电容抽头在高频电路中的应用与等效计算

2018-04-19吴元亮

西昌学院学报（自然科学版） 2018年1期

吴元亮，徐勇，闵锐

（陆军工程大学通信工程学院，南京 210007）

1 部分接入的工程背景与教学意义

滤波器和阻抗匹配是高频电路设计的两类重要电路。信号在传输过程受到噪声和干扰，滤波器从众多无用信号和噪声、非线性失真等干扰中选出有用信号，同时抑制和滤除无用信号和噪声干扰。阻抗匹配则实现从信号源到负载的最大可能功率转移，尤其是在高灵敏度接收机的前端[1]。这两类电路通常由电感和电容组成，往往以部分接入方式应用在天线、调制器、高放、混频器等电路的输出端。部分接入一是减小源和负载对LC谐振回路的影响，提高高频电路选频能力、解决谐振频率漂移和不稳定问题，二是实现阻抗匹配，方便信号传送到下一级。

2 源和负载对LC谐振回路的实际影响

图1 源和负载对LC谐振回路的影响

直接插入信源、负载时，谐振频率f0、有载品质因数QL计算为：

f0的计算式表明源电容CS和负载电容CL将导致f0减小，若维持f0不变，需要减小电感L，这必然降低QL，进而降低回路的选频能力。QL的计算式表明源内阻Rs和负载电阻RL的引入将减小LC回路总电阻RΣ和有载品质因数QL，增大带宽B，这使得LC回路很难适用于小阻值源和负载时。部分接入是有效解决这个问题的方法之一。

3 部分接入的阻抗变换与准确计算

部分接入主要有图2所示3种方式：变压器、电感抽头和电容抽头。对于每一种形式，折算均可使用公式，公式可推广应用于，n为接入系数，互感，电感抽头，电容抽头。部分接入将大大提高电路的品质因数，是一种行之有效的改进方式。

图2 常用的3种部分接入方式

但是高频电路教学对于折算公式的准确运用鲜有提及。图3为一道带有负载电容的电容抽头接入电路[2]，学生在计算上存在一定争议。

图3 电容抽头接入电路

学生采取两种计算思路。思路一：负载电阻RL与负载电容CL标为负载阻抗ZL；思路二：负载电容CL与回路电容CL直接合并。计算的结果如表1所示。

表1 两种计算思路的结果比较

处理负载电容，计算思路一依据电路基本理论，思路二则是高频电路等效计算的常用方法。针对例题，表1中两种计算结果相近，但是有差别，而且差别随着负载电容CL的增大而增大，当CL的值接近甚至大于抽头电容C2时，差别很大。

通过图4所示电容抽头接入方式的阻抗等效过程解释和解决计算争议问题。

图4 电容抽头接入方式的阻抗等效计算

根据电路串并联转换的阻抗变换原则，有如下计算。

ZL、C2并联向串联转换

负载电容CL越大，负载阻抗ZL越小，QC2越小；抽头电容C2越小，QC2越小。QC'情况与QC2相似。而QC2、QC'越小，根据等效计算公式计算的结果就越不准确。因而，为等效计算准确性高，抽头电容应该比负载电容取值大一些，表1结果也表明了这一结论。

4 电容抽头部分接入Multisim电路仿真

图5为纯电阻负载时，LC谐振回路直接接入与部分接入的电路性能对比。仿真结果表明：部分接入方式能够有效提高电路的品质因数，选频曲线更陡峭，带宽变窄[3-4]。

图6为负载有电容时，不同负载电容值对电路性能指标的影响。仿真结果表明：抽头电容为20 pF，负载电容为1 pF时，电路谐振频率、品质因数等各项指标受负载电容的影响很小，谐振频率与LC谐振回路空载时谐振频率相近，品质因数与纯电阻负载越相近；负载电容越大，各项指标受负载电容的影响越明显。从而证明利用高频电路中的折算公式计算谐振频率、谐振电阻、品质因数、带宽等指标时必须充分考虑负载电容与抽头电容在取值方面的关系，以免计算结果误差较大。