射频电路中匹配与增益的关系

匹配和增益是射频电路中重要的设计考虑因素。首先我们要理解它们的定义。

匹配与增益的概念和两者之间的关系

匹配（Matching）：

在射频电路中，匹配是确保信号的最大功率传输的关键。匹配电路被用来将信号源、负载和中间电路的阻抗与电路中的传输线或元件的特性阻抗匹配。匹配电路通常包括匹配网络、传输线和调谐电路等。通过匹配，可以最大限度地减小信号的反射损耗，提高电路的性能和效率。

增益（Gain）：

在射频电路中，增益是指电路将输入信号放大的能力。增益在射频系统中非常重要，因为它决定了信号的强度和范围。射频电路中常见的增益元件包括功放（Power Amplifier）和低噪声放大器（Low Noise Amplifier）。设计师需要平衡增益和其他性能指标，如噪声系数、线性度和带宽，以满足系统需求。

匹配对增益的影响：

良好的匹配可以最大化射频电路的功率传输效率，减少信号的反射损耗，从而有助于增加电路的增益。当输入信号源与电路的阻抗匹配良好时，信号可以最大程度地传输到负载或下一个级联电路中，减少了信号损失，因此可以获得更高的增益。

理论与分析

电路模型

本文以射频放大器模块为原型进行分析

射频放大器模型示意图

共轭匹配概念

射频能量信号从信号源传到负载，其输出特性可以用”水管理论“解释。

共轭匹配：实部电阻相等，虚部电抗抵消。

匹配网络设计

我们在电路模型上标上相关的反射系数、阻抗。其下标s表示源端，L表示负载端，IN表示放大器的输入端以及OUT表示放大器的输出端。

当特性阻抗为50时，瞬态反射系数（考虑器件为单向器件）与电阻的关系为：

阻抗和匹配

举例

最大功率增益匹配条件（用于高增益放大器）

匹配源端反射系数等于放大器输入端反射系数的共轭

输出端反射系数的共轭等于放大器输出端的反射系数

最佳噪声匹配条件（使用于低噪放）

因为是低噪放，所以放大器的输入端反射系数要等于噪声系数最佳时候的反射系数，所以其关系如下：

最大输出功率匹配条件（末级功率放大器）

因为需要最大输出功率，所以我们输出匹配网络的反射系数需要在输出功率最大时的。OPT:最大Pout,而非最大的增益，这与功率晶体管的非线性相关（P1dB）。关系如下：