第1章　射频集成电路基础知识

1.1 增益

在信号接收和发射的过程中，考虑到接收信号的微弱性和发射信号的强功率特性，通常接收和发射模块均需要提供一定的增益。接收通路需要提供的增益一般必须超过单位增益以放大信号便于后端的模数转换；发射通路需要提供的增益一般小于单位增益以避免功率放大器的非线性饱和。衡量系统增益的指标通常通过输出电压/输入电压、输出电流/输入电流或输出功率/输入功率的比值得到，当然也会存在如跨导增益（电压至电流）或跨阻增益（电流至电压）的表示形式。

由于射频信号在传输过程中通常存在天线效应，因此如果传输距离过长[“过长”是指传输距离大于传输信号载波波长的1/10，如PCB上天线输出端口至第一级低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）之间的距离]，就需要通过传输线来完成（传输线的特征阻抗通常设计为50Ω）。同时，考虑到天线输出端或射频滤波器（频率选择滤波器或镜像抑制滤波器）的输出端均需要接入具有一定阻抗（通常为50Ω）的负载（只有接入要求的负载，滤波器才能发挥最佳的滤波性能），因此像低噪声放大器或混频器（Mixer）等需要和天线或滤波器直接相连接的模块必须进行阻抗的匹配设计。而其他集成在芯片内部的模块，或分立的中频模块，由于传输距离相较于波长可以忽略，且不存在如天线或射频滤波器等的负载阻抗需求，无须进行阻抗匹配设计，每个模块的输入端可以设计成阻抗为无穷大的形式（如信号通过晶体管栅极进入该模块）。

无线通信过程习惯采用功率传输的概念，但是在射频集成电路内部，由于不需要进行阻抗匹配，且大部分模块的输入阻抗为无穷大，显然不存在输入功率的概念。为了解决这一问题，通常对模块输入端和输出端的电压相对于射频系统的匹配阻抗进行功率归一化得到相应的功率信号。例如，对于匹配阻抗为50Ω的射频系统，如果要求输入或输出的信号功率为0dBm，对于一个单音信号，意味着其输入或输出电压峰值为0.316V。

这种归一化方式可以有效地将发射机天线端的发射功率（功率与匹配阻抗相关）、接收机天线端的接收功率（功率与匹配阻抗相关）、电路中的功率增益（归一化功率，功率与匹配阻抗相关）、电路中的电压增益等效起来，设计过程中仅需关注输入端和输出端的电压信号（电压信号便于仿真和时域直观观察）及其电压增益，即可完成电路的增益设计。

例1-1　如图1-1所示，发射机提供的发射功率为PT，经过衰减值为LS的自由空间衰减后到达接收机。已知接收机的第一级电路模块的输入端进行了阻抗匹配设计，输出端接入第二级电路模块的晶体管栅极。分别计算功率归一化前后第一级电路模块的功率增益与电压增益的关系。

图1-1　功率增益与电压增益

解：假设接收天线的增益为0dBi，则经过自由空间衰减后接收端天线接收到的信号功率PR=PT/LS。由于接收机第一级电路模块进行了阻抗匹配设计，因此第一级电路模块的输入信号功率同样为PR，则第一级电路模块的输入端电压。令第一级电路模块的输出端电压为VL，则输出端功率。功率归一化前第一级电路模块的功率增益。功率归一化前的功率增益不仅与电压增益有关，还与输入端和输出端的阻抗有关，功率增益与电压增益无法有效统一起来。对功率进行归一化后，第一级电路模块在计算输出功率时的负载阻抗为RM2，功率增益，可以有效地将功率增益和电压增益统一起来。