一种高可靠性隔离放大器模块的设计*

颜克文　刘　亮　俞森吉

(广州海格通信集团股份有限公司　广州　510663)

YAN Kewen　LIU Liang　YU Senji

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



一种高可靠性隔离放大器模块的设计*

颜克文刘亮俞森吉

(广州海格通信集团股份有限公司广州510663)

隔离放大器是通信系统中非常重要的一部分，论文设计的隔离放大器模块采用多级级联的放大器形式，输入和输出端采用传输线变压器进行阻抗匹配，使得设计的放大器模块具有高隔离度的同时也具有良好端口反射系数和互调，具有重要的参考意义。

隔离放大器; 反射系数; 变压器; 互调

YAN KewenLIU LiangYU Senji

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

Class NumberTN72

1　引言

在通信系统的发射和接收信道中，为了降低后续电路对前级电路影响的灵敏度，前后级的反向隔离度是一个很重要的指标，同时在满足了高隔离度的情况下，也要求具有适度的增益以及高的互调[1～3]。本文研究了一种高隔离度、增益可调、高互调以及良好端口反射系数的高可靠性隔离放大器模块。

2　隔离放大模块设计原理

本文设计的隔离放大模块电路由输入变压器、输出变压器及两部分相同的晶体管电路组成，具有高线性度与高隔离度指标，原理框图如图1所示。

输入变压器Tin由漆包线与双孔磁环构成，匝数比可根据实现的正向功率增益大小来确定，它将输入的非平衡信号转化为两路平衡信号分别输出到两部分相同的晶体管电路，两路平衡信号幅值相同，相位相反。输出变压器Tout与输入变压器Tin结构相同，它将两部分晶体管电路送出的平衡信号转化为非平衡信号作为整个电路的输出[4～5]。两部分相同的晶体管电路均由数个相同的单元电路并行连接而成。单元电路由两个NPN晶体三极管(如图1中的Q1、Q2)及外围器件(电阻、电容与电感)组成。第一个晶体三极管Q1按照共集电极的基本组态连接电路，具有较大的输入电阻、较小的输出电阻及接近于1的电压增益，其基极为信号输入端，发射极为单元电路的信号输出端，集电极的交流信号通过耦合电容C1反馈到第二个晶体三极管的基极。第二个晶体三极管Q2按照共发射极的基本组态连接电路，基极接收第一个晶体三极管的交流反馈信号，集电极作为输出与第一个晶体三极管的发射极相连，基极与发射极之间的晶体二极管V1起保护作用，避免晶体三极管Q2在大信号时基射极被反向击穿。该单元电路的输出信号与其它单元电路(如晶体三极管Q5、Q6组成的单元电路)的输出信号合并输出至整个电路的输出变压器Tout。整个电路的推挽工作模式可以在提高效率的同时实现高线性度[6～7]，与常见乙类推挽电路所有不同，单元电路第二个共发射极晶体三极管(如图中的Q2)的直流偏置可以使单元电路工作在甲类线性工作模式，第一个共集电极晶体三极管(如图中的Q1)构成发射极跟随器电路，可以提高整个电路的隔离度，数个单元电路的并行连接可以提高工作电流及相应的输入输出功率；同时由于其较大的输入电阻，可方便地通过改变输入变压器的匝数比及相应匹配网络来调整整个电路的正向功率增益[8～10]。

图1　隔离放大模块电路原理框图

3　隔离放大模块仿真及测试

根据上述设计思想，通过仿真软件对该电路的性能进行了仿真，与试验测量结果相比较，以验证设计思想的可行性。输入变压器匝数比为4∶2∶2，每一部分晶体管电路由8个单元电路组成，单元电路中，L1=100μH,Rc1=75Ohm,C1=C2=1.0μF，输出变压器为1∶1的传输线变压器，与单元电路之间通过1:3的变压器实现阻抗变换。

散射参数(S参数)仿真和测试结果如图2、图3所示。在频率15MHz处，仿真所得的数据为：增益S21=2.12dB，输入反射系数S11=-40.19dB，输出反射系数S22=-45dB，反向隔离度S12=-50.37dB；实测所得的数据为：增益S21=2.01dB，输入反射系数S11=-39.11dB，输出反射系数S22=-32.85dB，反向隔离度S12=-49.89dB。仿真结果与实测结果比较可见，除S22差别稍大外，其它指标基本一致，尽管如此，反射系数S22也能很好地满足实际指标要求。

图2　隔离放模块电路的S参数仿真结果

电路互调分量的仿真结果如图4所示。输入的基波分别为F1=7.0MHz，F2=11.9MHz，功率为10dBm，由图中输出端口的频谱图可知，基波分量的输出为12.12dBm，三阶互调分量与基波输出的差值为96.36dB，三阶互调截点输出功率为12.12dBm+96.36/2dB=60.3dBm。

图3　隔离放模块电路的S参数实测结果

图4　隔离放模块电路的互调分量仿真结果

表1是对隔离放大模块进行实验测量得到的数据，工作电压20V，工作电流510mA，输入信号功率约10dBm，输出信号功率12dBm，在电路调试中发现，在低频段(5MHz以下)，OIP3指标偏低于仿真值，在高频段(5MHz以上)，OIP3指标与仿真基本相同，试验证明，此现象与变压器所使用的磁芯材料有关，采用自耦式变压器可以改善低频段的OIP3指标，如表中数据所示，低频段指标仅略低于高频段指标。

表1　隔离放大模块三阶互调指标实测结果

图5是隔离放大模块工作频段内NF的实测结果，可以看出在低端10MHz处，NF=5.626，在频段最高端的30MHz处，NF=6.013，作为置于中间级的放大器模块，可满足设计要求。

图5　隔离放大模块的噪声系数NF实测结果

4　结语

本人阐述了隔离放大器在通信系统中的重要性，并设计了一款高隔离度的放大器模块，隔离放大模块的增益可以通过改变输入输出变压器的匝数比来调整，不同的磁芯材料可以获得不同的增益平坦度；在短波的频率范围内，隔离度大于40dB，反射系数小于-30dB，三阶互调大于90dB，设计思想具有重要指导和参考意义。

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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

颜克文，男，硕士研究生，工程师，研究方向：射频通信电路设计。刘亮,男,硕士研究生,工程师,研究方向：数字硬件电路设计。俞森吉,男,硕士研究生,工程师,研究方向：射频通信电路设计。

TN72

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.048