射频通信电路习题及解答.doc

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1、习题1：1.1本课程使用的射频概念所指的频率围是多少.解：本课程采用的射频围是30MHz4GHz1.2列举一些工作在射频围的电子系统，根据表1-1判断其工作波段，并估算相应射频信号的波长。解：播送工作在甚高频VHF其波长在101m等1.3从到的距离约为1700km。如果要把50Hz的交流电从输送到，请问两地交流电的相位差是多少.解：1.4射频通信系统的主要优势是什么.解： 1.射频的频率更高，可以利用更宽的频带和更高的信息容量 2.射频电路中电容和电感的尺寸缩小，通信设备的体积进一步减小 3.射频通信可以提供更多的可用频谱，解决频率资源紧的问题 4.通信信道的间隙增大，减小信道的相互干扰等等1

2、.5 GSM和CDMA都是移动通信的标准，请写出GSM和CDMA的英文全称和中文含意。提示：可以在互联网上搜索。解：GSM是Global System for Mobile munications的缩写，意为全球移动通信系统。CDMA英文全称是Code Division Multiple Address,意为码分多址。1.6有一个C=10pF的电容器，引脚的分布电感为L=2nH。请问当频率f为多少时，电容器开场呈现感抗。解：既当f=1.125GHz时，电容器为0阻抗，f继续增大时，电容器呈现感抗。1.7 一个L=10nF的电容器，引脚的分布电容为C=1pF。请问当频率f为多少时，电感器开场呈现

3、容抗。解：思路同上，当频率f小于1.59 GHz时，电感器呈现感抗。1.8 1试证明1.2式。2如果导体横截面为矩形，边长分别为a和b，请给出射频电阻RRF与直流电阻RDC的关系。解：,s对于同一个导体是一个常量当直流时，横截面积当交流时，横截面积得： 2直流时，横截面积当交流时，横截面积得：1.9铜的电导率为，铝的电导率为，金的电导率为。试分别计算在100MHz和1GHz的频率下，三种材料的趋肤深度。解：趋肤深度定义为：在100MHz时： Cu为2 mm Al 为2.539mm Au为2.306mm在1GHz时： Cu为0.633 mm Al 为0.803mm Au为0.729mm1.10*

4、个元件的引脚直径为d=0.5mm，长度为l=25mm，材料为铜。请计算其直流电阻RDC和在1000MHz频率下的射频电阻RRF。解：得到它的直流电阻它的射频电阻1.11贴片器件在射频电路中有很多应用。一般使用数字直接标示电阻、电容和电感。有三个电阻的标示分别为：“203”、“102”和“220R。请问三个电阻的阻值分别是多少.提示：可以在互联网上查找贴片元件标示的规则解：203是2010320K，102是101021K，220R是22100221.12试编写程序计算电磁波在自由空间中的波长和在铜材料中的趋肤深度，要求程序接收键盘输入的频率f，在屏幕上输出波长l和趋肤深度d。解： float f

5、;float l,h; printf(Input the frequency: f=); scanf(%f,&f); l=3e8/f; h=1/sqrt(3.14*f*6.45*4*3.14) ; printf(wavelength:%fn,l); printf(qufushendu%fmn,h); getch() ;习题2：1 射频滤波电路的相对带宽为RBW=5%，如果使用倍数法进展表示，则相对带宽K为多少.解答： K= K(dB)=20 K=1.05 K(dB)=0.42 dB2 一个射频放大电路的工作频率围为：fL=1.2GHz至fH=2.6GHz。试分别使用百分法和倍数法表示该放大电路

6、的相对带宽，并判断该射频放大电路是否属于宽带放大电路。解答：K= =2.1K(dB)=0.3dB由于K2，它属于宽带放大电路3 仪表放大电路的频带宽度为：DC至10MHz。请分别计算该放大电路的绝对带宽和相对带宽，并判断该放大电路是否属于宽带放大电路。解答:绝对带宽：相对带宽：所以它属于宽带放大电路。4 *射频信号源的输出功率为POUT=13dBm，请问信号源实际输出功率P是多少mW.解答:5 射频功率放大电路的增益为Gp=7dB，如果要求输出射频信号功率为POUT=1W，则放大电路的输入功率PIN为多少.6 在阻抗为Z0=75W的CATV系统中，如果测量得到电压为20dBmV，则对应的功率P

7、为多少.如果在阻抗为Z0=50W的系统中，测量得到一样的电压，则对应的功率P又为多少. 解答：当=75时，=-88.7 dBm当=50时，=-86.9 dBm7 使用2.30式定义的品质因数，计算电感L、电容C、电阻R并联电路的品质因数Q0。解答：假设谐振频率时，谐振电路获得的电压为电阻R损耗的平均功率为因此并联谐振电路的品质因数为8 使用图2-12b的射频开关电路，如果PIN二极管在导通和截止状态的阻抗分别为Zf和Zr。请计算该射频开关的插入损耗IL和隔离度IS。解答：插入损耗隔离度9 请总结射频二极管的主要种类、特性和应用领域。解答：种类特性应用围肖特基二级管具有更高的截止频率和更低的反向

8、恢复时间用于射频检波电路，调制和解调电路，混频电路等PIN二极管正偏置的时候相当于一个电流控制的可变电阻，可呈现非常低的阻抗，反偏置的是相当于一平行平板电容应用于射频开关和射频可变电阻变容二极管从导通到截止的过程中存在电流突变，二极管的等效电容随偏置电压而改变主要用于电调谐，还可用作射频信号源10 雪崩二极管、隧道二极管和Gunn二极管都具有负阻的特性，尽管形成负阻的机理完全不一致。请设计一个简单的电路，利用二极管的负阻特性构建一个射频振荡电路。解答：11 1试比拟射频场效应管与射频双极型晶体管构造和特性上的差异。2试讨论晶体管小信号模型和大信号模型的主要区别。请问能否使用晶体管大信号模型分析

9、射频小信号。解答：场效应管是单极性器件，只有一种载流子对通道电流做出奉献，属于压控器件，通过栅极-源极的电压控制源极-漏极电流变化；使用GaAS半导体材料MISFET的截止频率可以到达6070GHz,，HEMT可以超过100GHz，因此在射频电路设计中经常选用它们作为有源器件使用；双极型晶体管分为PNP和NPN两种类型，其主要区别在于各级的参杂类型不一致，属于电流控制器件，正常工作时，基极-发射极处于正偏，基极-发射极处于反偏；通过提高掺杂浓度和使用交指构造，可以提高其截止频率，使其可以在整个射频频段都能正常工作大信号模型是一个非线性模型，晶体管部的等效的结电容和结电阻会发生变化，小信号模型是

10、一个线性模型，可认为晶体管的个参数保持不变。能使用晶体管的大信号模型分析射频小信号。12 肖特基二极管的伏安特性为其中反向饱和电流为，电阻RS=1.5W。试编写计算机程序，计算当VA在0V10V之间变化时，肖特基二极管电流I的变化。*include math.hfloat dl(float Va) float i1; if(Va0) printf(n0,dataerror); else if(Va=0) i1=0; else i1=2*e*p(Va-dl(Va-1)*1.5-1); return(i1);void main() float i; float v=0; do i=dl(v); p

11、rintf(%f*10(-11)n,i); v=v+1; while(v1e-3) u=wl/h; qiua(); qiub(); qiuef() ; qiuf(); zl=qiuz(); u=wh/h; qiua(); qiub(); qiuef() ; qiuf(); zh=qiuz(); w=(wl+wh)/2; u=w/h; qiua(); qiub(); qiuef() ; qiuf(); z=qiuz(); t=(z-z0)/z0; if(zz0) if(zhz0) wh=w; else wl=w; else if(zlz0) wh=w; else wl=w; printf(%10

12、.6f,w); getch() ;子函数同上21. 有一款免费的Smith圆图软件，大小只有几百kB字节。请在互联网上搜索并下载该软件，通过帮助文件学习软件的使用方法，然后验证习题中利用Smith圆图计算的结果。解答:电子资源网可以找到.习题4：1 比拟两端口网络阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵、混合矩阵的定义，讨论四种网络参数的主要特点和应用。解答:见表4-12 分析如图4Error! Bookmark not defined.所示T形网络的阻抗，求该两端口网络的矩阵Z、导纳矩阵Y和转移矩阵A。图Error! No text of specified style in document.Erro

13、r! Bookmark not defined. T形网络解答:转移矩阵阻抗矩阵导纳矩阵3 一段电长度为bl特性阻抗为Z0的无耗传输线的转移矩阵A为当传输线终端连接阻抗为ZL的负载时，试分析该传输线输入阻抗ZIN与负载ZL的关系。解答:4 在射频放大电路设计中，为了提高放大电路的性能经常采用共基极晶体管放大电路，如图4Error! Bookmark not defined.所示。根据射频晶体管的等效电路模型，请计算分析给出等效电路的两端口网络的混合参数h。图Error! No text of specified style in document.Error! Bookmark not def

14、ined.晶体管共基极放大电路解答:混合矩阵5 通过转移矩阵A可以方便地计算级联两端口网络的电路，因此经常涉及到转移矩阵与其他网络参数的相互转换。请计算分析给出转移矩阵A与导纳矩阵Y之间的相互转换计算公式。解答:转移矩阵在导纳矩阵中利用条件代入式得：同理可得从而可用转移矩阵获得导纳矩阵6 如果两个两端口网络的散射参数S分别为请判断两个两端口网络是有源网络还是无源网络，并说明原因和相应可能的电路。解答：第一个是有源网络因其，对应的可能电路为放大器电路。第二个也是有源网络，因为其一端口的反射系数要大于1，可能的电路是振荡电路。7 无耗网络各端口的输入功率之和PIN和输出功率之和POUT相等。如果网

15、络是有耗网络，将满足关系PINPOUT；如果网络是有源网络，例如含有晶体管放大电路，将可能满足关系PINPOUT。请使用散射参数S给出描述这些功率关系的条件。解答：如果网络是有耗网络散射参数S满足如果网络是有源网络散射参数S满足8 如果一个N端口网络的阻抗矩阵Z满足互易条件Znm=Zmn，请证明该网络的散射参数S也满足互易条件Snm=Smn。解答：阻抗矩阵满足互易条件，则为对称矩阵=由此得：对其求转置，考虑，为对称矩阵得，则满足互易条件，得证9 使用T形电阻网络如图Error! No text of specified style in document.Error! Bookmark not

16、 defined.所示可以设计射频衰减器。一个典型的3dB衰减器的散射参数为1请分析3dB衰减器的特性；2如果在阻抗Z0=50W的射频系统中设计3dB衰减器，请给出T形电阻网络的元件参数。解答：说明他是互易网络说明它是有耗网络两边杰匹配负载10 在射频通信系统中，经常使用Z0=50W和Z0=75W两种特性阻抗的电路。如果一个特性阻抗为Z0=50W的传输线与ZL=75W的负载直接连接，求负载电压反射系数GL。如果入射的功率为PINC=1dBmW，请问负载获得的功率PL是多少.解答：11 一个N:1的变压器可以分析计算得到转移矩阵A。请自己分析计算给出N:1变压器的散射参数S。解答：变压器满足：时

17、=同理：得出：12 请分析计算给出从链散射矩阵T到散射矩阵S的变换关系。如果S参数满足互易条件，请判断T矩阵是否也满足互易条件。解答: 由代入式 得：同理：可得散射矩阵如果满足互易条件，则链散射矩阵也满足互易条件13 一个双极型晶体管在Z0=50W的系统中，使用矢量网络分析仪测量得到在900MHz下散射参数为FREQ S11 MAGS11 PHASES21 MAGS21 PHASES12 MAGS12 PHASES22 MAGS22 PHASE (MHz)(Degree) (Degree)(Degree)(Degree)9000.699509-117.58455.050356155.62910

18、.042585128.07490.062917-102.3972求该晶体管的Z参数和h参数。提示：编写计算机程序计算14 在晶体管射频放大电路设计中，需要在晶体管的输入和输出端口连接匹配电路，以获得最正确的性能。如图4Error! Bookmark not defined.所示的射频晶体管放大电路，输入端口和输出端口匹配电路等效两端口网络的散射参数分别为SM和SN，晶体管等效两端口网络的散射参数为ST，信号源阻ZG和负载阻抗ZL均为实数。为了分析匹配电路的效果，需要确定输入匹配网络的输入端电压反射系数GIN和输入匹配网络的输入端电压反射系数GOUT。请给出图4Error! Bookmark n

19、ot defined.中射频放大电路的信号流图，并计算给出GIN和GOUT的表达式。图Error! No text of specified style in document.Error! Bookmark not defined.射频晶体管放大电路解答：信号流图如下：其习题5：1 讨论巴特沃兹滤波电路、契比雪夫滤波电路、椭圆滤波电路的频率响应的特点，比拟三种滤波电路的优点和缺点。解：参考表5-12 证明对于无耗滤波电路，散射参数S满足关系解：对于无耗两端口网络满足既：将散射矩阵代入上式，可得则：3 滤波电路如图5Error! Bookmark not defined.所示，参数已经在电路图

20、上标注。图Error! No text of specified style in document.Error! Bookmark not defined.习题滤波电路如图5Error! Bookmark not defined.所示，参数已经在电路图上标注。的电路图求：1有载品质因数QL、无载品质因数QF、外电路品质因数QE；2在谐振频率处，信号源输出功率POUT和负载得到的功率PL。解：在没有插入滤波电路时，电路处于完全匹配状态，可得到负载获得的最大功率为：此功率即为入射滤波电路的功率，即为信号源的最大的输出功率在谐振频率处，L和C不消耗功率，根据电路的串联关系，负载得到的功率为4 滤波

21、电路如所示，参数已经在电路图上标明。图Error! No text of specified style in document.Error! Bookmark not defined.习题滤波电路如所示，参数已经在电路图上标明。的电路图求：1有载品质因数QL、无载品质因数QF、外电路品质因数QE；2在谐振频率处，信号源输出功率POUT和负载得到的功率PL。解：在谐振频率处，5 试比拟l0/4终端开路和终端短路传输线，与相应LC串联谐振电路和LC并联谐振电路的区别。解：短路和终端开路的传输线，只在处输入端的等效阻抗与相应的 LC并联谐振电路和LC串联谐振电路的阻抗一样，在其余地方不能和LC并谐

22、振电路LC串联谐振电路的阻抗一样且变化率不一样。6 设计一个归一化巴特沃兹低通滤波电路，要求在两倍截止频率处处具有不低于20dB的衰减。解：滤波电路如下所示：7 给出一个契比雪夫低通滤波电路的带插入损耗曲线，要求带波纹为6dB，并且在两倍截止频率处具有不低于50dB的衰减。解：由于只能取正整数，所以满足条件。8 在DCS1800的射频通信系统中，下行信号频率的围为1805MHz1880MHz。请设计一个集总参数带通滤波电路，通带的频率围与下行信号的频率围一致。要求通带波纹为0.5dB，在2.1GHz频率处，滤波电路具有不低于30dB的衰减。解：将表示为归一化频率使用0.5dB契比雪夫低通滤波器

23、，在6.445处，具有大于30dB的衰减。参考图5-22,用二阶即N2，查表5-5，二阶0.5dB波纹契比雪夫滤波电路的归一化参数为，取作为标准阻抗9 终端开路的微带传输线，由于边缘场的存在可以等效为并联一个0.1pF的负载电容。在微带线特性阻抗为50W，传输射频信号的相速度为1.5108m/s，对于长度为1cm的微带传输线。考虑终端开路的边缘场效应，计算10MHz、100MHz、1GHz频率下，传输线的输入阻抗；并求在不同频率下等效理想的开路传输线的长度。解：由可得出在10MHz、100MHz，1GHz的频率下，0.1pF的负载电容的阻抗分别为：可得：代入等效阻抗公式：可得：终端开路的传输线

24、的长度得10 利用两端口网络的转移矩阵，证明Error! Reference source not found.中Kuroda规则的第2个和第3个电路变换。解：串联电感的转移矩阵为单位元件的转移矩阵表示为可得到原始电路的转移矩阵右边，将代入得，得证。3. 左边：右边：把的代入，得证。11 如果使用长度为l0/4传输线的单位元件，证明Kuroda规则中的电路变换依然适用。解：当使用长度为的传输线作为单位元件时，该无耗传输线的转移矩阵为，其中由于其转移矩阵的格式没有改变所以规则对于的传输线依然成立。12 在*射频通信系统中，第一中频为fIF=200MHz。请设计一个截止频率为200MHz，在500

25、MHz具有50dB以上衰减的低通滤波电路。要求使用最少的元件实现滤波电路，并且通带带波纹为3dB。解：根据要求，滤波电路应在处有50db的衰减，据图5-21可得到至少需要4阶的归一化电路，据表5-4可得归一化滤波电路的参数为：采用首元件为串联电感利用映射到低通的公式得最后的电路为：13 在GSM900的移动通信系统中，在移动接收机中需要在下行信号中滤除上行信号的干扰。上行信号的频率围为890MHz915MHz，下行信号频率的围为935MHz960MHz。1要求使用集总参数滤波电路，设计一个3阶带通滤波电路，通带波纹为3dB，中心频率为902.5MHz，带宽为25MHz。2求该滤波电路对中心频率

26、为947.5MHz下行信号的衰减。解：. 查表5-4得到3阶3dB等波纹归一化低通滤波器的归一化参数为：根据式5.76和式5.77得到能代替电感电容的电感电容的值最终得到带通滤波电路如下图：计算f=947.5MHz的归一化频率为插入损耗为3dB即得得滤波电路对下行信号中心频率的衰减为：14 在“蓝牙通信系统中，需要设计一个5阶最大平滑带阻滤波电路，要求中心频率为2.45GHz，带宽为15%，输入和输出阻抗为75W。解：首先设计归一化低通滤波电路，据设计要求选用5阶巴特沃兹滤波电路，参考表5-2可得归一化常数为：选用首元件为并联电容的滤波电路串联电感用终端短路的传输线替代，并联电容用终端开路的传

27、输线替代微带线的特征阻抗可用带宽系数归一化参数计算：利用kurda规则得到最后的电路为15 设计一个截止频率为5GHz的5阶线性相移低通滤波电路，要求给出集总参数滤波电路的原理图。如果使用电路板相对介电常数er=4.6，介质厚度为d=1mm，计算并给出微带滤波电路。解：根据设计要求，选取5阶线性相移的巴特沃兹滤波电路，其设计参数为采用首元件为并联电容的滤波电路，则，如以下图：，实际低通滤波器中的参数为：。原理图同上。采用微带线，利用Kurda规则得到最后的电路为：16 在射频通信电路中，设计一个7阶的阶跃阻抗低通滤波电路，要求截止频率为1GHz，具有最大平滑的带响应。1电路板的厚度为d=1mm

28、，基质相对介电常数为er=3，请绘出微带滤波电路。2如果选用基质相对介电常数更高的瓷电路板er=27，请重新绘出微带滤波电路，并比照滤波电路较尺寸的变化。解：先设计归一化的最大平滑巴特沃兹滤波电路，根据设计要求，需选用7阶滤波电路。由表5-2,得到归一化元件参数为选取和。据阶跃阻抗低通滤波电路的传输线的长度满足：取50，为波数，可以得到在的介质基板上，微带阶跃阻抗低通滤波电路参数为滤波电路微带线元件归一化参数宽度W/mm长度L/mm并联电容12.141.288串联电感0.4155.579并联电容12.145.216串联电感0.4158.948并联电容12.145.216串联电感0.4155.5

29、79并联电容12.141.288滤波电路：当时，参数为：滤波电路微带线元件归一化参数宽度W/mm长度L/mm并联电容3.2080.476串联电感0.003642.149并联电容3.2081.928串联电感0.003643.447并联电容3.2081.928串联电感0.003642.149并联电容3.2080.476滤波电路如下：17 在滤波电路的实际测量中，可以使用网络分析仪方便地获得该两端口网络的S参数。在网络分析仪上，|S11|和|S21|随频率变化的曲线可以直接显示在屏幕上。1试证明|S11|和|S21|随频率变化曲线的交点对应于无耗滤波电路的截止频率。2如果滤波电路存在功率损耗，|S1

30、1|和|S21|曲线的交点将会如何变化。解：无耗滤波电路满足|S11|和|S21|的交点满足则插入损耗得：|S11|和|S21|随频率变化曲线的交点对应于无耗滤波电路的截止频率。2 无18 在卫星通讯系统中，需要设计一个带通滤波电路。信号的中心频率为10GHz，带宽为300MHz。要求滤波电路具有最大的平滑响应，并且在10.4GHz处具有不小于40dB的衰减。解：高端载频低端载频频率10.4GHz表示为归一化的频率根据设计要求，需选用5阶巴特沃兹滤波电路。查表5-2得滤波电路的归一化参数为取50作为标准阻抗，得耦合微带线的奇模数特征阻抗与偶模特征阻抗为：00.27640.01067.60910

31、.21741.50463.20420.12144.68256.78230.12144.68256.78240.21741.50463.20450.27640.0167.609在根据所给基质的性质得出最终的滤波电路。19 如Error! Reference source not found.所示的滤波电路，元件参数已经在图上标明，从滤波电路输入端看进去的输入阻抗为ZIN。1试编写计算机程序，计算输入阻抗ZIN随频率变化的特性。2试编写计算机程序，计算滤波电路的电压传递系数的模值|H(w)|，并分析滤波电路的中心频率和频带宽度；3)绘出滤波电路的插入损耗的曲线，分析滤波电路的类型。图Error! No text of specified style in document.Error! Bookmark not defined.习题如Error! Reference source not found.所示的滤波电路，元件参数已经在图上标明，从滤波电路输入端看进去的输入阻抗为ZIN。1试编写计算机程序，计算输入阻抗ZIN随频率变化的特性。2试编写计算机程序，计算滤波电路的电压传递系数的