背景

RF和微波设计主要在频域中进行,可能是因为原始源是连续波(CW)设备,并且不同的信号由它们的频率来分开。RF和微波元件的时域分析变得越来越重要,特别是对于采用极其复杂调制方式的通信系统,但大多数工作仍在频域进行。我们描述的设计技术将集中在频域上。

单片微波集成电路(MMIC)设计中的阻抗匹配

设计电路涉及信号的有效传输;例如,在放大器的情况下,它涉及将信号送入有源器件以放大信号,然后将较高电平的信号传送到其他电路中,例如传输线或天线中。在电动机的早期,人们发现,为了最有效地将电能从电池(电源)传递到电动机(负载),要求电路的不同部分的电阻相同,换句话说,要进行阻抗匹配;这被称为最大功率传输定理。传输线可以制成50ΏW,但有源器件通常不是50ΏW,因此匹配有源器件的阻抗是首要的设计任务。

有源器件的阻抗很少是纯电阻性的,因此最大功率传输必须考虑源和负载阻抗的电抗部分。实际上,为了获得最大功率传输,负载阻抗必须是源阻抗的复共轭。共轭意味着相等的值和相反的符号,所以如果源具有阻抗Zs==R+jX,那么负载必须具有阻抗应该为:Zl==R-jX才能实现阻抗匹配。实际上,这意味着净相位差减小到0,并且源看到的实际阻抗是纯实阻且与负载阻抗相同的。注意,正电抗是电感(jωL),负电抗是电容(-j/ωC),共轭条件暗示它们是相等的,所以它们的谐振频率为:


因此,设计人员的一部分工作是设计一个匹配电路,该电路将在其输入端与传输线匹配,并在其输出端与有源器件实现共轭匹配,如图1所示。


图1、使用匹配网络将晶体管输入阻抗共轭匹配到50Ώ

信号功率的传递取决于阻抗匹配,但有源器件的性能,例如输出噪声,也取决于呈现给它的阻抗。对于晶体管等有源器件,我们可以定义两个特定的阻抗,以最大限度地提高电路的性能:

Zopt(Zeeoptimum)是提供给器件输入的阻抗,可最大限度地降低噪声系数。阻抗也可以表示为反射系数[在后面的文章描述],因此最小化噪声系数的反射系数也称为Gammaopt(Γopt)。

ZGain(Zeegain(增益))是呈现给器件输入的阻抗,它使增益最大化。