基于光器件調(diào)制的高增益射頻放大電路研究

席 鵬 李曉東

（1．浙江九州量子信息技術(shù)股份有限公司研發(fā)部，浙江 杭州 311215；2．浙江高速信息工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

寬帶射頻放大電路在線性射頻放大、激光雷達、射頻通信和光學(xué)器件調(diào)制中具有重要作用。在傳統(tǒng)通信行業(yè)中，窄頻帶信號放大電路的應(yīng)用頻率較多，但這種應(yīng)用對輸出電壓的擺幅要求不是很高。而該設(shè)計中的功率放大電路主要針對量子加密中光學(xué)器件調(diào)制的應(yīng)用，由于該驅(qū)動的輸入信號源要求是隨機數(shù)，該驅(qū)動將隨機數(shù)放大后施加在光學(xué)器件上，使光學(xué)器件攜帶上隨機數(shù)信息，使得隨機數(shù)可以在光纖中傳輸。因此，該驅(qū)動對頻帶和幅值都提出了新的要求，高頻帶、高擺幅的驅(qū)動也應(yīng)運而生。此外，考慮到光纖通信的安全性高，所以光纖通信在信息保密領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用前景。因此，對光器件調(diào)制電路的研究與設(shè)計就變得非常有意義。

在光通信中，整個系統(tǒng)的性能可以由許多參數(shù)來決定。這些參數(shù)包括調(diào)制帶寬、功耗、消光比以及調(diào)制幅度等。在實際應(yīng)用過程中，為了滿足系統(tǒng)對帶寬的需求，信號鏈路的帶寬必須能夠覆蓋整個頻帶范圍。因此，該文主要的研究方向集中在調(diào)制器驅(qū)動電路的帶寬和擺幅上。

1 系統(tǒng)方案

在通信系統(tǒng)中，由于光學(xué)器件受工藝、電壓、溫度和封裝等因素的影響，半波電壓等參數(shù)會發(fā)生一定的變化，而驅(qū)動幅值恰恰是根據(jù)光學(xué)器件的半波電壓來進行調(diào)制的。該文設(shè)計的調(diào)制電路主要是讓信號適應(yīng)強度的變化，擺幅大小是可調(diào)節(jié)的。

針對光學(xué)器件調(diào)制所需的信號指標，對該設(shè)計提出以下3個性能要求。1）可調(diào)電壓增益-5 dB～28 dB。2）輸出電壓擺幅范圍0～10 V峰峰值電壓，噪聲RMS＜300 mV。3）系統(tǒng)通頻帶范圍0～6 GHz，通頻帶內(nèi)增益平坦度≤±2 dB。

1.1 方案比較

方案一：利用固定增益放大器與電阻網(wǎng)絡(luò)衰減實現(xiàn)。該方案的電路簡單、成本低，后級電阻網(wǎng)絡(luò)的衰減很難與阻抗匹配，導(dǎo)致信號反射嚴重失真，同時在高頻電路中電阻易產(chǎn)生熱噪聲，且電阻在高頻時有電容、電感特性，會引起信號質(zhì)量問題。方案二：選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為隨機數(shù)信號發(fā)生器，通過調(diào)節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出幅值來匹配光學(xué)器件的半波電壓值，這種方式對于衰減調(diào)節(jié)很難控制，同時高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器的價格昂貴，對主控要求高。方案三：利用壓控可調(diào)增益衰減器與兩級固定增益放大器級聯(lián)實現(xiàn)，通過程控調(diào)節(jié)衰減量來調(diào)制最終鏈路的增益。該方法調(diào)節(jié)方便且精確可控，在寬頻帶內(nèi)線性度好。從實現(xiàn)效果、實現(xiàn)成本角度綜合考慮上述3種方案，該設(shè)計選用方案三。

1.2 方案三描述

系統(tǒng)主要由4個部分構(gòu)成，它們分別是壓控可調(diào)增益衰減器、固定增益前放、固定增益后放、可編程數(shù)模轉(zhuǎn)換器。該設(shè)計方案中選擇壓控可調(diào)增益衰減器RFSA2013，衰減器后端接入兩級固定增益的放大器，后放輸出通過同軸線纜連到需要調(diào)制的光學(xué)器件上。具體實現(xiàn)方案如圖1所示，壓控可調(diào)增益衰減器的作用就是控制電壓，衰減器的衰減量隨著控制電壓的變化而變化，這樣極大地提高了設(shè)計的靈活性。

圖1 功能框圖

2 理論分析與計算

2.1 射頻放大器主要指標分析

2.1.1 帶寬

3 dB帶寬通常指功率譜密度的最高點下降到一半時界定的頻率范圍。在寬帶射頻功率放大器中，帶寬很大程度上決定了輸出信號的沿有多快。

2.1.2 S參數(shù)

S參數(shù)也叫散射參數(shù)，它在射頻微波電路中的應(yīng)用極為常見，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀等直接測量得到。S21、S11和S22，即功率增益和輸入輸出反射水平。該設(shè)計中的S參數(shù)選型尤為重要，因為涉及多級射頻放大器的級聯(lián)，如果S11和S22的參數(shù)不理想，會導(dǎo)致信號在級聯(lián)間來回反射，最終導(dǎo)致輸出信號的沿不單調(diào)，幅度平坦度差[1]。

2.1.3 1 d B壓縮點輸出功率P 1 d B

隨著輸入功率的不斷增加，功放輸出功率同樣也會增加，但增加到一定程度后就會緩緩進入飽和狀態(tài)，當輸出功率的增益低至1dB時，該處的點對應(yīng)著1 dB壓縮點，該點也經(jīng)常用來衡量功率放大器的線性度。該設(shè)計在選型時需要重點考慮P1dB壓縮點，輸出功率定為27 dbm。

2.1.4 飽和輸出功率

在輸入功率達到某一特定的數(shù)值后，再增加其數(shù)值也不會得到更大的輸出功率。這個功率數(shù)值稱之為飽和輸出功率。

2.1.5 增益平坦度

增益平坦度指的是工作頻帶內(nèi)最高增益與最低增益的差值（用dB表示）。寬帶功率放大器在正常工作狀態(tài)下，不同頻率下的增益會有微小差異，而這個差異也就會影響最終寬帶信號的質(zhì)量。

2.2 阻抗設(shè)計

該設(shè)計的輸入信號通過50 Ω阻抗的同軸線纜接入，且衰減器和固定增益放大器的輸入輸出阻抗以及布線阻抗也是50 Ω，這樣就可以保證信號鏈路阻抗的一致性。

2.3 偏置電路

射頻功率放大電路通常需要設(shè)計直流偏置網(wǎng)絡(luò)，使射頻功率放大器能在給定的電壓電流狀態(tài)下工作，為功率放大器提供一個合適的靜態(tài)工作點。如果直流偏置電路設(shè)計不當，會影響功率放大器的功率、增益、噪聲系數(shù)等，甚至?xí)斐煞糯笃骰蛘哒麄€電路工作不穩(wěn)定。該設(shè)計通過錐型電感加射頻電感提供直流偏置，搭建一個Bias-Tee電路，同時直流輸入端加多顆旁路電容，該Bias-Tee電路在0～6 GHz通頻帶內(nèi)的插入損耗小于0.2 dB[2]。

2.4 選型對比

根據(jù)引言提出的設(shè)計要求，固定增益前級射頻放大器的選型考慮參數(shù)包括3點。1）工作頻率涵蓋0～6 GHz。2）增益＞16 dB。3）增益平坦度≤±1 dB。根據(jù)以上要求，從射頻放大器的知名供應(yīng)商中初步篩選出以下滿足性能要求的型號：ADI公司的HMC8410LP2FE，RFBAY 公司的 WNA-220、WNA-250，NXP 公司的 MMG3H21NT1、MMG3007NT1，Qorvo公司的 ECG003B-G、NBB-400、SBB5089Z、SBW5089Z，Mini-Circuits公司的GALI-24+、GVA-84+進行對比分析。后級放大器主要考慮帶寬涵蓋0～6 GHz甚至更寬、增益＞16 dB、P1db輸出功率＞27 dbm。此外，考慮與前級放大器的級聯(lián)設(shè)計，后級放大器選型時，S11和S22參數(shù)需要＞15 dB，可以降低因S11和S22參數(shù)引入的級間反射。初步篩選出一些型號后，下載仿真模型進行前期軟件仿真驗證。

2.5 增益理論計算

該設(shè)計的輸入隨機源信號電平約400 mV峰峰值電壓即-1 dbm，因為設(shè)計要求最終放大器輸出電壓范圍0～10 V即0～+27 dbm，經(jīng)計算鏈路增益要求在-5 dB～+28 dB可調(diào)。

可調(diào)增益衰減器RFSA2013的插入損耗可通過施加不同的控制電壓來實現(xiàn)衰減量在-2 dB～-30 dB可調(diào)，最終推算出兩級射頻放大器的增益需滿足≥30 dB。

3 A D S軟件仿真驗證

為了驗證初步篩選的射頻放大器能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，先通過ADS進行前仿。信號源采用1 Gbps的PRBS23偽隨機編碼，該隨機碼理論上能夠覆蓋0～1 Gbps頻帶內(nèi)的隨機數(shù)，因仿真未引入衰減器，特減去衰減器的固有衰減量2 dB，將實際400 mV峰峰值電壓的信號源幅值降到230 mV峰峰值，信號上升沿、下降沿設(shè)成60 ps，該信號源的幅值和上升沿、下降沿速度基本與實際應(yīng)用中的隨機源參數(shù)一致。數(shù)據(jù)源通過一定長度的阻抗線經(jīng)過100 nF的耦合電容后進入RFSA2013衰減器，衰減器輸出接100 nF耦合電容后進入固定增益射頻前放，射頻前放的輸出再連接射頻后放，最終射頻后放的輸出接100 nF耦合電容后接入負載端進行光器件調(diào)制。

為盡量接近驅(qū)動電路在級聯(lián)情況下的工作狀態(tài)，特搭建了仿真電路進行瞬態(tài)仿真，并觀察射頻后放輸出端的信號波形。最終兩級放大后的輸出擺幅達到10.5 V峰峰值電壓。通過觀察發(fā)現(xiàn)信號的上升沿、下降沿非常快，說明信號的帶寬高。同時，觀察信號平坦區(qū)的電平的波動情況，如果信號電平波動小，說明傳遞到放大器的輸出端的過程中，帶寬足夠高且線性度好。經(jīng)仿真波形確認最佳射頻前放和射頻后放級聯(lián)組合。

4 電路板制作及實測

根據(jù)理論分析及仿真信號觀察，得出2種性能較好的射頻前放和射頻后放組合，并制作電路板，進行最終性能實測。此時，電路板采用FPGA產(chǎn)生1 Gbps的PRBS31隨機數(shù)信號源，將信號源接入電路板進行放大，最終射頻放大器輸出的信號經(jīng)同軸電纜連接到示波器上進行觀察分析。實測后放輸出信號擺幅達到10.2 V峰峰值，且在該情況下信號噪聲RMS為257.75 mV，性能達到預(yù)期。

5 結(jié)語

通過ADS理論仿真，對射頻放大器進行初步篩選，然后根據(jù)篩選結(jié)果制作電路板，進行焊接實測的二次篩選，根據(jù)測試結(jié)果確定最優(yōu)的方案。最終設(shè)計出了滿足要求的高性能光學(xué)器件調(diào)制電路。

通過總結(jié)設(shè)計出的驅(qū)動器的整體性能，并與其他先進驅(qū)動器的性能參數(shù)進行對比。從中可看出，該驅(qū)動器在支持同樣的帶寬情況下，輸出擺幅方面優(yōu)于其他驅(qū)動器。此外，該驅(qū)動器在實現(xiàn)較大增益的情況下，還能保持非常好的線性度。