一種高可靠性隔離放大器模塊的設計*

顏克文　劉　亮　俞森吉

(廣州海格通信集團股份有限公司　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計*

顏克文劉亮俞森吉

(廣州海格通信集團股份有限公司廣州510663)

隔離放大器是通信系統中非常重要的一部分，論文設計的隔離放大器模塊采用多級級聯的放大器形式，輸入和輸出端采用傳輸線變壓器進行阻抗匹配，使得設計的放大器模塊具有高隔離度的同時也具有良好端口反射系數和互調，具有重要的參考意義。

隔離放大器; 反射系數; 變壓器; 互調

YAN KewenLIU LiangYU Senji

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

Class NumberTN72

1　引言

在通信系統的發射和接收信道中，為了降低后續電路對前級電路影響的靈敏度，前后級的反向隔離度是一個很重要的指標，同時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[1～3]。本文研究了一種高隔離度、增益可調、高互調以及良好端口反射系數的高可靠性隔離放大器模塊。

2　隔離放大模塊設計原理

本文設計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，原理框圖如圖1所示。

輸入變壓器Tin由漆包線與雙孔磁環構成，匝數比可根據實現的正向功率增益大小來確定，它將輸入的非平衡信號轉化為兩路平衡信號分別輸出到兩部分相同的晶體管電路，兩路平衡信號幅值相同，相位相反。輸出變壓器Tout與輸入變壓器Tin結構相同，它將兩部分晶體管電路送出的平衡信號轉化為非平衡信號作為整個電路的輸出[4～5]。兩部分相同的晶體管電路均由數個相同的單元電路并行連接而成。單元電路由兩個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。第一個晶體三極管Q1按照共集電極的基本組態連接電路，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，其基極為信號輸入端，發射極為單元電路的信號輸出端，集電極的交流信號通過耦合電容C1反饋到第二個晶體三極管的基極。第二個晶體三極管Q2按照共發射極的基本組態連接電路，基極接收第一個晶體三極管的交流反饋信號，集電極作為輸出與第一個晶體三極管的發射極相連，基極與發射極之間的晶體二極管V1起保護作用，避免晶體三極管Q2在大信號時基射極被反向擊穿。該單元電路的輸出信號與其它單元電路(如晶體三極管Q5、Q6組成的單元電路)的輸出信號合并輸出至整個電路的輸出變壓器Tout。整個電路的推挽工作模式可以在提高效率的同時實現高線性度[6～7]，與常見乙類推挽電路所有不同，單元電路第二個共發射極晶體三極管(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，第一個共集電極晶體三極管(如圖中的Q1)構成發射極跟隨器電路，可以提高整個電路的隔離度，數個單元電路的并行連接可以提高工作電流及相應的輸入輸出功率；同時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比及相應匹配網絡來調整整個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試

根據上述設計思想，通過仿真軟件對該電路的性能進行了仿真，與試驗測量結果相比較，以驗證設計思想的可行性。輸入變壓器匝數比為4∶2∶2，每一部分晶體管電路由8個單元電路組成，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的變壓器實現阻抗變換。

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

圖2　隔離放模塊電路的S參數仿真結果

電路互調分量的仿真結果如圖4所示。輸入的基波分別為F1=7.0MHz，F2=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，三階互調分量與基波輸出的差值為96.36dB，三階互調截點輸出功率為12.12dBm+96.36/2dB=60.3dBm。

圖3　隔離放模塊電路的S參數實測結果

圖4　隔離放模塊電路的互調分量仿真結果

表1是對隔離放大模塊進行實驗測量得到的數據，工作電壓20V，工作電流510mA，輸入信號功率約10dBm，輸出信號功率12dBm，在電路調試中發現，在低頻段(5MHz以下)，OIP3指標偏低于仿真值，在高頻段(5MHz以上)，OIP3指標與仿真基本相同，試驗證明，此現象與變壓器所使用的磁芯材料有關，采用自耦式變壓器可以改善低頻段的OIP3指標，如表中數據所示，低頻段指標僅略低于高頻段指標。

表1　隔離放大模塊三階互調指標實測結果

圖5是隔離放大模塊工作頻段內NF的實測結果，可以看出在低端10MHz處，NF=5.626，在頻段最高端的30MHz處，NF=6.013，作為置于中間級的放大器模塊，可滿足設計要求。

圖5　隔離放大模塊的噪聲系數NF實測結果

4　結語

本人闡述了隔離放大器在通信系統中的重要性，并設計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比來調整，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，隔離度大于40dB，反射系數小于-30dB，三階互調大于90dB，設計思想具有重要指導和參考意義。

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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：射頻通信電路設計。劉亮,男,碩士研究生,工程師,研究方向：數字硬件電路設計。俞森吉,男,碩士研究生,工程師,研究方向：射頻通信電路設計。

TN72

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.048