一種高可靠性隔離放大器模塊的設(shè)計(jì)*

顏克文　劉　亮　俞森吉

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司　廣州　510663)

YAN Kewen　LIU Liang　YU Senji

(Guangzhou Haige Communications Industry Group Co. , Ltd, Guangzhou　510663)

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一種高可靠性隔離放大器模塊的設(shè)計(jì)*

顏克文劉亮俞森吉

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司廣州510663)

隔離放大器是通信系統(tǒng)中非常重要的一部分，論文設(shè)計(jì)的隔離放大器模塊采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的放大器形式，輸入和輸出端采用傳輸線變壓器進(jìn)行阻抗匹配，使得設(shè)計(jì)的放大器模塊具有高隔離度的同時(shí)也具有良好端口反射系數(shù)和互調(diào)，具有重要的參考意義。

隔離放大器; 反射系數(shù); 變壓器; 互調(diào)

YAN KewenLIU LiangYU Senji

(Guangzhou Haige Communications Industry Group Co. , Ltd, Guangzhou510663)

Class NumberTN72

1　引言

在通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收信道中，為了降低后續(xù)電路對(duì)前級(jí)電路影響的靈敏度，前后級(jí)的反向隔離度是一個(gè)很重要的指標(biāo)，同時(shí)在滿足了高隔離度的情況下，也要求具有適度的增益以及高的互調(diào)[1～3]。本文研究了一種高隔離度、增益可調(diào)、高互調(diào)以及良好端口反射系數(shù)的高可靠性隔離放大器模塊。

2　隔離放大模塊設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的隔離放大模塊電路由輸入變壓器、輸出變壓器及兩部分相同的晶體管電路組成，具有高線性度與高隔離度指標(biāo)，原理框圖如圖1所示。

輸入變壓器Tin由漆包線與雙孔磁環(huán)構(gòu)成，匝數(shù)比可根據(jù)實(shí)現(xiàn)的正向功率增益大小來(lái)確定，它將輸入的非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路平衡信號(hào)分別輸出到兩部分相同的晶體管電路，兩路平衡信號(hào)幅值相同，相位相反。輸出變壓器Tout與輸入變壓器Tin結(jié)構(gòu)相同，它將兩部分晶體管電路送出的平衡信號(hào)轉(zhuǎn)化為非平衡信號(hào)作為整個(gè)電路的輸出[4～5]。兩部分相同的晶體管電路均由數(shù)個(gè)相同的單元電路并行連接而成。單元電路由兩個(gè)NPN晶體三極管(如圖1中的Q1、Q2)及外圍器件(電阻、電容與電感)組成。第一個(gè)晶體三極管Q1按照共集電極的基本組態(tài)連接電路，具有較大的輸入電阻、較小的輸出電阻及接近于1的電壓增益，其基極為信號(hào)輸入端，發(fā)射極為單元電路的信號(hào)輸出端，集電極的交流信號(hào)通過耦合電容C1反饋到第二個(gè)晶體三極管的基極。第二個(gè)晶體三極管Q2按照共發(fā)射極的基本組態(tài)連接電路，基極接收第一個(gè)晶體三極管的交流反饋信號(hào)，集電極作為輸出與第一個(gè)晶體三極管的發(fā)射極相連，基極與發(fā)射極之間的晶體二極管V1起保護(hù)作用，避免晶體三極管Q2在大信號(hào)時(shí)基射極被反向擊穿。該單元電路的輸出信號(hào)與其它單元電路(如晶體三極管Q5、Q6組成的單元電路)的輸出信號(hào)合并輸出至整個(gè)電路的輸出變壓器Tout。整個(gè)電路的推挽工作模式可以在提高效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高線性度[6～7]，與常見乙類推挽電路所有不同，單元電路第二個(gè)共發(fā)射極晶體三極管(如圖中的Q2)的直流偏置可以使單元電路工作在甲類線性工作模式，第一個(gè)共集電極晶體三極管(如圖中的Q1)構(gòu)成發(fā)射極跟隨器電路，可以提高整個(gè)電路的隔離度，數(shù)個(gè)單元電路的并行連接可以提高工作電流及相應(yīng)的輸入輸出功率；同時(shí)由于其較大的輸入電阻，可方便地通過改變輸入變壓器的匝數(shù)比及相應(yīng)匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)整整個(gè)電路的正向功率增益[8～10]。

圖1　隔離放大模塊電路原理框圖

3　隔離放大模塊仿真及測(cè)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，通過仿真軟件對(duì)該電路的性能進(jìn)行了仿真，與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相比較，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想的可行性。輸入變壓器匝數(shù)比為4∶2∶2，每一部分晶體管電路由8個(gè)單元電路組成，單元電路中，L1=100μH,Rc1=75Ohm,C1=C2=1.0μF，輸出變壓器為1∶1的傳輸線變壓器，與單元電路之間通過1:3的變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗變換。

散射參數(shù)(S參數(shù))仿真和測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。在頻率15MHz處，仿真所得的數(shù)據(jù)為：增益S21=2.12dB，輸入反射系數(shù)S11=-40.19dB，輸出反射系數(shù)S22=-45dB，反向隔離度S12=-50.37dB；實(shí)測(cè)所得的數(shù)據(jù)為：增益S21=2.01dB，輸入反射系數(shù)S11=-39.11dB，輸出反射系數(shù)S22=-32.85dB，反向隔離度S12=-49.89dB。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較可見，除S22差別稍大外，其它指標(biāo)基本一致，盡管如此，反射系數(shù)S22也能很好地滿足實(shí)際指標(biāo)要求。

圖2　隔離放模塊電路的S參數(shù)仿真結(jié)果

電路互調(diào)分量的仿真結(jié)果如圖4所示。輸入的基波分別為F1=7.0MHz，F(xiàn)2=11.9MHz，功率為10dBm，由圖中輸出端口的頻譜圖可知，基波分量的輸出為12.12dBm，三階互調(diào)分量與基波輸出的差值為96.36dB，三階互調(diào)截點(diǎn)輸出功率為12.12dBm+96.36/2dB=60.3dBm。

圖3　隔離放模塊電路的S參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖4　隔離放模塊電路的互調(diào)分量仿真結(jié)果

表1是對(duì)隔離放大模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，工作電壓20V，工作電流510mA，輸入信號(hào)功率約10dBm，輸出信號(hào)功率12dBm，在電路調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在低頻段(5MHz以下)，OIP3指標(biāo)偏低于仿真值，在高頻段(5MHz以上)，OIP3指標(biāo)與仿真基本相同，試驗(yàn)證明，此現(xiàn)象與變壓器所使用的磁芯材料有關(guān)，采用自耦式變壓器可以改善低頻段的OIP3指標(biāo)，如表中數(shù)據(jù)所示，低頻段指標(biāo)僅略低于高頻段指標(biāo)。

表1　隔離放大模塊三階互調(diào)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖5是隔離放大模塊工作頻段內(nèi)NF的實(shí)測(cè)結(jié)果，可以看出在低端10MHz處，NF=5.626，在頻段最高端的30MHz處，NF=6.013，作為置于中間級(jí)的放大器模塊，可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5　隔離放大模塊的噪聲系數(shù)NF實(shí)測(cè)結(jié)果

4　結(jié)語(yǔ)

本人闡述了隔離放大器在通信系統(tǒng)中的重要性，并設(shè)計(jì)了一款高隔離度的放大器模塊，隔離放大模塊的增益可以通過改變輸入輸出變壓器的匝數(shù)比來(lái)調(diào)整，不同的磁芯材料可以獲得不同的增益平坦度；在短波的頻率范圍內(nèi)，隔離度大于40dB，反射系數(shù)小于-30dB，三階互調(diào)大于90dB，設(shè)計(jì)思想具有重要指導(dǎo)和參考意義。

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Design of A High Reliability Isolation Amplifier Module*

Isolation amplifer is an extremely important part of the communication system, multiple cascaded amplifier form is put to use in this paper, input and output impedance matched by using transmission line transformer to make the isolation amplifer module with high isolation and also excellent port reflection coefficient and intermodulation, this paper has the important reference significance.

isolation amplifer, reflection coefficient, transformer, intermodulation

2016年2月6日,

2016年3月11日

顏克文，男，碩士研究生，工程師，研究方向：射頻通信電路設(shè)計(jì)。劉亮,男,碩士研究生,工程師,研究方向：數(shù)字硬件電路設(shè)計(jì)。俞森吉,男,碩士研究生,工程師,研究方向：射頻通信電路設(shè)計(jì)。

TN72

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.048