芯耀
2454
一、什么是转换增益
有源器件功率增益用GT表示，指的是负载功率PL和源可用功率PAVS的比值。简单说，它能衡量功率通过有源器件从源有效传输到负载的程度。
看一个典型的二端口网络图能更好理解这个概念。一开始源有一定的可用功率，但因为可能存在匹配问题，只有一部分功率会通过网络传输。这部分传输的功率在传到负载之前会被放大。这个过程体现了网络中可用功率、功率传输和放大之间的相互作用。
有源器件功率增益和输入端阻抗Zs、输出端阻抗ZL的匹配情况直接相关。实现阻抗匹配才能保证功率传输效率最佳。要是源阻抗Zs和输入阻抗Zin不匹配，功率传递的规律就会改变，进而影响增益。所以必须让Zs等于Zin的共轭，ZL等于Zout的共轭，这样才能保证从源到网络的功率传输最大化，网络内的功率能有效放大，而且放大后的功率能没有损耗和阻抗差异地传到负载。
1、最大化有源器件功率增益：阻抗匹配
在有源器件的功率增益里，当输入和输出都与二端口器件实现共轭匹配时，就满足了一个关键条件。这种配置能实现最大增益，这是避免功率损耗的基本原理。
输入和输出端的阻抗匹配能确保功率高效传输，不会出现损耗。要是匹配不好，就会有功率损耗，让系统效率降低。反过来，实现匹配就能优化从输入到输出的功率流动。
在这种情况下，有源器件的功率增益（GT）等于可用功率增益（GA），这是增益最大化的一个特殊情况。这个等价关系的原理很简单。拿GT来说，它表示传递到负载的功率（PL）和输入功率（Pin）的比值。在匹配条件下，源的可用功率（PAVS）等于输入功率（Pin），所以GT就简化成了PL/PAVS，这其实就是有源器件功率增益的定义。
说白了，阻抗匹配能让电源本身能提供的功率，和实际进入系统的输入功率相等，这样就能最大程度提升网络里的功率传输效率和放大效果。这个原理充分说明了在有源系统里，阻抗匹配到底有多重要——毕竟在这类系统中，要想实现最佳性能，就得尽量提高增益。
2、有源器件功率增益的等价性：匹配条件
搞懂有源器件的功率增益，一定要明白输入和输出匹配对提高增益效率有多关键。有源器件的功率增益（GT），说的是电源功率和网络输出端能拿到的功率（PAVN）之间的比例关系。在输出匹配的情况下，PAVN就是能传给负载（PL）的最大功率，这时候PAVN和PL其实是一回事。
可用功率增益（GA）是从电源端算起的，它的算法是用输出端能拿到的功率（PAVN）除以电源本身能提供的功率（PAVS）。一旦实现了输出匹配，PAVN等于PL，GA和GT也就相等了。这种对应关系清楚地表明，匹配条件对实现从电源到负载的高效功率传输非常重要。
3、功率增益概念总结
总之，让我们回顾一下有源系统中围绕功率增益和阻抗匹配的关键概念，为进一步探讨方程和实例奠定基础。
（1）功率增益（G）：
功率增益（G）表示输出功率与输入功率的比值。它是负载阻抗（ZL）的函数，但与源阻抗（ZS）无关。这种无关性源于这样一个观察：改变ZS会按比例影响输入和输出功率，从而保持比值不变。
（2）可用功率增益（GA）：
可用功率增益（GA）量化了系统内从输入到输出的功率传输效率。它取决于源阻抗（ZS），但不受负载阻抗（ZL）变化的影响。这种不变性通过以下事实得到证明：尽管ZL发生变化，但传递到负载的最大功率仍保持一致。
（3）有源器件功率增益（GT）：
有源器件功率增益（GT）涵盖了从输入到输出的整个功率传输过程，同时考虑了源和负载阻抗（分别为ZS和ZL）。实现阻抗匹配——即输入阻抗（Zin）等于源阻抗（ZS）的共轭，且输出阻抗（Zout）等于负载阻抗（ZL）的共轭——可确保最大功率传输效率。在匹配条件下，GT、GA和G保持一致，反映了最佳功率增益性能。
总之，理解这些原理阐明了阻抗匹配在最大化有源系统内功率传输效率方面的重要性。
二、如何计算转换增益
我们会用ADS这类电路仿真工具来算转换功率增益。电路模型用黑盒表示的二端口网络。要注意的是，虽说功率增益一般和放大器挂钩，但这个例子里的二端口网络就只有一个电阻——这也说明了功率增益计算在各种电路结构里都能用。
这个例子中会计算转换功率增益（GT），还会把它和S21参数做对比，二端口网络就用黑盒来展示。特别说明一下，这个二端口网络不是放大器，只是个单电阻。
1、分步计算：
1. 输入电压（Vin）：首先确定输入电压（Vin），根据给定条件，其为电源电压（Vs）的一半。
2. 输入功率（Pin）：使用输入功率公式，其中Rin表示输入电阻，计算网络从电源吸收的功率。
3. 输出功率（PL）：利用提供的输出电压（Vo）和负载电阻（RL），通过电阻功率公式计算传递到负载的功率。
4. 转换功率增益（GT）：最后，通过将输出功率（PL）除以输入功率（Pin）计算有源器件功率增益（GT）。该比值反映了系统内功率传输的效率，表明输入功率的放大或衰减程度。
2、计算输入电压（Vin）：因为Vin=Vs/2，同时Vs=2V，所以Vin=2V/2=1V。计算输入功率（Pin）：使用公式
其中Vin=1V，Rin=50Ω，所以
3、计算转换功率增益（GT）使用公式
其中PL=2.5mW，Pavs=10mW，所以
仿真结果：
在ADS仿真环境中，PL表示负载上耗散的输出功率。
输出功率通过公式：
EqnPL=0.5×real(vo×conj(io.i))计算，其中：
- vo：代表输出电压。
- io.i：代表输出电流的复共轭。
- vo与输出电流复共轭的乘积：表示负载吸收的复功率，取该复功率的实部即得到负载实际耗散的功率。
4、结合仿真结果表格分析：
- Freq（频率）：频率列显示了仿真执行的频率点。本例中有两行数据：
0.00000Hz和1.0000GHz，分别对应直流（DC）分析和1GHz的高频分析。
- PL：PL列显示了各频率点下负载耗散的对应输出功率，数值为0.0000和0.0025（单位默认为W）。因此，PL=0.0025W=2.5mW。
综上，在ADS仿真中，PL代表负载耗散的输出功率，本例中计算值为2.5mW。该数值对后续分析（如计算有源器件功率增益GT）至关重要。
S21代表正向传输参数，用于表征双端口网络中从端口1到端口2的功率传输特性。
S21的模值（记为∣S21∣）表示信号的幅度衰减或放大程度。结合仿真结果：
- Freq（频率）：
仿真执行的频率为1.000GHz。
- S(2,1)：
该列对应S参数S21，其值为0.500/0.000。
-- 第一个值0.500为∣S21∣的模值；
-- 第二个值0.000通常表示相位角（本例中相位角为0或未显示）。
因此，∣S21∣=0.500。
从∣S21∣计算有源器件功率增益（GT）的常用公式为：
GT=|S21|^2
代入已知值：
GT=(0.500)^2=0.25
转换功率增益（GT）计算为0.25。该值量化了双端口网络在指定频率1.000GHz下从输入端口到输出端口的功率传输效率。
总结
有源器件功率增益（GT）是衡量功率从源端至负载端传输效率的关键指标，其大小取决于阻抗匹配状态。理论分析表明，输入/输出端共轭匹配（Zs=Zin*，ZL=Zout*）可实现GT最大化，此时GT与可用功率增益（GA）相等。仿真通过电阻网络模型验证了GT与S21参数的平方关系（GT=|S21|?），在1GHz频点下测得GT=0.25，为电路功率传输优化提供了理论依据。
