吳元亮，徐 勇，閔 銳

（陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007）

1 部分接入的工程背景與教學(xué)意義

濾波器和阻抗匹配是高頻電路設(shè)計(jì)的兩類重要電路。信號(hào)在傳輸過程受到噪聲和干擾，濾波器從眾多無用信號(hào)和噪聲、非線性失真等干擾中選出有用信號(hào)，同時(shí)抑制和濾除無用信號(hào)和噪聲干擾。阻抗匹配則實(shí)現(xiàn)從信號(hào)源到負(fù)載的最大可能功率轉(zhuǎn)移，尤其是在高靈敏度接收機(jī)的前端[1]。這兩類電路通常由電感和電容組成，往往以部分接入方式應(yīng)用在天線、調(diào)制器、高放、混頻器等電路的輸出端。部分接入一是減小源和負(fù)載對(duì)LC諧振回路的影響，提高高頻電路選頻能力、解決諧振頻率漂移和不穩(wěn)定問題，二是實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，方便信號(hào)傳送到下一級(jí)。

2 源和負(fù)載對(duì)LC諧振回路的實(shí)際影響

圖1 源和負(fù)載對(duì)LC諧振回路的影響

直接插入信源、負(fù)載時(shí)，諧振頻率f0、有載品質(zhì)因數(shù)QL計(jì)算為：

f0的計(jì)算式表明源電容CS和負(fù)載電容CL將導(dǎo)致f0減小，若維持f0不變，需要減小電感L，這必然降低QL，進(jìn)而降低回路的選頻能力。QL的計(jì)算式表明源內(nèi)阻Rs和負(fù)載電阻RL的引入將減小LC回路總電阻RΣ和有載品質(zhì)因數(shù)QL，增大帶寬B，這使得LC回路很難適用于小阻值源和負(fù)載時(shí)。部分接入是有效解決這個(gè)問題的方法之一。

3 部分接入的阻抗變換與準(zhǔn)確計(jì)算

部分接入主要有圖2所示3種方式：變壓器、電感抽頭和電容抽頭。對(duì)于每一種形式，折算均可使用公式，公式可推廣應(yīng)用于，n為接入系數(shù)，互感，電感抽頭，電容抽頭。部分接入將大大提高電路的品質(zhì)因數(shù)，是一種行之有效的改進(jìn)方式。

圖2 常用的3種部分接入方式

但是高頻電路教學(xué)對(duì)于折算公式的準(zhǔn)確運(yùn)用鮮有提及。圖3為一道帶有負(fù)載電容的電容抽頭接入電路[2]，學(xué)生在計(jì)算上存在一定爭議。

圖3 電容抽頭接入電路

學(xué)生采取兩種計(jì)算思路。思路一：負(fù)載電阻RL與負(fù)載電容CL標(biāo)為負(fù)載阻抗ZL；思路二：負(fù)載電容CL與回路電容CL直接合并。計(jì)算的結(jié)果如表1所示。

表1 兩種計(jì)算思路的結(jié)果比較

處理負(fù)載電容，計(jì)算思路一依據(jù)電路基本理論，思路二則是高頻電路等效計(jì)算的常用方法。針對(duì)例題，表1中兩種計(jì)算結(jié)果相近，但是有差別，而且差別隨著負(fù)載電容CL的增大而增大，當(dāng)CL的值接近甚至大于抽頭電容C2時(shí)，差別很大。

通過圖4所示電容抽頭接入方式的阻抗等效過程解釋和解決計(jì)算爭議問題。

圖4 電容抽頭接入方式的阻抗等效計(jì)算

根據(jù)電路串并聯(lián)轉(zhuǎn)換的阻抗變換原則，有如下計(jì)算。

ZL、C2并聯(lián)向串聯(lián)轉(zhuǎn)換

負(fù)載電容CL越大，負(fù)載阻抗ZL越小，QC2越小；抽頭電容C2越小，QC2越小。QC'情況與QC2相似。而QC2、QC'越小，根據(jù)等效計(jì)算公式計(jì)算的結(jié)果就越不準(zhǔn)確。因而，為等效計(jì)算準(zhǔn)確性高，抽頭電容應(yīng)該比負(fù)載電容取值大一些，表1結(jié)果也表明了這一結(jié)論。

4 電容抽頭部分接入Multisim電路仿真

圖5為純電阻負(fù)載時(shí)，LC諧振回路直接接入與部分接入的電路性能對(duì)比。仿真結(jié)果表明：部分接入方式能夠有效提高電路的品質(zhì)因數(shù)，選頻曲線更陡峭，帶寬變窄[3-4]。

圖6為負(fù)載有電容時(shí)，不同負(fù)載電容值對(duì)電路性能指標(biāo)的影響。仿真結(jié)果表明：抽頭電容為20 pF，負(fù)載電容為1 pF時(shí)，電路諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)受負(fù)載電容的影響很小，諧振頻率與LC諧振回路空載時(shí)諧振頻率相近，品質(zhì)因數(shù)與純電阻負(fù)載越相近；負(fù)載電容越大，各項(xiàng)指標(biāo)受負(fù)載電容的影響越明顯。從而證明利用高頻電路中的折算公式計(jì)算諧振頻率、諧振電阻、品質(zhì)因數(shù)、帶寬等指標(biāo)時(shí)必須充分考慮負(fù)載電容與抽頭電容在取值方面的關(guān)系，以免計(jì)算結(jié)果誤差較大。

圖5 直接接入與部分接入的性能對(duì)比

圖6 抽頭電容一定時(shí)不同負(fù)載電容對(duì)性能指標(biāo)的影響

5 結(jié)語

高頻電路中應(yīng)用LC回路時(shí)往往采取部分接入方式，以降低源與負(fù)載阻抗的影響。針對(duì)電容抽頭接入的等效計(jì)算問題，討論根據(jù)電路理論和部分接入常用等效公式計(jì)算的差別，并分析差別產(chǎn)生的原因，最后利用電路仿真軟件驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]CHRISTOPHER B,JOHN B,CHERYL A．射頻電路設(shè)計(jì)[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2015．

[2]徐勇,吳元亮,徐光輝,等．通信電子線路[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2017．

[3] 陶玉貴．Multisim仿真在高頻電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．西昌學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,29(3):150-152．

[4] 吳學(xué)軍．基于EDA仿真技術(shù)的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)[J]．西昌學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,29(1):157-160．