第二章光学谐振腔基本概念 (1)
2.1光学谐振腔 (1)
2.2非稳定谐振腔及特点 (1)
2.3光学谐振腔的损耗 (2)
2.4减小无源稳定腔损耗的途径 (2)
反射镜面的种类对损耗的影响 (2)
腔的结构不同，损耗不同 (2)
第二章光学谐振腔基本概念
2.1光学谐振腔
光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一，是用来加强输出激光的亮度，调节和选定激光的波长和方
向的装置。
光线在两镜间来回不断反射的腔叫光学谐振腔。由平面镜、凹面镜、凸面镜的任何两块镜的组合，构成各类型光学谐振腔。
光学谐振腔的分类方式很多。按照工作物质的状态可分为有源腔和无源腔。虽有工作物质，但未被激发从而无放大作用的谐振腔称之为无源谐振腔；而有源腔则是指经过激发有放大作用的谐振腔。
2.2非稳定谐振腔及特点
非稳定谐振腔的反射镜可以由两个球面镜构成也可由一个球面镜和一个平面镜组合而成。若R1和R2为两反射镜曲率半径，L为两镜间距离，对于非稳腔则g1，g2：满足g1*g2
1．大的可控模体积
在非稳腔中，基模在反射镜上的振幅分布式均匀的，它不仅充满反射镜，而且不可避免地要向外扩展。非稳腔的损耗与镜的大小无关，这一点是重要的，因此，只要把反射镜扩大到所需的尺寸，总能使模大致充满激光工作物质。这样即使在腔长很短时也可得到足够大的模体积，故特别适用于高功率激光器的腔型。
2．可控的衍射耦合输出
一般稳定球面腔是用部分透射镜作为输出耦合镜使用的，但对非稳腔来说，以反射镜面边缘射出去的部分可作为有用损耗，即从腔中提取有用衍射输出。
3．容易鉴别和控制横模
对于非稳腔系统，在几何光学近似下，腔内只存在一组球面波型或球面一平面波型，故可在腔的一端获得单一球面波型或单一平面波型(即基模)，从而可提高输出光束的定向性和亮度。进一步分析表明，非稳腔中(N不大情况下)仍可能有结构复杂的高阶模存在。但是，即使对于大的模直径和大菲涅耳数N的非稳腔，低阶模和高阶模损耗的差异也是较大的，因此容易得到单横模振荡输出。
4．易于得到单端输出和准直的平行光束
通常非稳腔的两个反射镜都是做成全反射的，只要把其中一个反射镜做得比另一个大得多，以满足单端输出条件，就可以实现单端输出。处于应用目的，可用透镜或其它光学系统把非稳腔单端输出球面波准直成平行光束。非稳腔的缺点是：输出光束截面成环状，即在近场中心处有暗斑：在远场暗斑消失，光束强度分布不均匀，显示出某种衍射环。
2.3光学谐振腔的损耗
由于腔内存在各种各样的损耗，即使有了稳定的谐振腔和合适的工作物质，也不一定能产生激光。光腔损耗的大小是评价谐振腔品质因数的重要指标，在激光振荡过程中，光学谐振腔的损耗决定了振荡的阈值、线宽和激光器的输出功率。本文对光学谐振腔的损耗作了简单的分析和讨论，对于设计和应用光学谐振腔，特别是对于控制各种损耗的能力和操纵各类光学元件是有意义的。
几何损耗、衍射损耗、腔镜反射不完全引起的损耗、非激活吸收、散射等其他损耗
2.4减小无源稳定腔损耗的途径
反射镜面的种类对损耗的影响
若谐振腔的反射镜用平面镜，存在的缺陷有二：首先，光在两平面镜之间多次反射后会偏折出去，达不到稳定条件；其次，若两镜面不是完全平行，有一个很小的夹角时，其损耗见(2)式。若令D一1cm，L=1m，要求艿
腔的结构不同，损耗不同
虽然同属临界腔，但腔的结构不同，损耗不同。如
第二章光学谐振腔基本概念 (1) 2.1光学谐振腔 (1) 2.2非稳定谐振腔及特点 (1) 2.3光学谐振腔的损耗 (2) 2.4减小无源稳定腔损耗的途径 (2) 反射镜面的种类对损耗的影响 (2) 腔的结构不同，损耗不同 (2) 第二章光学谐振腔基本概念 2.1光学谐振腔 光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一，是用来加强输出激光的亮度，调节和选定激光的波长和方 向的装置。 光线在两镜间来回不断反射的腔叫光学谐振腔。由平面镜、凹面镜、凸面镜的任何两块镜的组合，构成各类型光学谐振腔。 光学谐振腔的分类方式很多。按照工作物质的状态可分为有源腔和无源腔。虽有工作物质，但未被激发从而无放大作用的谐振腔称之为无源谐振腔；而有源腔则是指经过激发有放大作用的谐振腔。 2.2非稳定谐振腔及特点 非稳定谐振腔的反射镜可以由两个球面镜构成也可由一个球面镜和一个平面镜组合而成。若R1和R2为两反射镜曲率半径，L为两镜间距离，对于非稳腔则g1，g2：满足g1*g2
§9-4 光振荡 一、受激辐射与自发辐射 受激辐射除了吸收过程相矛盾外，还与自发辐射相矛盾，处于激发态能级的原子，可以通过自发辐射或受激辐射回到基态，在这两种过程中，自发辐射往往是主要的，设高低能级的粒子数密度分别为21n n 和，根据（9-7）式和（9-8）式，可得到受激辐射和自发幅射光子数之比。 21 ()u v B R A = （9-24） 如果要使1R >>，则能量密度()u v 必须很大，而在普遍光源中，能量密度()u v 通常是很小的，例如在热平衡条件下，对于发射1m λμ=的热光源来讲，当温度为300K 时1210R -=，由（9-24）式可知，在此情况下，受激辐射光子数比自发辐射光子数少得多，如果要使受激辐射光子数等于自发辐射光子数，即1R =，则此热光源温度就需高达500000K ，可见在一般光源中，自发辐射大大超过了受激辐射。 但是我们可以设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射，不断得到放大和加强，就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而其它方向传播的光很容易逸出腔外，以致在这一特定方向上超过自发辐射，这样，我们就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况，这种装置叫做光学谐振腔。 二、光学谐振腔 象电子技术中的振荡器一样，要实现光振荡，除了有放大元件以外，还必须具备正反馈系统，在激光器中，可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件，而光学谐振腔就起着正反馈、谐振和输出的作用。 全反射镜 工作物质部分反射镜 （图9－10） 图9-10就是光学谐腔的示意图，在作为放大元件的工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜，它们互相平行，且垂直于工作物质的轴线，这样的装置就能起到光学谐振腔的作用。 当能实现粒子数反转的工作物质受到外界的激励后，就有许多粒子跃迁到激发态去，激发态的粒子是不稳定的，它们在激发态寿命的时间范围以内会纷纷跳回到基态，而发射出自发辐射光子，这些光子射向四面八方，其中偏离轴向的光子很快就逸出谐振腔外，只有沿着轴向的光子，在谐振腔内受到两端两块反射镜的反射而不致于逸出腔外，这些光子就成为引起受激辐射的外界感应因素，以致产生了轴向的受激辐射，受激辐射发射出来的光子和引起受激辐射的光子有相同的频率，发射方向，偏振状态和位相，他们沿轴线方向不断地往复通过已实现了粒子数反转的工作和振荡，这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增加，而在部分反射镜中输出，这便是激光。
高频电子线路测试题 第一章绪论 一、自测题 1、一个完整的通信系统应有信源、发送设备、信道、 接受设备、信宿五部分组成。 220H Z到20KH Z 的范围内。 作业题 1、为什么在无线电通信中要使用“载波”发射，其作用是什么？ 解:由于需要传送的信息转变成电信号以后,其占有的频率成分基本上是低频范围,将这些低频范围的电信号直接发射出去,有两个不可克服的缺点,一是无选择性,相互干扰,不能实现多路通信.二是电信号频率低无线天线尺寸太大,为此采用对载波进行调制的发送方式就能较好地解决这两个缺点,选用高频载波作为运载信息的信号,由于频率高,天线尺寸小.另外,不同的电台,采用不同的载波,就很容易实现多路通信. 2、在无线电通信中为什么要采用“调制”与“解调”，各自的作用是什么？ 解:"调制"是发射机的主要功能.所谓调制是将所需传送的基带信号加载到载波信号上去,以调幅波,调相波或调频波的形式通过天线辐射出去. " 解调"是接收机的重要功能.所谓解调是将接收到的已调波的原调制信号取出来,例如从调幅波的振幅变化中取出原调制信号.从调相波的
瞬时相位变化中取出原调制信号.从调频波的瞬时频率变化中取出原调制信号. 3、计算机通信中应用的“调制解调”与无线电通信中的“调制解调”有什么异同点？ 答：无线通信中，高频信号容易经天线发射，利用这一原理来传输信号调制就是把实际要传输的低频信号(被调制信号）经过运算，加载到高频信号(载波）上面去，解调是重新从已调制的高频信号中恢复低频信号（调 制信号） 二、思考题 试说明模拟信号和数字信号的特点？它们之间的相互转换应采用什么器件实现？ 答：(1)模拟信号与数字信号 不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。
第二章习题答案 一、选择题 1、小信号谐振放大器的主要技术指标不包含（ B ） A、谐振电压增益 B、失真系数 C、通频带 D、选择性 2、高频小信号调谐放大器主要工作在（ A ） A．甲类 B．乙类 C．甲乙类 D．丙类 3、在高频放大器中，多用调谐回路作为负载，其作用不包括（ D ） A．选出有用频率 B．滤除谐波成分 C．阻抗匹配 D．产生新的频率成分 4、下列不属于单调谐放大器主要技术指标的是 ( D ) A．谐振电压增益 B．通频带 C．选择性 D．纹波系数 5、放大器的噪声系数 F是指（ A ） n A．输入端的信噪比/输出端的信噪比 B．输出端的信噪比/输入端的信噪比 C．输入端的噪声功率/输出端的噪声功率 D．输出端的噪声功率/输入端的噪声 功率 6、如图1所示调谐放大器，接入电阻R 的目的是（ C ） 4 图1 题2.6 A．提高回路的Q值 B．提高谐振频率 C．加宽通频带 D．减小通频带 7、放大器的通频带是指其电压增益下降到谐振时的（ D ）所对应的频率范围， 用 2f 表示。 7.0 A、1/2 B、1/3 C、1/3 D、1/2 8、多级单调谐放大器，可以提高放大器的增益并改善矩形系数，但通频带（ A ）。 A、变窄 B、变宽 C、不变 9、随着级数的增加，多级单调谐放大器（各级的参数相同）的通频带变， 选择性变。( B ) A、大、好 B、小、好 C、大、差 D、小、差
10、高频电子电路中常采用（ B ）参数等效电路进行分析。 A 、X B 、Y C 、Z D 、S 11、多级调谐回路放大器的通频带是单调谐回路放大器的 B 倍。 A n B 2 D 、1/2 二、填空题 1、单向化是提高谐振放大器稳定性的措施之一，单向化的方法有 中和法 和 失配法 。 2、某小信号放大器共有三级，每一级的电压增益为10dB, 则三级放大器的总电压增益为 30dB 。 3、在小信号谐振放大器中，三极管的集电极负载通常采用 自耦变压器 ，它的作用是获得最大功率增益 。 4、信噪比等于 信号功率Ps 与 噪声功率Pn 之比。 5、噪声系数等于 输入端信噪比 与 输出端信噪比 之比。 6、为了抑制不需要的频率分量，要求输出端的带通滤波器的矩形系数 尽可能接近1 。 7、晶体管的截止频率f ?是指当电流放大倍数|β|下降到低频0β的1/应的工作频率。 8、矩形系数是表征放大器 选择性 好坏的一个物理量。 9、消除晶体管y re 的反馈作用的方法有 中和法 和 失配法 。 10、在单调谐放大器中，矩形系数越接近于1、其选择性越 好 ；在单调谐的多级放大器中，级数越多，通频带越 窄 （宽或窄），其矩形系数越 小 （大或小） 11、小信号谐振放大器的主要特点是以 谐振回路 作为放大器的交流负载，具 有 选频 和 滤波 功能。 12、小信号调谐放大器按调谐回路的个数分 单调谐 和 双调谐 。 13、高频小信号放大器的主要性能指标有 增益 、 通频带 、 选择性 和稳定性。为了提高稳定性，常用的措施有 中和法 和 适配法 。 14、放大电路直流通路和交流通路画法的要点是：画直流通路时，把 电容 视为开路；画交流通路时，把 电容 视为短路。 15、高频小信号调谐放大器一般工作在 甲类 （甲类，乙类，丙类）状态，它的主要技术指标有 增益 和选频性能，选频性能通常用 矩形系数 和 抑制比 两个指标衡量。 三、判断题 1、小信号谐振放大器的矩形系数大于1，且越大越好。 （ 错 ） 2、谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器。 （ 对 ） 3、谐振放大器处在谐振时其增益最大。 （ 对 ） 4、小信号谐振放大器抑制比越大，其选择性越好。 （ 错 ） 5、谐振放大器的K r0.1愈大于1，则放大器的选择性愈好。 （ 错 ） 6、多级耦合的调谐放大器的通频带比组成它的单级单调谐放大器的通频。（ 错 ） 7、调谐放大器兼有放大和选频功能。 （ 对 ） 8、高频小信号谐振放大器不稳定的主要原因是谐振曲线太尖锐。 （ 错 ）
2-1 为什么谐振功率放大器能工作于丙类，而电阻性负载功率放大器不能工作于丙类？ 解：因为谐振功放的输出负载为并联谐振回路，该回路具有选频特性，可从输出的余弦脉冲电流中选出基波分量，并在并联谐振回路上形成不失真的基波余弦电压，而电阻性输出负载不具备上述功能 2-2 放大器工作于丙类比工作于甲、乙类有何优点？为什么？丙类工作的放大器适宜于放大哪些信号？ 解：(1)丙类工作，管子导通时间短，瞬时功耗小，效率高。 (2) 丙类工作的放大器输出负载为并联谐振回路，具有选频滤波特性，保证了输出信号的不失真。 为此，丙类放大器只适宜于放大载波信号和高频窄带信号。 2-4 试证如图所示丁类谐振功率放大器的输出功率2)sat (CE CC L 2o )2(π2 V V R P -=，集电极 效率CC ) sat (CE CC C 2V V V -= η。已知V CC = 18 V ，V CE(sat) = 0.5 V ，R L = 50 Ω，试求放大器的P D 、 P o 和ηC 值。 解：(1) v A 为方波，按傅里叶级数展开，其中基波分量电压振幅。)2(π 2 )sat (CE CC cm V V V -=通过每管的电流为半个余弦波，余弦波幅度，)2(π2 )sat (CE CC L L cm cm V V R R V I -== 其中平均分量电流平均值 cm C0π 1I I = 所以 2)sat (CE CC L 2cm cm o )2(π2 21V V R I V P -== )2(π2 )sat (CE CC CC L 2C0CC D V V V R I V P -== CC ) sat (CE CC D o C 2/V V V P P -= =η
第2章 高频功率放大器 2.1为什么低频功率放大器不能工作于丙类，而高频功率放大器则可工作于丙类？ 答：两种放大器最根本的不同点是：低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽，因而只能采用无调谐负载，工作状态只能限于甲类、甲乙类至乙类（限于推挽电路），以免信号严重失真；而高频功率放大器的工作频率高，但相对频带宽度窄，因而可以采用选频网络作为负载，可以在丙类工作状态，由选频网络滤波，避免了输出信号的失真。 2.2丙类放大器为什么一定要用调谐回路作为集电极负载？回路为什么一定要调到谐振状态？回路失谐将产生什么结果？ 答：选用调谐回路作为集电极负载的原因是为了消除输出信号的失真。只有在谐振时，调谐回路才能有效地滤除不需要的频率，只让有用信号频率输出。此时，集电极电流脉冲只在集电极瞬时电压最低区间流通，因而电流脉冲最小，平均电流co I 也最小。若回路失谐，则集电极电流脉冲移至集电极瞬时电压较高的区间流通，因而电流脉冲变大，co I 上升，同时，输出功率下降，集电极耗散功率将急剧增加，以致烧损放大管。因此，回路失谐必须绝对避免。 2.3提高高频放大器的效率与功率，应从哪几方面入手？ 答：（1）使放大器工作于丙类，并用选频网络作为负载； （2）适当选取电流导通角c θ。 2.9晶体管放大器工作于临界状态，200p R =Ω，90mA co I =，30V C E =，90c θ=?。试求o P 与η。 解：查课本后附录得：11()(90) 1.57c g g θ=?= m11()90 1.57141.3(mA)c co c I I g θ==?= ∴232111 (141.310)200 1.997(W)=2W 22 o cm p P I R -==???≈ 3 309010 2.7(W ) D C c o P E I -==??= ∴2 100%74.1%2.7 o D P P η== ?≈ 2.10已知谐振功率放大器的导通角c θ分别为180?、90?和60?时，都工作在临界状态，且三种情况下的C E 、max c I 也都相同。试计算三种情况下效率η的比值和输出功率o P 的比值。 解：（1）22221max 1max 1max 00()()22()2() cm p c c p c p o c D C co C c c C c I R I R I R P P E I E I E αθαθηαθαθ====? ∵C E 、max c I 、p R 相同，因此有 222 2 22111123000 (180)(90)(60)0.50.50.391::::::1:1.567:1.4031:1.57:1.40 (180)(90)(60)0.50.3190.218 αααηηηααα???= ==≈??? （2）22 21max 111()22 o cm p c p c P I R I R αθ== ∴222222 123111::(180):(90):(60)0.5:0.5:0.3911:1:0.61o o o P P P ααα=???=≈
第二章高频功率放大器 一、填空题 1、丙类高频功率放大器又称为____________功率放大器，常在广播发射系统 中用作____________级。 2、按照通角θC来分类，θC=180°的高频功率放大器称为_____类功放；θC <90°的高频功率放大器称为_____类功放。 3、功率放大器的工作状态按照集电极电流的通角θC的不同可分为四类：当 θC= ______时，为_____类：当θC=_____时，为_____类；当θC<____时为____类；当____<θC<____时，为_____类。（该工作状态系指甲、乙、丙类。下同）为了提高谐振功率放大器的功率，常使它工作在____类。 4、线性功放适用于放大__________信号，谐振功放适合于放大单频信号和调 频__________信号等。 5、分析、设计高频功放的最终目的是保证放大器件安全工作，在允许的_____ 范围内_____地输出足够大的信号功率。 6、若谐振功放的输入电压U be为余弦波，其集电极电流i C是_______脉冲，但 放大器输出回路的电压仍为_______。 7、谐振功放工作于非线性状态，i C, i B是U be, U ce的_______函数，工程上可采 用______________近似分析法。 8、谐振功率放大器集电极电流的通角θC与U BB，U bm，U BZ的关系是： θ=_______；若谐振功放原工作在乙类状态时，当输入信号电压振幅U bm C 减小，则放大器工作于____类；当U BB由负值向正值方向增加到一定值时，则可使放大器工作于_____类。 9、若谐振功率放大器集电极谐振阻抗为R P，尖顶脉冲电流的高为I cmax，通角 为θC，则：电源Ec提供的直流功率P D=______；输出功率P0=________。 放大器能量转换效率ηC=________；θC越小效率______，但输出功率_____。为此常选θC约为_______左右为宜。 10、欠压工作状态是指晶体管在输入信号的全周期内都工作在特性曲线的 _______；过压工作状态是指在信号周期内部分时间晶体管工作于_______区。 11、若工作于临界状态的谐振功放，在E C、U BB、U bm不变时，增加谐振电阻 R P，则将进入________状态，动态特性曲线的斜率将________。 12、放大器工作在欠压状态，若使E C、U BB、U bm不变。当负载谐振电阻R P
第2章 高频功率放大器 2.2丙类放大器为什么一定要用调谐回路作为集电极负载？回路为什么一定要调到谐振状态？回路失谐将产生什么结果？ 答：选用调谐回路作为集电极负载的原因是为了消除输出信号的失真。只有在谐振时，调谐回路才能有效地滤除不需要的频率，只让有用信号频率输出。此时，集电极电流脉冲只在集电极瞬时电压最低区间流通，因而电流脉冲最小，平均电流co I 也最小。若回路失谐，则集电极电流脉冲移至集电极瞬时电压较高的区间流通，因而电流脉冲变大，co I 上升，同时，输出功率下降，集电极耗散功率将急剧增加，以致烧损放大管。因此，回路失谐必须绝对避免。 2.5 解：高频功率放大器的欠压、临界、过压工作状态是根据动态特性的A 点的位置来区分。若A 点在 max be u 和饱和临界线的交点上，这就是临界状态。若A 点在max be u 的延长线上（实际不存在） ， 动态特性为三段折线组成，则为过压状态。若A 点在max be u 线上，但是在放大区，输出幅度cm U 较 小，则为欠压状态。 欠压区的特点是电流脉冲为尖顶，输出电压幅度相对较小，其输出功率较小，效率也低，除在基极调幅电路中应用外，其它应用较少。临界状态，输出电压较大，电流为尖顶脉冲，输出功率最大，效率较高，较多的应用于发射机中的输出级。过压状态，电流为凹顶脉冲，输出电压幅度大，过压区内输出电压振幅随P R 变化小，常作为发射机的高频功率放大器的中间级应用。 改变 C E 时，C E 由小变大，工作状态由过压到临界然后到欠压。改变bm U 时，由小变大，工作状态 由欠压到临界然后到过压。改变BB U 时，由负向正变，工作状态由欠压到临界到过压。改变P R 时， 由小到大变，工作状态由欠压到临界然后到过压。 2.8解：（1）用功放进行振幅调制，调制信号加在集电极时，功放应工作在过压区内。在过压区中输出电压随C E 改变而变化；调制信号加在基极时功放应工作在欠压区中，在欠压区中，输出电压 随BB U 、 bm U 改变而变化 2）放大振幅调制信号时，工作在欠压区，线性比较差，采用甲或乙类工作状态时，线性较好 （3）放大等幅信号应工作在临界状态。在临界状态输出功率最大，效率也较高，是最佳工作状态。 2.9晶体管放大器工作于临界状态，200p R =Ω，90mA co I =，30V C E =，90c θ=?。试求o P 与η。 解：查课本后附录得：11()(90) 1.57c g g θ=?= m 11()90 1.57141.3(m A ) c c o c I I g θ==?= ∴232111 (141.310)200 1.997(W)=2W 22 o cm p P I R -==???≈ 3 309010 2.7(W )D C c o P E I -==??= ∴2 100%74.1%2.7 o D P P η= =?≈ 2.10已知谐振功率放大器的导通角c θ分别为180?、90?和60?时，都工作在临界状态，且三种情况下的C E 、max c I 也都相同。试计算三种情况下效率η的比值和输出功率o P 的比值。 解：（1）22221max 1max 1max 00()()22()2() cm p c c p c p o c D C co C c c C c I R I R I R P P E I E I E αθαθηαθαθ====? ∵C E 、max c I 、p R 相同，因此有 222 2 22111123000 (180)(90)(60)0.50.50.391::::::1:1.567:1.4031:1.57:1.40 (180)(90)(60)0.50.3190.218 αααηηηααα???= ==≈???
光学谐振腔的分类之一 腔内傍轴光线几何逸出损耗的高低：稳定腔、非稳腔、临界腔。 稳定腔：腔内傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔。 非稳腔：腔内光线经过有限次往返传播后逸出腔外的谐振腔。 临界腔：能够保证截面平行于反射镜面的光束在反射镜间传播不逸出。 什么样几何形状的谐振腔？共轴球面腔的三个参数：腔镜的曲率半径R 1、R 2、腔长 L 需要满足什么样的条件呢？ 本节讨论光学谐振腔的稳定性条件。 1.共轴球面谐振腔的稳定性条件 光线在球面谐振腔内往返n 次的光学变换矩阵： = 往返n 次后光线的空间位置坐标与方向坐标： 如果在无论n 取多大值、任何值的情况下，An 、Bn 、Cn 和Dn 都是在一定范 围内的有限值，那么 和 就是有限值，只要反射镜的镜面横向尺寸足够大，就可以保证傍轴光线在腔内往返任意次、无限次而不会从侧面逸出。 从M n 的表达式中可以看出，角度 的大小对矩阵中的四个元素An 、Bn 、Cn 和Dn 起着决定性的作用。 和 取值大小，反映的是光线偏离光轴能力的大小，即造成激光几何 损耗的大小。 下面我们就分三种情况对 角的取值加以讨论，并希望能从中寻找出谐振腔的稳定性条件。 n n n n n A B M C D ??=?????? ? ???----???? ???)1sin(sin sin sin )1sin(sin sin 1n n D n C n B n A 1111n n n n n n r A r B C r D θθθ=+?? =+? ?n r n θn r n θ????? ??? ??? - --=+-=-=-=1212121222)21)(21() 11(24)1(221R L R L R L D R R R R L C R L L B R L A
第二章 选频网络 （一）选择题 1．LC 串联谐振回路发生谐振时，回路电抗为 C ，回路总阻抗为 B ，回路电流达到 A 。 A ）最大值 B ）最小值 C ）零 D ）不能确定 2．串联谐振曲线是 A 之间的关系曲线。 A ）回路电流I 与谐振时回路电流I 0 B ）回路电流幅值与信号电压频率 C ）回路电压幅值与信号电流频率 D ）谐振时回路电流I 0 与信号电压频率 3．LC 串联谐振回路 A ，N(f )曲线就尖锐，回路选择性 C 。 A ）回路Q 值大 B ）回路Q 值小 C ）好 D ）差 E ）不能确定 4．单回路通频带BW 0.7与回路Q 值成 B ，与谐振频率成 A 。 A ）正比 B ）反比 C ）无关 5．并联谐振回路谐振时，电纳为 C ，回路总导纳为 B 。 A ）最大值 B ）最小值 C ）零 D ）不能确定 （二）判断题 1． LC 串联谐振回路的谐振频率除了与L 、C 有关外，还与回路的损耗电阻r 有 关。 （ × ） 2．LC 串联谐振回路的空载品质因数除了与L 、C 有关外，还与回路的负载电阻R L 有关。 （ × ） 3．LC 串联谐振回路谐振时，空载回路电流除了与电源电压有关外，还与负载有关。 （ × ） 4．LC 串联谐振回路谐振时，谐振电流最大，失谐越严重，谐振电流越小。（ √ ） 5．LC 串联谐振回路对偏离谐振频率的信号抑制作用，偏离越大，N(f)越小。（ √ ） （三）问答题 1． 串联谐振回路的f 0=1.5MHz ，C 0=100pF ，谐振时R=5Ω，求：L 0和Q 0以及BW 0.7？ 解： ()()061200022612 0000.7011212231415101001051111223141510100107--Q C R ..L μH C ..f BW kHz Q ωω= ==??????===????= = 2． 如图所示并联谐振回路，信号源与负载都是部分接入的。已知R s 、R L ，并已知回路参数L 1、L 2、C 1、C 2和空载品质因数Q 0，试求谐振频率f 0与有载品质因数 Q e 。
1 LC串联谐振回路发生谐振时，回路电抗为。（） A．最大值B．最小值C．0 答案：C 2 LC串联谐振回路发生谐振时，回路总阻抗为。（） A．最大值B．最小值C．0 答案：B 3LC串联谐振回路发生谐振时，回路电流达到。（）A．最大值B．最小值C．0 答案：A 4串联谐振曲线是之间的关系曲线。（） A．回路电流与谐振回路电流 B．回路电流幅值与信号电压频率 C．回路电压幅值与信号电流频率 答案：B 5LC串联谐振回路，谐振特性曲线越尖锐。（）A．回路Q值大B．回路Q值大C．0 答案：A 6LC串联谐振回路Q值大，回路选择性。（）A．差B．好C．不能确定 答案：B 7单回路通频带B与谐振回路Q值成。（）A．正比B．反比C．无关 答案：B 8单回路通频带B与谐振频率f成。（） A．正比B．反比C．无关 答案：A 9 并联谐振回路发生谐振时，回路电纳为。（） A．最大值B．最小值C．0 答案：C 10 并联谐振回路发生谐振时，回路总导纳为。（） A．最大值B．最小值C．0 答案：B 11 并联谐振回路发生谐振时，阻抗为。（） A．最大值B．最小值C．0 答案：A 12并联谐振回路发生谐振时，电压为。（） A．最大值B．最小值C．0 答案：A 13 LC串联谐振回路发生失谐时，阻抗为。（） A．大B．小C．0 答案：A 14 LC串联谐振回路发生失谐时，当f＜f0时，阻抗呈。（） A．容性B．感性C．0
15 LC串联谐振回路发生失谐时，当f＞f0时，阻抗呈。（） A．容性B．感性C．0 答案：B 16 并联谐振回路发生失谐时，当f＜f0时，阻抗呈。（） A．容性B．感性C．0 答案：B 17 并联谐振回路发生失谐时，当f＞f0时，阻抗呈。（） A．容性B．感性C．0 答案：A 18 负载回路采用部分接入方式接入电路时，接入系数n越小，二次负载等效到一次边是阻抗。（） A．越小B．0 C．越大 答案：C 19 负载回路采用部分接入方式接入电路时，接入系数n越小，对回路的影响。（） A．越小B．0 C．越大 答案：A 20 耦合回路临界耦合时，η。（） A．大于1 B．等于1 C．小于1 答案：B 21 耦合回路强耦合时，η。（） A．大于1 B．等于1 C．小于1 答案：A 22 耦合回路弱耦合时，η。（） A．大于1 B．等于1 C．小于1 答案：C 23 强耦合时，耦合回路η越大，谐振曲线在谐振频率处的凹陷，。（） A．越大B．越小C．不出现 答案：A 24LC组成一个串联谐振回路，谐振时串联阻抗。（） A．最大B．最小C．无法估计 答案：B 25LC组成一个串联谐振回路，谐振频率f0，把它用在并联电路中作为一条并联支路，它滤除信号的频率为。（） A．f0B．大于f0C．小于f0 答案：A 26 LC组成一个串联谐振回路，谐振频率f0，把它用在串联电路中，频率为的信号最易通过。（） A．f0B．大于f0C．小于f0 答案：A 27 LC组成并联谐振回路，谐振频率f0，把它用在串联电路中，就能阻止频率为的信号通过。（） A．f0B．大于f0C．小于f0 答案：A 28 LC组成并联谐振回路，谐振频率f0，把它用在并联电路中，对于的频率，并联回路对它阻抗最大（） A．f0B．大于f0C．小于f0
解: 设放大电路的选频电路由简单LC 并联回路构成. 则LC 回路谐振频率465kHz,为满足带宽要求,回路的品质因数应为 5810 8104653 3 7.0≈??==BW f Q o L 此回路谐振电阻为5.922== C f Q R o L π (k Ω) 改为1992L o Q R f C π== (k Ω) 回路未接电阻时固有谐振电阻为1592≈= C f Q R o o o π (k Ω) 改为3422o o o Q R f C π= ≈ (k Ω) 因此需并联电阻为221=-= R R RR R o o L (k Ω) 改为476o L o RR R R R ==- (k Ω) 2.4 解:为计算简化,这里1R 与电容2C 的容抗之比 π22 1 =C X R 较大,可采用部分接入法公式 )(1002 12 1pF C C C C C =+= ∑ 电感 )(253.0)2(1 2mH C f L o ≈= ∑ π 接入系数 P= 5.02 12 =+C C C 1R 在两端等效为)(202 1 Ω== k P R R T 电感固有品质因数50,对应的固有谐振电阻)(58.792Ω≈= ∑ k C f Q R o o o π 端等效电阻为 )(16Ω≈+k R R R R o T o T 有载品质因数10101623 =??=∑C f Q o L π
习题 3.1 高频功率放大器的主要作用是什么?应对它提出哪些主要要求？ 答：高频功率放大器的主要作用是放大高频信号或高频已调波信号，将直流电能转换成交流输出功率。要求具有高效率和高功率输出。 3.2 为什么丙类谐振功率放大器要采用谐振回路作负载？若回路失谐将产生什么结果？若采用纯电阻负载又将产生什么结果？ 答：因为丙类谐振功率放大器的集电极电流i c为电流脉冲，负载必须具有滤波功能，否则不能获得正弦波输出。若回路失谐集电极管耗增大，功率管有损坏的危险。若采用纯电阻负载则没有连续的正弦波输出。 3.3 高频功放的欠压、临界和过压状态是如何区分的？各有什么特点？ 答：根据集电极是否进入饱和区来区分，当集电极最大点电流在临界线右方时高频功放工作于欠压状态，在临界线上时高频功放工作临界状态，在临界线左方时高频功放工作于过压状态。 欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，较少使用，但基极调幅时要使用欠压状态。 临界状态输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也较高。 过压状态下，负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用过压状态。 3.4 分析下列各种功放的工作状态应如何选择？ (1) 利用功放进行振幅调制时，当调制的音频信号加到基极或集电极时，如何选择功放的工作状态？ (2) 利用功放放大振幅调制信号时，应如何选择功放的工作状态？ (3) 利用功放放大等幅度信号时，应如何选择功放的工作状态？ 答：(1) 当调制的音频信号加到基极时，选择欠压状态；加到集电极时，选择过压状态。 (2) 放大振幅调制信号时，选择欠压状态。、 (3) 放大等幅度信号时，选择临界状态。 3.5 两个参数完全相同的谐振功放，输出功率P o分别为1W和0.6W，为了增大输出功率，将V CC提高。结果发现前者输出功率无明显加大，后者输出功率明显增大，试分析原因。若要增大前者的输出功率，应采取什么措施？ 答：前者工作于欠压状态，故输出功率基本不随V CC变化；而后者工作于过压状态，输出功率随V CC明显变化。在欠压状态，要增大功放的输出功率，可以适当增大负载或增大输入信号。 3.6 一谐振功放，原工作于临界状态，后来发现P o明显下降，ηC反而增加，但V CC、U cm 和u BEmax均未改变（改为：V CC和u BEmax均未改变，而U cm基本不变（因为即使Ucm变化很小，工作状态也可能改变，如果Ucm不变，则Uce不变，故工作状态不应改变）），问此时功放工作于什么状态？导通角增大还是减小？并分析性能变化的原因。 答：工作于过压状态（由于Ucm基本不变，故功率减小时，只可能负载增大，此时导通角不变）；导通角不变 3.7 某谐振功率放大器，工作频率f =520MHz，输出功率P o=60W，V CC=12.5V。(1) 当ηC=60%时，试计算管耗P C和平均分量 I的值；(2) 若保持P o不变，将ηC提高到80%，试问管耗 c0
2012~2013学年第一学期 《高频电子线路》课程设计 任务书 题目高频谐振功率放大器的仿真分析 班级 姓名 学号 指导教师 电气工程系 2014年12月17日
《高频电子线路》任务书
目录 (1) 摘要 (2) 第一章原理分析 (3) 1.1高频谐振功率放大器电路工作原理 (3) 1.2谐振功率放大器的特点 (3) 1.3高频功放的主要技术指标 (3) 1.3.1 功率关系 (3) 1.3.2 谐振功率放大器临界状态的计算 (4) 1.4 功率放大器的负载特性 (4) 1.4.1集电极电流、集电极电压随负载变化的波形 (5) 1.4.2 功率及效率随负载（工作状态）变化的波形： (5) 1.5谐振功率放大器的偏置电路及耦合电路 (5) 1.5.1直流馈电电路 (5) 1.5.2 输出回路和级间耦合回路 (5) 第二章高频功放电路的设计 (7) 2.1丙类功率放大器工作状态的确定 (7) 2.2 丙类高频功率放大器电路设计 (8) 第三章电路仿真 (9) 3.1 所用软件Multisim简介 (9) 3.2 仿真测试电路 (9) 3.2.1放大特性 (9) 3.2.2负载特性 (10) 3.2.3调制特性 (11) 参考文献 (14) 答辩记录及评分表 (15)
利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要单元电路。高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，而且通信距离越远，要求输出功率越大。本次设计采用甲类功放输出的最大不失真信号作为激励源，丙类功放作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。先是对高频功率放大器有关理论知识作了一些简要的介绍，然后在性能指标分析基础上进行单元电路设计，再设计出整体电路图，而后在软件中仿真验证是否达到技术要求，对仿真结果进行分析并总结。 关键词：甲类功放;丙类功放;谐振回路;工作状态;仿真
高频电子线路 （用于学习之间交流，不得用于出版等商业用途！） 第2章习题答案 2-1 已知某一并联谐振回路的谐振频率f 0＝1MHz ，要求对990kHz 的干扰信号有足够的衰减，问该并联回路应如何设计？ 解 为了有效滤除990kHz 的干扰信号，应使它位于通频带之外。若取BW 0.7＝20kHz ，则由通频带与回路Q 值之间的关系有 5020 1000 7.00=== BW f Q 因此应设计Q ＞50的并联谐振回路。 2-2 试定性分析题图2-2所示的电路在什么情况下呈现串联谐振或并联谐振状态。 解 题图2-2（a ）中L 1C 1或L 2C 2之一呈并联谐振状态，则整个电路即为并联谐振状态。若L 1C 1与L 2C 2呈现为容抗，则整个电路可能成为串联谐振。 题图2-2（b ）只可能呈现串联谐振，不可能呈现并联谐振状态。 题图2-2（c ）只可能呈现并联谐振，不可能呈现串联谐振状态。 2-3 有一并联回路，其电感、电容支路中的电阻均为R 。当C L R = 时（L 和C 分别为
电感和电容支路的电感值和电容值），试证明回路阻抗Z 与频率无关。 解 ()()()? ? ? ?? -++???? ??-+??? ??+= ? ? ? ??-++??? ??-+ =C L j R R C R LR j C L R R C j R L j R C j R L j R Z ab ωωωωωωωω111211122 12121 要想使Z ab 在任何频率下，都呈现纯阻性，就必须使分子与分母的相角相等，亦即必须有 2 121121 R R C L C L R R C R LR +-== - ωωωω 上式化简得 C R C L LR C L 2122222 -=??? ? ??-ω 要使上式在任何频率下都成立，必有 02 22=-LR C L 或 C L R =2 02 12 =-C R C L 或 C L R =1 因此最后得 C L R R = =21 2-4 有一并联回路在某频段内工作，频段最低频率为535kHz ，最高频率为1605kHz 。现有两个可变电容器，一个电容器的最小电容量为12pF ，最大电容量为100pF ；另一个电容量的最小电容量为15pF ，最大电容量为450pF 。试问： （1）应采用哪一个可变电容器，为什么？ （2）回路电感应等于多少？ （3）绘出实际的并联回路图。 解 （1） 3535 1605min max min max ==''=C C f f 因而 9m in m ax =''C C
光学谐振腔 光学谐振腔是激光器的基本组成单元，又可以在激光系统中单独作为光波长选择器。 光学谐振腔的振荡模式为腔内光波的频率，相位，振幅等参数呈稳定分布的振荡状态。光场的一种稳定分布状态就是一种振荡模式。 当两个平面镜平行放置如图1.16(a)所示，它们中间为自由空间，光波在两镜1M 和2M 之间反射导致腔内波的相长干涉和相消干涉。从1M 反射向右边传输的波和从2M 反射向左边传输的波发生干涉。结果是在腔内形成一系列驻波，如图1.16(b)所示(就像一震动吉他弦在两固定点间的驻波)。假设镜面是用金属涂覆，镜面处的电场必须为0。要满足上述条件，则谐振腔的腔长L 必然等于半波长2 /λ 的整数倍，即 L m =?? ? ??2λ ,3,2,1=m （1） 对于一个给定的m 值，满足方程的特定波长记为m λ，定义为谐振腔的模式。如图1.16(b)所示。由于光频率为ν、波长为λ，其关系是λ ν/c =，这 些模式的相应频率m ν就是腔的谐振频率。 ()L c v mv L c m f f m 2/;2==?? ? ??=ν （2） f ν 是对应 1 =m (基模)的最低频率，也是两相邻模式的频率间隔，f m m m v v v v =-=?+1。被定义为自由光谱范围（FSR ）。谐振腔的频谱为梳状谱。如 果腔内没有损耗，例如镜面对光全反射，在由方程(2)定义的m v 处的峰是尖锐的线。如果镜不能对光全反射，会有一些光从腔内辐射出去，因此这些模式的峰不是尖锐的，有一定的宽度。很明具有两个镜子的光学腔，只在特定频率用于储存辐射能量，称作F-P 光学谐振腔，又称之F-P 为标准具。 M 1 M 2 υ m m + 1 m - 1 (a ) (b) (c ) 1 Schematic illustration of the Fabry-Perot optical cavity and its properties. (a) Reflected waves interfere. (b) Only standing EM waves, modes, of certain waveleng ths are allowed in the cavity. (c) Intensity vs. frequency for various modes. R is mirror reflectance and lower R means hig her loss from the cavity. ?1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)