高功率π型阵列结构设计与研究

徐敏松，文化锋，柯 昂，龙丹桂



高功率π型阵列结构设计与研究

徐敏松，文化锋，柯 昂，龙丹桂

（宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211）

针对ROF基站需要高功率、大带宽的光电探测器的问题，在原有π型结构中使用光电探测器代替级联的电容实现更大的功率合成。同时提出新型π阵列结构，即将两个光电探测器级联之后再将两个级联的光电探测器并联构成并型结构，将该并型结构单元和一个光电探测器级联与电感连接构成一个π型结构单元，将个π型结构单元级联构成π型阵列结构，π型阵列结构中间部分有两条支路并联总电容增加，在元阵列结构两端通过去掉级联电容以使阵列结构每条支路结电容相等同时减少功率损耗。元π型阵列结构输出功率高于同种类型T型阵列结构。

功率合成；并型结构；功率损耗；光电探测器；π型阵列结构；T型阵列结构

光载无线通信(ROF)是一种光和微波结合的技术，应高速大容量无线通信需求，新发展起来的将光纤通信和无线通信相结合起来的无线接入技术。在ROF系统中运用光纤作为基站(BTS)与中心站(CS)之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号，光纤传输的射频（或毫米波）信号提高了无线带宽，但天线发射后在大气中的损耗会增大，这就要求在ROF系统中有高速大功率的光电探测器来驱动天线[1]。由于基站的结构比较简化，可以适当增加基站的个数使组网更加灵活，ROF基站中的核心组件是光电探测器，但是光电探测器输出的功率低、带宽小，通常需要借助毫米波功放来放大光电探测器输出的射频信号。目前，通过改变单个光电探测器结构和材料来提高光电探测器的功率和带宽已经相当成熟。但是对单个光电探测器性能的改善达到的效率是有限的。对多个光电探测器进行组合的功率合成电路主要有两类：一类是行波光电探测阵列功率合成[2-4]，将光电探测器以T型方式组合实现高功率和大带宽的需求；一类是线性级联近弹道单行载流子光电二极管功率合成[5-7]，单行载流子采用垂直方向耦合器来解决传统光波导探测器光电流分布不均匀的问题，同时解决了垂直表面入射式光电探测器响应度与响应速度相互制约的问题，并在其中引入单行载流子(Uni-Traveling-Carrier, UTC)结构，使之实现高速大功率工作。由于传统经典的π型阵列结构在高功率大带宽上不能做到同时满足，在实现大带宽的同时功率往往无法达到要求，本文对原有π型阵列结构进行重构实现高功率的合成，即在已有π型阵列结构上使用光电探测器代替电容，以达到高功率大带宽的要求，并且在减少功率损耗的同时实现最大功率合成。同时提出将两个光电探测器级联之后并联再和一个单独的光电探测器级联构成一个并型结构单元接入电路中，代替传统的只使用一个光电探测器的阵列结构，输出功率远高于传统的阵列结构，且元π型阵列结构输出功率高于元T型阵列结构。

1 基本原理

1.1 经典π型阵列单元基本原理

单个π型光电探测器是在电感互联的人工传输线上嵌入光电探测器形成的阵列结构电路，再由两端各接入一个50 Ω的负载阻抗和一个50 Ω的阻抗匹配终端电阻组成，如图1所示。

图1 n元π型阵列结构

光电探测器的信号光电流分别流向两个负载阻抗分流，导致信号电流只有一半流入到负载，这种探测器带宽由探测器载流子结电容和负载阻抗的RC时间常量决定[8]，探测器响应的截止频率c为：

式中：d是光电二极管的结电容；1是匹配负载阻抗。

该阵列单元的特性阻抗1为电感与电容之比，即：

式中：为每个滤波器部分的电感。

1.2 级联电容与光电探测器扩大带宽实现高功率合成

为在实现功率合成的同时实现功率带宽增加为原有带宽π型阵列结构的两倍，提出阵列结构如图2所示的元阵列结构。将一个与光电二极管的结电容等值的电容和光电二极管串联，同时减少电感为原有电感的一半，以实现负载终端匹配。

图2 级联电容扩大带宽的n元T型阵列结构

该阵列结构会因为级联电容而损失部分功率，使输出功率并不够高。本文采取将电容用光电探测器代替，在保证与原有阵列结构相等带宽的同时实现更高的功率合成。且该π型阵列结构为实现高功率合成，在元阵列结构两端支路采取的是直接使用一个光电探测器，在阵列结构中，中间部分支路是两个光电二极管级联，每条支路上实际有两条级联的光电探测器并联，则总的结电容和单个光电探测器的结电容相等，满足终端负载匹配。基于π型结构的光电探测器功率合成阵列[9-10]采取的是中间支路使用一个光电探测器，但是将结电容减少一半，两端采取的是两个光电探测器级联光电探测器减少一半来达到终端负载匹配。本文采取的结构在输出功率上要高于基于π型结构的光电探测器功率合成阵列。本文阵列结构如图3所示。

图3 级联光电探测器扩大带宽的n元T型阵列结构

该阵列结构每个单一的π型单元会有两条支路输出电流，但整个阵列结构的电流不能在同相位上叠加，本文采取的是加入光馈入网络以使光延时与电延时相等以实现输出电流在同相位上叠加[8]，光电流在每条支路上的时间常数延迟延时e为（光延时时间为0）：

整个阵列结构的截止频率为：

（4）

2 高功率的π型阵列结构设计及原理

2.1 功率合成的同时实现带宽翻倍

将两个光电二极管级联后组成一个串型单元，然后将两个串型单元并联组成一个并型结构单元，将并型结构单元和一个与单个π型单元光电探测器的结电容值相同的电容级联，再与电感级联组成一个π型结构。将个T型结构级联组成元T型阵列结构如图4所示，将个π型结构级联组成元π型阵列结构如图5所示。

图4 n元T型阵列结构

图5 n元π型阵列结构

分析本文新提出的元π型阵列结构可知，并型单元的总结电容和单个π型单元的结电容相等，级联一个等值的结电容之后，图2电路结构的总结电容为d/2，在不改变电感值的情况下，整个阵列结构的截止频率为：

（6）

将个π型结构级联构成阵列结构，阵列结构中间支路会出现并型单元并联，并联之后总的结电容减少一半，但是在整个π型阵列结构中两端的结构并没有并联的，通过去掉与并型结构级联的电容让其整个结构的电容值和中间部分结构的电容值相等，同时可以减少功率的损耗，实验数据表明，的逐渐增大的同时，阵列结构的单条支路输出电流增大。实验表明在保持实现大的带宽的同时达到功率更高的合成，且元π型阵列结构输出功率要高于元T型阵列结构，但两者带宽相等。该阵列结构的带宽是经典的阵列结构带宽的两倍，和上文提出使用光电探测器代替电容的阵列结构的带宽相等，但是输出功率高于上文提出的阵列结构，但是该阵列结构的成本略高于上文提出的使用光电探测器代替电容阵列结构。

由于电流的延迟作用，通过在阵列结构中加入光馈入网络来实现电流的同相位合成。电路结构如图4、5所示的光输入时间延时。

元π型阵列结构中除阵列结构两端外任意单条支路上的电流为：

（7）

式中：为微波信号频率；为各光电二极管支路输出之间的光时延差；为探测器的响应率；out为每条支路总输出光功率；为探测器输出支路数，为便于计算取+2条支路（包括两端支路）；为从左到右输出支路的序号。

其中0=e=保证各支路电流的同相位合成。

各支路电流之和sum为：

总的输出电流：

（9）

2.2 以光电探测器代替级联电容保证带宽不变的情况下实现更高的功率合成

2.1中提出级联电容的方式以实现带宽增倍，但会损耗部分功率，基于2.1中给出的理论提出以光电探测器代替电容的方式实现功率的更高的合成，同时实现带宽的一致。如图6所示。

图6 级联光电探测器代替电容的n元π型阵列结构

该π型阵列结构输出功率高于用光电探测器代替电容之前的π型的阵列结构，两者带宽一致。该电路结构输出电流中设有+2条支路，总共有5+8个光电探测器，单个光电探测器的输出电流为（out为输入光电二极管总光功率）：

（10）

使用光电探测器代替级联的电容后输出的总的电流为：

即为：

（12）

3 仿真与结果分析

3.1 π型阵列单元基本原理仿真分析

本文电容采取是0.2 pF，电感值由公式（2）可计算得为500 pH。级联电容和级联光电探测器时整个π型阵列结构输出光电流如图7所示（时间延时由公式（3）可得为10 ps）。

图7为四元阵列结构输出光电流比。从实验结果可以得出，级联光电探测器输出电流要远高于级联电容，级联光电探测器时不仅可以使总的结电容减少一半，同时级联的光电探测器本身可以输出电流，级联光电探测器输出电流将近是级联电容输出电流的2倍。图8为两种阵列结构的带宽，结果表明级联光电探测器π型阵列结构的带宽是经典阵列结构带宽的两倍。

1——级联电容；2——级联光电探测器

1——经典π型；2——级联光电探测器π型

3.2 高功率π型阵列结构仿真结果分析

分析二元π型阵列结构中级联电容与级联光电探测器时阵列结构输出电流值，当级联光电探测器时输出电流比级联电容输出电流高，高出的电流值为单个光电探测器输出电流。如图9所示。

1——级联电容；2——级联光电探测器

从实验数据分析，以二元光电阵列结构为代表，使用光电探测器代替电容时，阵列结构中共2个电容被两个光电探测器代替，而光电探测器本身可以输出电流，实际增加电流为4个光电探测器输出电流。如图9所示的实验数据，阵列结构中被光电探测器代替后共有18个光电探测器，总输出电流为723 mA，每个光电探测器输出电流约为40.1 mA，直接使用电容输出总电流约为587 mA。使用光电探测器代替电容增加的输出电流刚好为4个光电探测器输出电流。元结构以此类推。使用光电探测器输出电流总值可以根据公式（12）可求得。

π型阵列结构与T型阵列结构在不考虑π型是否级联电容与电感的情况下分析。统一考虑级联光电探测器的情况下T型与π型阵列结构输出电流如图10、11所示。

1——T型阵列；2——π型阵列

1——T型阵列；2——π型阵列

高性能阵列结构的每一个并型结构单元都有串联一个等电容值的结电容，会导致功率的损耗，但是π型阵列结构的两端并没有增加电容，两端输出的电流填补损耗的电流使每条支路的电流增加，使用光电探测器可以实现更高的功率合成。如图10，11通过仿真结果四元与八元阵列结构数据分析可得π型阵列结构输出电流比T型阵列结构电流要高，八元阵列结构输出电流是四元阵列结构输出电流的两倍。以四元阵列结构为例分析π型阵列结构与T型阵列结构输出电流大小关系，四元T型阵列结构共有四个并型结构，输出总电流为739 mA，每个并型结构共有五个光电探测器，且输出电流为184.75 mA。四元π型阵列结构总输出电流为1 296 mA，共六个并型结构单元和π型阵列结构两端的结构单元。四元π型阵列结构比T型阵列结构高出电流为2个并型结构与π型阵列结构两端的结构输出的电流之和，理论与仿真数据吻合。八元阵列结构同理，以此类推元阵列结构，π型阵列结构输出电流比T型阵列结构高出的电流为–2（大于2）个并型结构与π型阵列结构两端的结构输出的电流之和。由于输出功率与电流的平方成正比，即随的增大，π型阵列结构输出功率高于T型阵列结构输出功率。

4 结论

为满足光载无线通信系统对高功率、大带宽的需求，本文采取对经典π型结构重新设计成高性能的π型阵列结构，对原有π型阵列结构为实现带宽增加而级联电容，提出使用光电探测器代替电容使在带宽维持不变的情况下输出功率更高的π型阵列结构。实验表明级联光电探测器输出功率高。同时提出了一种新的输出高功率的π型阵列结构，即将两个光电二极管级联之后并联，再分别与光电探测器级联代替只有一个单独的光电探测器，可实现更大的功率合成以及实现在经典π型阵列结构的基础上带宽扩大2倍，且将该阵列结构与已有的T型阵列结构相比较，在保证带宽一致的情况下π型阵列结构输出功率更大。

T型阵列结构的成本要低于π型阵列结构，实际情况中可以根据具体情况酌情使用π型阵列结构还是T型阵列结构。当考虑成本问题，且实际需求功率不是很高的情况下可以采取只使用一个单独光电探测器构成的π行阵列结构。若对功率需求很高时可以采取新型的高功率的π型阵列结构，即将两个光电二极管级联之后并联，再与光电探测器级联代替单一的光电探测器构成的π型阵列结构。本文提出的对阵列结构的输出功率有很大改善，但是对ROF系统对高功率大带宽的需求而言仍有很大改善的空间。

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（编辑：顾德恩）

Design and research of high power π-type array structure

XU Minsong, WEN Huafeng, KE Ang, LONG Dangui

(School of Information Science and Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, Zhejiang Province, China)

Aiming at the trade-off between high power and large bandwidth of photodetector for ROF base station, the photoelectric detector was used in the original π structure instead of cascade capacitor to achieve greater power synthesis. At the same time, the new π array structure was put forward. And the two photoelectric detectors were connected in parallel to form a parallel structure using the two cascaded photoelectric detectors. The parallel type structural units with a photodetector were cascaded, and then a π-type structural unit was formed. Theπ-type structural units are cascaded to form a π-type array structure. There are two branches in parallel in the middle part of π-type array structure. So, the total capacitance increases. The capacitance of each branch of the array structure is equalized by removing the cascade capacitor at both ends of the-element array structure while power loss is reduced. As a result, the output power of π-type array structure is higher than that of T-type array structure.

power synthesis; parallel type structure; power loss; photodetector; π-type array structure; T-type array structure

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.02.013

TN29；O453

A

1001-2028（2017）02-0059-06

2016-11-21

文化锋

国家自然科学基金资助（No. 61371061）；浙江省自然科学基金资助（No. LY12F01010）；浙江省重中之重学科开放基金资助项目（No. xkxl1537）

文化锋（1963－），男，甘肃庆阳人，副教授，博士，主要研究方向为光载无线通信，E-mail: wenhuafeng@nbu.edu.cn ；徐敏松（1990－），男，湖北黄石人，研究生，主要研究方向为光载无线通信，E-mail:1561017270@qq.com。

网络出版时间：2017-02-14 15:13:48

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170214.1513.013.html