通信电子线路——调幅发射系统整机设计

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摘要

调幅发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定宽度、适合通过天线发射的电磁波。振幅调制就是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地讲，是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系，其他参数（频率和相位）不变。本设计的发射机包括高频部分、低频部分、电源部分三个模块。低频信号采用音频放大器对调制信号进行放大，以便对高频末级功率放大器进行调制；高频部分主要包括主振荡器、缓冲放大、末级功放三部分，主振器采用采用频率稳定度高的差分对管振荡器，并在它后面加上缓冲级，以消弱后级对主振器的影响，经过音频放大后的信号在高频部分的末级功放实现对载波信号的调幅。 关键词 调幅；差分对管振荡器；发射机

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目录

一、 前言 .................................................................................................... 1 二、 设计指标 .............................................................................................. 2 三、 系统综述 .............................................................................................. 3 四、 单元电路及仿真 .................................................................................... 5 4.1. 差分振荡电路 ...................................................................................... 5 4.2. 倍频电路 ............................................................................................. 6 4.3. 缓冲电路 ............................................................................................. 7 4.4. 调制电路 ............................................................................................. 8 4.5. 高频功率放大 .................................................................................... 13

4.5.1. 集电极电源VCC提供的直流功率 ................................................. 14 4.5.2. 集电极输出基波功率 ................................................................. 14 4.5.3. 集电极效率ηc ......................................................................... 15 4.5.4. 偏置电路 ................................................................................. 17 4.6. 匹配网络 ........................................................................................... 19 五、 整机电路设计图 .................................................................................. 21 六、 设计总结 ............................................................................................ 22 七、 参考文献 ............................................................................................ 24

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一、前言

通信系统中的发送设备是将信息发送者送来的非电量原始信息（信源）如语音、文字和图像等转变成电信号，再把信号处理成适合于信道传输的信号形式送至信道。信源信号在通信系统中称为基带信号。基带信号是频谱在零频附近的宽带信号，这种信号一般具有从零频开始的较宽的频谱，而且在频谱的低端分布较大的能量，所以称为基带信号，这种信号不宜直接在信道中传输。如果将消息信号对频率较高的载波进行调制，就能使信号的频谱搬移到适合信道的频率范围内进行传输。例如声音基带信号的频率范围是20HZ～20kHZ，这样的基带信号是不能在无线信道上传输的。即使在某些可以传输直流的有限信道上，为了提高信道的通信容量，基带信号的传输方式也很少采用。

在通信系统中，调制有三个主要作用：1调制的过程就是一个频谱搬移的过程，将原来不适宜传输的基带信号频谱搬移到适宜传输的某一个频段上，然后传输至信道；2调制的另一个重要作用是实现信道复用，即把多个信号分别安排在不同的频段上同时进行传输，以提高信道容量；3调制可以提高通信系统抗干扰的能力，例如将信号频率搬移，从而离开某一特定干扰频率。

对不同的信道，根据经济技术等因素，可以采用不同的调制方式。以模拟信号为调制信号，对连续的正（余）弦载波进行调制，亦即载波的参数随着调制信号的作用而变化，这种调制方式称为模拟调制。

而所谓振幅调制就是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地讲，是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系，其他参数（频率和相位）不变。这是使高频振荡的振幅载有消息的调制方式。

通信系统中的发送设备若采用调幅方式则称为调幅发射机，一般调幅发射机的组成框图如图所示，工作原理是：本机振荡产生一个固定频率的载波信号，载波信号经缓冲倍频送至振幅调制电路；话音放大电路将低频信号（例如语音信号）放大至足够的电压送到振幅调制电路；振幅调制电路的输出信号经高频功率放大器，高放级将载频信号的功率放大到所需的发射功率，然后经天线输出。

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二、设计指标

2.1 差分振荡器设计指标

本课程设计所设计的差分振荡器的输出载波频率为3.6MHz,频率较稳定，波形较好；另外调出的频率较低的载波为4KHz，频率稳定，波形接近正弦波。

2.2 倍频电路设计指标

本课程设计所设计的倍频电路可对载波频率放大5倍左右，使载波频率提高。

2.3 振幅调制电路设计指标

本课程设计所设计的振幅调制电路为二极管单双平衡调制电路，可利用调制信号对载波进行DSB或SSB 调制。

2.4 混频电路设计指标

本课程设计所设计的混频电路可将调幅波的频谱搬移到更高的频段，使之更适合在信道中传播。本设计电路中将10.5MHz的信号与11MHz的本振信号进行上混频，从而生成21.5MHz的调制信号。

2.5 丙类功率放大电路

本课程设计所设计的丙类功率放大电路可将1mV的信号放大至1V,放大倍数接近1000倍。

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三、系统综述

下图为基本的调幅发射系统框图。主要由振荡器，缓冲器，高频小信号放大器，调制器，高频功率放大器，低频电压放大器等电路组成。在组成电路中，除了主振器，调制器，调制信号是基本的组成单元，不能缺少外，其他单元电路的选择，主要根据设计指标来确定

图表 1调幅发射系统框图

缓冲级将主振器与其后一级隔离，以减小后级对振荡器频率稳定度及振荡波形的影响。所以，是否选择该单元电路，主要根据电路对稳定性的要求高低。一般情况下，需要选择该电路。

高频放大器的任务是将振荡电压放大后送到振幅调制，为驱动调制级 提供足够的增益。是否选择该单元电路主要根据所选择的振幅调制电路决定 。即：如果选择低电平调幅电路，由于这种调幅器为小信号输入，振荡器输出电压一般能够满足要求，就不需要放大电路；而如果采用高电平调幅电路，由于它要求大信号输入，振荡器输出电压不能满足时，就要使用一至二级高频放大器。

功率放大器是调幅发射系统的末级，它的任务是提供发射系统所需要的输出功率。是否选择该电路，主要根据系统对发射功率的要求。如果由调幅电路输出的功率能满足性能要求的话，就可以不加其后的功率放大电路，否则，就不能省略。

各个部分的主要作用：

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本机振荡：产生频率为4MHZ的载波频率

缓冲级：将震荡级与调制级隔离，减小调制级对振荡级的影响；将功率放大级与调制级隔离，减少功率放大级对调制级的影响。

低频放大级：将低频信号放大到调制器所需的电压（1v）。 调制级：将低频信号调制到载波上产生调幅信号。 匹配网络：高效率输出所需功率。

本课题的设计，调试和仿真，加深对课本理论知识的进一步理解，进一步巩固理论知识，能够建立起无线发射机的整机概念，学会分析电路，设计电路的步骤与方法，了解发射机各单元电路：主振级，被调级，推动级，功率放大级，输出匹配网络等。进一步掌握所学单元电路以及在其他单元电路的在此基础上，培养自己分析，应用其他单元电路的能力。同时经过课程设计，学会查资料，充分利用互联网等一切可的学习资源，增强同学们分析问题解决问题的能力，为将来打下一定的基础。

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四、单元电路及仿真

4.1. 差分振荡电路

差分振荡中,三极管Q1和Q2为差分对管,其中Q2管的集电极外接LC谐振回路,调谐在振荡频率上,谐振回路上的输出电压直接加在Q1管上的基极上,形成正反馈.同时,Q2管的集电极又通过LC谐振回路接到Q2管的基极上,这样电压同时成为两管的基极偏置电压,保证了两管基极直流同电位,同时也使Q2管的集电极和基极相同电位,Q2管工作在临界饱和状态.因此,LC回路两端的振荡电压振幅就不能太大。

差分对振荡电路仿真电路图及波形图如下：

图表 2差分振荡电路图

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图表 3差分振荡电路波形图

4.2. 倍频电路

倍频器（frequency multiplier）使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的电路。输入频率为f1，则输出频率为f0＝nf1， 系数n为任意正整数，称倍频次数。倍频器用途广泛，如发射机采用倍频器后可使主振器振荡在较低频率，以提高频率稳定度；调频设备用倍频器来增大频率偏移；在相位键控通信机中，倍频器是载波恢复电路的一个重要组成单元。 三极管倍频电路仿真及波形图

图表 4 三极管倍频电路

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图表5 三倍频电路波形图

4.3. 缓冲电路

缓冲隔离级将振荡级与功放级隔离,以减小功放级对振荡级的影响,因为功放级输出信号较大,工作状态的变化会影响振荡器的频率稳定度或波形失真或输出电压减小。为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级经常采用射极跟随器电路，如图所示。

图表 5缓冲电路

调节射极电阻RE2，可以改变射极跟随器输入阻抗，如果忽略晶体管基极体电阻rb'b的影响，则射极输出器的输入电阻

Ri?RB//?RL

'' 7

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输出电阻

R0??RE1?RE2?//r0

式中，r0很小，所以可将射极输出器的输出电路等效为一个恒压源，电压放大倍数

AV?gmRi

1?gmRi一般情况下，gmRi??1，所以图示射极输出器具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压放大倍数近似于1的特点。晶体管的静态工作点应位于交流负载的中点，

1一般取VCEQ?VCC，ICQ??3~10?mA，对于图示电路，若取VCEQ?6V，

2ICEQ?4mA，则

RE1?RE2?VEQICQ?1.5?

取REQ?1k?电阻，RE2?1k?电位器

RB2?VBQ10IBQ???VCC?VCEQ?VBE?10ICQ?10k?

RB1?VCC?VBQVRB2?7.9k?

根据宽带功率放大器中已计算出功率激励级的输出阻抗为325?，即射极跟随器的负载电阻RL?325?，则射极跟随器的输入电阻为

Ri?RB//?RL?3.6k?

输入电压

''Vi?PiRi?2.1V

4.4. 调制电路

4.4.1 单二极管电路

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当二极管两端的电压UD大于二极管的导通电压时，二极管导通，流过二极管的电流与加在两端的电压成正比；当二极管两端的电压UD小于二极管的导通电压时，二极管截止，电流为0；二极管等效为一个受控开关。控制电压为二极管两端电压UD。

图表 6单二极管电路

当Ucm>>UΩm且Ucm为大信号（>0.5V）时，可进一步认为二极管的通断主要由Uc控制。一般情况下二极管的开启电压UP较小，有Ucm>>UP，可令UP近似为0或在电路中加一固定偏置电压来抵消UP。其相应的频谱图如下：

图表 7二极管电路频谱图

将它通过以ωc为中心、通频带2Ω为的带通滤波器后，可得到调幅波。 二极管单平衡调幅电路仿真图及波形图如下：

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图表 8单二极管平衡条幅电路

图表 9单二极管平衡调制电路仿真波形

4.4.2 双二极管平衡调制器

在单二极管电路中，由于工作在线性时变工作状态，因而二极管产生的频率分量大大减少了，但在产生的频率分量中，仍然有不少不必要的频率分量，因此有必要进一步减少一些频率分量。二极管平衡电路可以满足这一要求。其原理电路如下图。

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图表 10二极管平衡电路

该电路由两个性能一致的二极管及中心抽头变压器Tr1、Tr2接成平衡电路。电路上下两部分完全一样。控制信号（载波信号）加在两个变压器的中心抽头处，输入信号（调制信号）接在输入变压器，即载波信号同相加到D1、D2上；调制信号u2反相加到D1、D2上输出变压器接滤波器，用以滤除无用的频率分量。从Tr2次向右看的负载电阻为RL。

与单二极管电路相比，i含有频谱：Ω、ω1±Ω、3ω1±Ω、……，经中心角频率为ωc的3dB带宽为2Ω 的LC带通滤波器后，可在负载RL得到频谱ωc±Ω 电压分量，可见是实现了DSB调制。这是不难理解的，由于控制电压uC同相地加在两个二极管的两端。当电路完全对称时，两个相等的ωC分量互相抵消，因此在输出中不再有ωC及其谐波分量。即在输出中，不必要的频率分量进一步减少了。

4.4.3.二极管双平衡调制器——二极管环形调制器

在二极管平衡调制电路中，通过两个单二极管电路的上下对称平衡接法，大大减少了不必要的频率分量，同时使有用频率分量的幅度增加了一倍。但依然有不必要的频率分量如调制信号的频率分量存在，且所得到的有用频率分量的幅度依然不是很大。那么，是否可以通过再平衡的方法进一步减少不必要的频率分量且让有用分量的幅度再增加一倍呢？

二极管双平衡电路可以满足这一要求。其原理电路如下图。

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图表 11双二极管平衡电路

该电路由两个双二极管平衡电路组成，由于四个二极管环接形成环路，所以该电路又称二极管环形调制器。载波从变压器T1接入，调制信号接到两个变压器的中心抽头间，变压器T2输出已调信号。 其分析条件与单二极管电路和二极

管平衡电路相同。该电路的频谱图如下：

图表 12双二极管电路平铺图

从频谱图中可以看出，环形电路在平衡电路的基础上，又消除了低频调制信号的频率分量，且输出的DSB信号幅度为平衡电路的二倍。其无调制信号分量是两次平衡抵消的结果，每个平衡电路自身抵消载波及谐波分量，两个平衡电路抵消调制信号分量，所以环形电路的性能更接近理想相乘器。 二极管双平衡调幅仿真电路图及其波形图如下：

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图表 13双二极管平衡调制器

图表 14双二极管平衡调制器仿真波形

4.5. 高频功率放大

高频功率放大电路由宽带功放和丙类功放两级组成。丙类谐振功率放大器是利用选频网络作为负载回路的功率放大器，如图所示。

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图表 15

下面所介绍的是丙类功率放大器的工作原理及基本特性。功率放大器是依靠激励信号对放大管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率的条件下，转换效率越高，输出的交流功率越大。

4.5.1.集电极电源VCC提供的直流功率

P??VCCICC

式中Ic0为余弦脉冲的直流分量。

IC0?IcM?0??C?

式中IcM为余弦脉冲的最大值；?0??C?为余弦脉冲的直流分解系数。

θC?arccosUbz?Vbb Ubm式中Ubz为晶体管的导通电压；Vbb为晶体管的基极偏置；Ubm为功率放大器的激励电压振幅。

4.5.2.集电极输出基波功率

11U2cm2P0= UcmIc1m = Ic1mRP =

22RP 14

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式中：Ucm为集电极输出电压振幅；Ic1m为余弦电流脉冲的基波分量；RP为谐振电阻。

Ic1m?IcM?1??c? Ucm?Ic1mRP

4.5.3.集电极效率ηc

?c=

式中：ξ=

α1(θc)P0Ucm Ic1m1==ξ P?2Vcc Ic02α0(θc)Ucm 为集电极电压利用系数；?1??c?为余弦脉冲的基波分解系数。 Vcc 功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高的输出功率和高效率，通常取?c=60??80?。

丙类谐振功率放大器的负载特性

若Ubb、Ucc和Ubm三个参数固定, RΣ发生变化, 动态线、Ucm以及Po、η等性能指标的变化就是谐振功放的负载特性。

由下图可知, Ubb和Ucc固定意味着Q点固定, Ubm固定进一步意味着θ也

1固定。根据公式, 放大区动态线斜率将仅随RΣ而变化。图中给出了三种不

Rd同斜率情况下的动态线。

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图表 16三种动态图

动态线A1B1的斜率最大， 即对应的负载R?最小, 相应的输出电压振幅Ucm1也最小, 晶体管工作在放大区和截止区。

动态线A2B2的斜率较小，与特性曲线相交于饱和区和放大区的交点处(此点称为临界点), 相应的输出电压振幅Ucm2增大, 晶体管工作在临界点、放大区和截止区。动态线A3B3的斜率最小, 即对应的负载RΣ最大, 相应的输出电压

振幅Ucm3比Ucm2略为增大, 晶体管工作在饱和区、 放大区和截止区。 根据输出电压振幅大小的不同, 这三种工作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态, 而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。 注意, 在过压状态时, ic波形的顶部发生凹陷, 这是由于进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。

下图给出了负载特性曲线。

图表 17负载特性曲线

由图可以看到, 随着RΣ的逐渐增大, 动态线的斜率逐渐减小, 由欠压状态进入临界状态, 再进入过压状态。在临界状态时, 输出功率Po最大, 集电极效率η接近最大, 所以是最佳工作状态。

负载特性所反映的电压、功率和效率的变化关系，可以帮我们认识功率放大器的不同特点，并且根据不同工作状态的特点，使放大器得到合理的利用，满足高频设备提出的要求。

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4.5.4.偏置电路

如图是三种常用的电路，图一是利用基级电流在基区扩展电阻Rbb上的降压作为偏置电压。他的缺点是偏压小，而且随晶体管rbb而变，不能保持稳定的偏压。优点是电路简单，在大功率丙类功放中得到广泛的应用。图2是利用基级电流的直流分量在Rb上的降压得到偏置电压，Cb是高频旁路电容。他的优点是偏置电压随输入信号电压的大小起自动调节的作用。图3是利用发射极电流的支流分量在Re上建立偏压，Ce是高频旁路电容。避免Re上产生交流反馈，其RC时间常数应满足ReCe??3~5??0。它可以自动维持放大器的稳定工作，当激励信号加大时,Ieo加大，负偏压加大，使得Ieo相对增加量减少。这实质上就是支流负反馈的作用，可以使放大器工作状态变化不大。缺点是由于Re上建立了一定大小的直流偏压，减小了电源电压的利用率，因

此Re不宜取得过大，以免影响放大器的输出功率。而且在高频工作时，发射极很难完全接地，故在频率很高的丙类功放中使用较少。

'

图表 18

丙放工作状态计算

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图表 19

其中丙类功率放大电路仿真图为：

图表 20丙类功率放大器电路仿真

该仿真图输出波形图为：

图表 21丙类功率放大器电路仿真波形

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4.6. 匹配网络

LC选频匹配网络有倒L型、T型、π型等几种不同组成形式，其中倒L型是基本形式。现以倒L型为例，说明其选频匹配原理。倒L型网络是由两个异性电抗元件X1、X2组成，常用的两种电路如图所示，其中R2是负载电阻，R1是二端网络在工作频率处的等效输入电阻。

图表 22

对于图(a)所示电路，将其中X2与R2的串联形式等效变换为XP与RP的并联形式，如图(c)所示。在X1与XP并联谐振时，有

X1+XP=0，R1=XP

根据 R1=(1+Qe)R2 所以 Qe=

2R1?1 R2由下式可以求得选频匹配网络电抗值

X2=QeR2=R2(R1?R2)

X1=XP=

R1R2?R1 QeR1?R2由上述计算可知，采用这种电路可以在谐振频率处增大负载电阻的等效值。

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对于图(b)所示电路，将其中X1与R2的并联形式等效变换为XS与RS的串联形式，如图(d)所示。在X1与XS串联谐振时，可求得以下关系式：

R1=RS=

1R2 2(1?Qe)Q?R2?1 R1X2?R2R1?R2 QeR2?R1 20

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五、整机电路设计图

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六、设计总结

高频电子线路是上学期我们学习的课程中最难的，通过这周的课程设计我更深有体会！原因有很多吧，也许是上个学期的高频没有学好，然后又没有很用心的去思考解决问题，只是一味的做题应付考试而已。一直觉得动手能力不好因此这个课程设计也就变得很棘手了。不过再棘手还是得试试的。毕竟这是一项任务，无论结果怎样都应该尽全力去做。这才是我们现代大学生应该具备的思想。

任务下达后，我就忙着去查找搜集相关资料。图书馆，上网采集了一些有用的资料。可能因为心里没底吧，在课程设计的每一天里都会很担心，怕完成不了任务。有时候查阅资料都会有一些心不在焉，效率很低。而且收集的资料很凌乱使人没有头绪，心情糟透了。后来一次仔细的核对缺残不完整的程序进行了逐段分析后，才突然间点恍然大悟，感觉自己在这方面又认识了很多，感觉又更进了一步。

这次课程设计我们完成了任务，我想对于我还是其他的同学都会有很多体验和收获。对于我而言，我又重新捡起了上个学期的高频电子线路这本书和实验书。以前对书上的知识的记忆，有些纯粹是为了应付期末考试没有深入太多。而现在经过了这次课程设计之后，让我明白了一些东西，感觉在高频这一块儿充实了很多。我想这对于我们以后肯定是有帮助的，尤其是我们现在正在学习的学科，这一定会帮助很大。

我觉得很多同学在这一方面和我一样都很薄弱。老师也有讲过高频是一门很难的学科，关系我们电信专业学科的基础。也会有一些同学在这方面很有天赋。有的时候会很羡慕他们作设计犹如如鱼得水般的顺利。后悔曾经没有好好去学，本来注定自己的节奏就要比别人慢半拍，但总是后知后觉不提早加快脚步，以至现在的差距越来越大。

我并没有像其他同学一样感觉到课程设计会带来多少快乐，我只是感觉每一天都生活在紧张中，不过我并没有讨厌它。遇到问题我们经常会一起讨论，组员会经常一起来研究商讨，我也会经常到他那去研究求索。而且重要的是我得到了很多。

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实习结束了，并不代表着我们掌握了。我想如果想在设计电路这一块有所作为，单单这些是远远不够的，我们这个课题只是纯软件上的东西，有的组还用到了硬件，所以要看好多书、程序，完善自己的知识积累和思维方式。

在老师的帮助和指导下我们完成了点频调幅发射机，还要值得说的一点是，在老师的严格要求下，通过这次课程设计也让我更好的掌握了protel软件，在此，非常感谢我们的老师，我相信只要自己能认真学好本专业的每门课程，我们毕业后一定能创造一片属于自己的天地。未来是美好的，只要我肯努力，肯下工夫，将来一定会有所作为。脚踏实地认真学好每一门专业课程，它们不分孰轻孰重，只有这样你才能为你以后的发展打下一个坚实的基础，这就是我从这次课程设计中得到的道理。

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七、参考文献

1. 《高频电子线路实验与课程设计》杨翠娥主编，哈尔滨工程大学出版社。 2. 《高频电路设计与制作》何中庸译，科学出版社。

3. 《模拟电子线路》Ⅱ 主编：谢沅清 出版社：成都电子科大。 4. 《高频电子线路》第三版 主编：张肃文 出版社：高教出版社。。 5. 《高频电子线路辅导》 主编：曾兴雯 陈健 刘乃安 出版社：西安电子科

大。

6. 《通信电子线路》 主编：高如云 张企民 出版社：西安电子科技大学。 7. 《高频电子线路》（第2版），高吉祥主编，高等教育出版社。

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七、参考文献

1. 《高频电子线路实验与课程设计》杨翠娥主编，哈尔滨工程大学出版社。 2. 《高频电路设计与制作》何中庸译，科学出版社。

3. 《模拟电子线路》Ⅱ 主编：谢沅清 出版社：成都电子科大。 4. 《高频电子线路》第三版 主编：张肃文 出版社：高教出版社。。 5. 《高频电子线路辅导》 主编：曾兴雯 陈健 刘乃安 出版社：西安电子科

大。

6. 《通信电子线路》 主编：高如云 张企民 出版社：西安电子科技大学。 7. 《高频电子线路》（第2版），高吉祥主编，高等教育出版社。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/61f3.html