我是一个“孤独的王者”丨来自一个隔离器的自述

EDA365 2019-03-22 17:43

1


大家好

我是隔离器

英文名字是isolator

通常的模样是这样子的



我很乖巧吧!

等我外面穿上衣帽之后

是这个样纸的!



我有点方了!


我还有个兄弟是环形器

它的英文名字是circulator

其实它就是比我少了个

50欧姆的负载电阻。



给我的兄弟穿上外衣

也是方的!




2


我能为大家做什么呢?

先看看我的本事吧!



如下图1所示,从端子①进入的高频信号以低损耗传输至端子②


但从端子②进入的高频信号会被与端子③连接的终端电阻吸收,因此几乎没有功率传输至端子①中。


理想状态为终端电阻反射为“0”。



如图1所示,被终端电阻吸收的功率会转换为热量,并最终散发至外部(空气中)。


因此从外侧看来,进入端子②的功率会被隔离器消耗,理想情况下为全部被终端电阻消耗,而在实际场景下只有极少部分功率传输至端子①中。


以XX(TDK 公司CU1L2581AT-1960-00)实际产品为例


我的性能参数如下:


中心频率

1960MHz

开始/停止频率 

1930~1990MHz

带宽 

60MHz

隔离度 [Min.] 

25dB

插入损耗 [Max.] 

0.25dB

VSWR 

1.15

输入功率 

150W

反向功率 

70W

隔离度 [Min.] 

25dB

隔离度 [Min.] 

25dB



大家注意到了没,我的驻波VSWR 只有1.15,转换成回波损耗就是-23dB,就是0.005,插损接近0dB,反向隔离25dB,就是0.003。


所以,在理想情况下

我有个很特别的

S参数矩阵


我兄弟环形器的

S参数矩阵为


看到这,大家对我的能力有了解吗?




3


作为射频工作者,放大器是我们常常使用的器件, 那在发大器的设计和调试过程中,最怕什么呢?


不怕它放大器增益不够,不怕它放大器增益不平坦,最怕它自激了,自激,自激!



如图所示:



看着那几根不请自来的频谱,是不是让人很上火?


没有办法,工程猿们只能再翻开课本,重新学习下放大器的稳定性分析,再进一次学堂,挖地三尺,找原因!




4


为何会出现这些自激信号了?


从放大器的标准架构图如下所示:



将放大器视为一个两端口网络,该网络由S参量及外部终端条件 ΓL(负载反射)和 ΓS(源端反射)确定。


稳定性意味着反射系数的模小于1。即:



其中:


看着这些公式,实在让人昏昏欲睡了……



特别是大功率信号场景下,器件的性能参数随温度而变化,就是不稳当,这如何能确保功放稳定工作呀?



别急,这时隔离器就可以跳出来大显身手了!



把隔离器接到放大器的前后两端时,如图:



考虑到输入输出的驻波极小,反射系数接近为“0”,按照S参数矩阵级联的方法来计算就是:



嘻嘻, 就是这么简单!




5


这!就!是!我!的!作!用!




我能去除电路中各级反射波造成的不良影响,例如整理放大器阻抗。


在射频电路中,功放后端通常有多种应用场景和各种异常状态。


如下场景:



看到这密密麻麻的天线了吗?每根天线每时每刻都在工作中,以保障大家的无线通话正常。


这些天线在对外发射信号的同时,还受到周边天线发出信号的干扰。所以在基站认证测试中,有一个测试项目叫“发射机互调杂散 Tansmitter intermodulation”  测试。

 

这时,隔离器的反向隔离性能就起了很大的作用。



隔离器减轻、降低了外部干扰信号,这样在功放内部产生的交调信号强度就会变小。


这样就能通过“发射机互调杂散”认证测试了。



降低同频段的外部干扰信号能量,保证系统的“发射机互调杂散”性能通过认证。


比如下面这个场景:


PA后面接的是天馈/双工器/还是另外的管子,都很难说。这些器件的驻波是否很好呢?


万一发生脱落的场景,所有的信号功率都反射回功放,因热量累计,最终造成功放的损坏。



此时如果在PA后端加入隔离器就可以吸收反射回来的信号能,转换成热量,散发到空气中,避免信号能量累加到功放上。



◆ 隔离器的作用就好比蒸汽锅炉的排气孔。如果蒸汽通道被堵塞住的话,锅炉里的蒸汽无法排出,锅炉会有爆炸的危险。排气口可以让暴躁的蒸汽能量顺利排出。受到反射能量影响的功放就好像通道被堵塞的锅炉,而隔离器就好像排气孔一样消耗掉了多余的能量。



消耗输出端因异常而导致的反射信号,确保功放的安全。



我还能利用我的隔离性能提高功率合路系统的隔离度。


电路图如下:



同样的原理,我兄弟环形器也有一些有趣的应用:



天线共用器,特别是同频率,同时工作,我兄弟环形器起了很独特的作用。



很新奇的应用吧!

很奇特的本领吧!

哪儿能用?

我也不知道……

只希望能对你灵光一闪起作用




7


说了这么多好处,有些朋友可能大呼:喔,这么好用,那我在电路中要多多使用了!


可惜,好处虽多,可我也是有一些缺点



       ★ 尺寸大       

       ★ 频段窄       

       ★ 价格高       


所以,在现在的终端产品中,都很少见到我的身影。



有人要问了:终端中有功放,功放后面的电路有开路的潜在隐患,射频电路开路,信号全反射,那如何确保我功放不被烧毁,能全身而退了?



其实,在终端的功放厂家资料中,除了定义了正常工作场景下的电性能,同时也给出了器件在异常场景下的器件损伤的边界条件。


另注意:厂家在大批量实验、验证的基础上给出的结果,大概率下是能覆盖我们在实验里做的超级破坏实验, 但意外是随时可能发生的。



以下是从一颗射频PA的规格书中节选,规格书中给出了器件可以正常工作的各种外部必要条件。



通过这个信息,我们可以看出,功放器件不损坏的必要条件是:输出端口的 VSWR < 7:1


看到这里,估计有人要问:当功放输出的功率全部全反射时,功放会被烧坏吗? 



这个问题很实际,如果真要是这种情况,那功放肯定会损坏。


但是这种情景在实际工作中很难遇到,除非整个单板中,只有功放的输出管脚虚焊,才会造成输出功率的全反射,而终端产品的电路和器件都焊接在一块单板上,所以不考虑这种场景。


那我们需要要考虑什么场景了?



从功放要求来看,输出端口的 vswr 必须小于7:1,通过简单的计算,回波损耗是2.5dB。一分为二,就是1.25dB。


所以我们的电路设计能保证功放距离全反射点的插损有1.25dB以上,就可以保证,功放不会被损毁,这在系统设计中是很容易达到的。


所以现在,在终端产品中很少见到我们的身影了。



作为一个“孤独的王者”,我们隔离器的一生注定是不平凡的!物尽其用,是我交给这个世界的答卷。



所以,你现在知道怎么用我了么?



出品丨EDA365

原创作者丨汪洋大海

排版编辑丨阿迟

插画绘制丨弯弯


——END——


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