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什么是射频电路的Q?

2023-08-14 射频学堂 阅读:
Q就是Quality的首字母,它表征了这个元器件的好坏。Q0就是品质因数Quality factor~

《无问西东》这部电影,相信很多人都看过,但是印象最深的就是在西南联大的一节课的镜头,老师在重点强调着电路的一个特性——Q的值(Q Di Zhi)。这个小木匠认为最重要的一个电路参数,被老教授强调了好几次,也引出了我们今天要分享的话题。wGHednc

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Q0是很多射频器件的一个关键特性,比如电感L,电容C,谐振电路LC等。这个常常看到的东西,很多时候因为太熟悉了而忽略或者遗忘了它的本质意义。这个Q就是Quality的首字母,它表征了这个元器件的好坏。Q0就是品质因数Quality factor。wGHednc

最早是由美国西屋电气公司的工程师K S Johnson提出的。当时他正在评估不同线圈的性能和质量。在他的调查过程中,他发展了 Q 的概念。有趣的是,他最初选择字母 Q 是因为采用了字母表中的所有其他字母都已经被占用了,现在看来,字母 Q 是为了质量因素再好不过了。就是这么巧合。wGHednc

品质因数是一个适用于很多物理或者工程上的概念,有时候,也叫做Q因子。这个Q因子是一个无量纲的参量,其表示谐振元件内的能量损失,谐振元件可以是机械摆机械结构中的元件或电子电路(例如谐振电路)中的任何元件wGHednc

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Q 表示相对于系统内存储的能量量的能量损失因此,Q 越高,能量损失率越低,因此振荡减少得更慢。wGHednc

根据上面的介绍,我们给出品质因数Q0在电子电路中的定义:存储在谐振器中的能量与单位周期被损耗的能量的比值:wGHednc

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同样,当依据带宽来进行定义时,Q因子就是其工作频率F0和3dB带宽的比值:wGHednc

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工程中通常用上面这个频率公式来计算谐振电路的Q0. 通过两个端口测试出谐振器的S21曲线,然后找到其F0和F3dB,通过上面公式就可以得到谐振器的Q0.wGHednc

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在处理 RF 调谐电路时,Q 因子很重要的原因有很多。通常,高水平的 Q 是有益的,但在某些应用中,可能需要定义的 Q 水平。wGHednc

RF 调谐电路中与 Q 相关的一些注意事项总结如下:wGHednc

带宽:   随着Q因数或品质因数的增加,调谐电路滤波器的带宽减少。随着损耗降低,调谐电路变得更加尖锐,因为能量更好地存储在电路中。wGHednc
可以看出,随着 Q 的增加,3 dB 带宽减小,调谐电路的整体响应增加。在许多情况下,需要高 Q 因子以确保实现所需的选择性。
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宽带宽:   在许多 RF 应用中,需要宽带宽操作。某些形式的调制需要较宽的带宽,而其他应用则需要固定滤波器来提供宽带覆盖。虽然可能需要对不需要的信号进行高抑制,但对宽带宽存在竞争性要求。因此,在许多应用中,需要确定所需的 Q 水平,以提供满足宽带宽和充分抑制不需要的信号的要求所需的整体性能。wGHednc

振荡器相位噪声:   任何振荡器都会产生所谓的相位噪声。这包括信号相位的随机偏移。这表现为从主载波传播的噪声。正如所料,这种噪音是不想要的,因此需要最小化。振荡器设计可以通过多种方式进行调整,以减少这种情况,主要是通过增加 Q,振荡器调谐电路的品质因数。wGHednc

一般杂散信号:   调谐电路和滤波器通常用于去除杂散信号。滤波器越尖锐,Q 电平越高,电路去除杂散信号的能力就越好。wGHednc

振铃:   随着谐振电路的 Q 值增加,损耗会减少。这意味着在电路内建立的任何振荡都需要更长的时间才能消失。换句话说,电路将趋向于“振铃”更多。这实际上非常适合在振荡器电路中使用,因为它更容易建立和维持振荡,因为调谐电路中的能量损失较少。wGHednc

在许多射频谐振系统中,需要高的 Q 因子。对于滤波器,需要有足够的选择性,但不能太多,对于振荡器,高水平的 Q 会提高稳定性并降低相位噪声。在许多系统中,Q 因子不应太高,因为它可能导致滤波器带宽太窄,并且振荡器无法在所需的范围内进行跟踪。然而,Q 因子水平需要倾向于高而不是低。wGHednc

参考文献:wGHednc

1,https://www.electronics-notes.com/articles/basic_concepts/q-quality-factor/basics-tutorial-formula.phpwGHednc

2,https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-6/q-and-bandwidth-resonant-circuit/wGHednc

责编:Ricardo
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