。
<img alt="电容的高频等效电路" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="3297cf52-ad57-4fef-81a7-90a11daf2453" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4%EF%BC%9A%E9%AB%98%E9%A2%91%E7%94%B5%E5%AE%B9.png" />
电容等效电路表示法 
同样可以得到一个典型的电容器的阻抗绝对值与频率的关系。如下图所示，由于存在介质损耗和有限长的引线，电容显示出与电阻同样的谐振特性。
<img alt="一个典型的1pF电容阻抗绝对值与频率的关系" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="0b3281a6-a6e5-48e2-95d5-4e5968f6de1a" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5%EF%BC%9A%E4%B8%80%E4%B8%AA%E5%85%B8%E5%9E%8B%E7%9A%841pF%E7%94%B5%E5%AE%B9%E9%98%BB%E6%8A%97%E7%BB%9D%E5%AF%B9%E5%80%BC%E4%B8%8E%E9%A2%91%E7%8E%87%E7%9A%84%E5%85%B3%E7%B3%BB_0.png" />
<center>一个典型的1pF电容阻抗绝对值与频率的关系</center>

3.高频电感 
电感的应用相对于电阻和电容来说较少，它主要用于晶体管的偏置网络或滤波器中。电感通常由导线在圆导体柱上绕制而成，因此电感除了考虑本身的感性特征，还需要考虑导线的电阻以及相邻线圈之间的分布电容。电感的等效电路模型如下图所示，寄生旁路电容C和串联电阻R分别由分布电容和电阻带来的综合效应。
<img alt="电感的等效电路模型" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="263771f1-81ac-4dcd-84bb-8f1d8c3fbedc" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE6%EF%BC%9A%E7%94%B5%E6%84%9F%E7%9A%84%E7%AD%89%E6%95%88%E7%94%B5%E8%B7%AF%E6%A8%A1%E5%9E%8B.png" />
高频电感的等效电路 
与电阻和电容相同，电感的高频特性同样与理想电感的预期特性不同，如下图所示：首先，当频率接近谐振点时，高频电感的阻抗迅速提高；第二，当频率继续提高时，寄生电容C的影响成为主要的，线圈阻抗逐渐降低。
<img alt="电感的高频特性同样与理想电感的预期特性不同" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="97b5adba-9d8d-462b-896f-3e565b02f74e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7%EF%BC%9A%E7%94%B5%E6%84%9F%E7%9A%84%E9%AB%98%E9%A2%91%E7%89%B9%E6%80%A7%E5%90%8C%E6%A0%B7%E4%B8%8E%E7%90%86%E6%83%B3%E7%94%B5%E6%84%9F%E7%9A%84%E9%A2%84%E6%9C%9F%E7%89%B9%E6%80%A7.png" />
电感阻抗绝对值与频率的关系 
总之，在高频电路中，导线连同基本的电阻、电容和电感这些基本的无源器件的性能明显与理想元件特征不同。读者可以发现低频时恒定的电阻值，到高频时显示出具有谐振点的二阶系统相应；在高频时，电容中的电介质产生了损耗，造成电容起呈现的阻抗特征只有低频时才与频率成反比；在低频时电感的阻抗响应随频率的增加而线形增加，达到谐振点前开始偏离理想特征，最终变为电容性。这些无源元件在高频的特性都可以通过前面提到的品质因数描述，对于电容和电感来说，为了调谐的目的，通常希望的到尽可能高的品质因数。

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