基于光器件调制的高增益射频放大电路研究

席 鹏 李晓东

（1．浙江九州量子信息技术股份有限公司研发部，浙江 杭州 311215；2．浙江高速信息工程技术有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

宽带射频放大电路在线性射频放大、激光雷达、射频通信和光学器件调制中具有重要作用。在传统通信行业中，窄频带信号放大电路的应用频率较多，但这种应用对输出电压的摆幅要求不是很高。而该设计中的功率放大电路主要针对量子加密中光学器件调制的应用，由于该驱动的输入信号源要求是随机数，该驱动将随机数放大后施加在光学器件上，使光学器件携带上随机数信息，使得随机数可以在光纤中传输。因此，该驱动对频带和幅值都提出了新的要求，高频带、高摆幅的驱动也应运而生。此外，考虑到光纤通信的安全性高，所以光纤通信在信息保密领域中有很大的应用前景。因此，对光器件调制电路的研究与设计就变得非常有意义。

在光通信中，整个系统的性能可以由许多参数来决定。这些参数包括调制带宽、功耗、消光比以及调制幅度等。在实际应用过程中，为了满足系统对带宽的需求，信号链路的带宽必须能够覆盖整个频带范围。因此，该文主要的研究方向集中在调制器驱动电路的带宽和摆幅上。

1 系统方案

在通信系统中，由于光学器件受工艺、电压、温度和封装等因素的影响，半波电压等参数会发生一定的变化，而驱动幅值恰恰是根据光学器件的半波电压来进行调制的。该文设计的调制电路主要是让信号适应强度的变化，摆幅大小是可调节的。

针对光学器件调制所需的信号指标，对该设计提出以下3个性能要求。1）可调电压增益-5 dB～28 dB。2）输出电压摆幅范围0～10 V峰峰值电压，噪声RMS＜300 mV。3）系统通频带范围0～6 GHz，通频带内增益平坦度≤±2 dB。

1.1 方案比较

方案一：利用固定增益放大器与电阻网络衰减实现。该方案的电路简单、成本低，后级电阻网络的衰减很难与阻抗匹配，导致信号反射严重失真，同时在高频电路中电阻易产生热噪声，且电阻在高频时有电容、电感特性，会引起信号质量问题。方案二：选择数模转换器作为随机数信号发生器，通过调节数模转换器的输出幅值来匹配光学器件的半波电压值，这种方式对于衰减调节很难控制，同时高速数模转换器的价格昂贵，对主控要求高。方案三：利用压控可调增益衰减器与两级固定增益放大器级联实现，通过程控调节衰减量来调制最终链路的增益。该方法调节方便且精确可控，在宽频带内线性度好。从实现效果、实现成本角度综合考虑上述3种方案，该设计选用方案三。

1.2 方案三描述

系统主要由4个部分构成，它们分别是压控可调增益衰减器、固定增益前放、固定增益后放、可编程数模转换器。该设计方案中选择压控可调增益衰减器RFSA2013，衰减器后端接入两级固定增益的放大器，后放输出通过同轴线缆连到需要调制的光学器件上。具体实现方案如图1所示，压控可调增益衰减器的作用就是控制电压，衰减器的衰减量随着控制电压的变化而变化，这样极大地提高了设计的灵活性。

图1 功能框图

2 理论分析与计算

2.1 射频放大器主要指标分析

2.1.1 带宽

3 dB带宽通常指功率谱密度的最高点下降到一半时界定的频率范围。在宽带射频功率放大器中，带宽很大程度上决定了输出信号的沿有多快。

2.1.2 S参数

S参数也叫散射参数，它在射频微波电路中的应用极为常见，并且可以通过网络分析仪等直接测量得到。S21、S11和S22，即功率增益和输入输出反射水平。该设计中的S参数选型尤为重要，因为涉及多级射频放大器的级联，如果S11和S22的参数不理想，会导致信号在级联间来回反射，最终导致输出信号的沿不单调，幅度平坦度差[1]。

2.1.3 1 d B压缩点输出功率P 1 d B

随着输入功率的不断增加，功放输出功率同样也会增加，但增加到一定程度后就会缓缓进入饱和状态，当输出功率的增益低至1dB时，该处的点对应着1 dB压缩点，该点也经常用来衡量功率放大器的线性度。该设计在选型时需要重点考虑P1dB压缩点，输出功率定为27 dbm。

2.1.4 饱和输出功率

在输入功率达到某一特定的数值后，再增加其数值也不会得到更大的输出功率。这个功率数值称之为饱和输出功率。

2.1.5 增益平坦度

增益平坦度指的是工作频带内最高增益与最低增益的差值（用dB表示）。宽带功率放大器在正常工作状态下，不同频率下的增益会有微小差异，而这个差异也就会影响最终宽带信号的质量。

2.2 阻抗设计

该设计的输入信号通过50 Ω阻抗的同轴线缆接入，且衰减器和固定增益放大器的输入输出阻抗以及布线阻抗也是50 Ω，这样就可以保证信号链路阻抗的一致性。

2.3 偏置电路

射频功率放大电路通常需要设计直流偏置网络，使射频功率放大器能在给定的电压电流状态下工作，为功率放大器提供一个合适的静态工作点。如果直流偏置电路设计不当，会影响功率放大器的功率、增益、噪声系数等，甚至会造成放大器或者整个电路工作不稳定。该设计通过锥型电感加射频电感提供直流偏置，搭建一个Bias-Tee电路，同时直流输入端加多颗旁路电容，该Bias-Tee电路在0～6 GHz通频带内的插入损耗小于0.2 dB[2]。

2.4 选型对比

根据引言提出的设计要求，固定增益前级射频放大器的选型考虑参数包括3点。1）工作频率涵盖0～6 GHz。2）增益＞16 dB。3）增益平坦度≤±1 dB。根据以上要求，从射频放大器的知名供应商中初步筛选出以下满足性能要求的型号：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+进行对比分析。后级放大器主要考虑带宽涵盖0～6 GHz甚至更宽、增益＞16 dB、P1db输出功率＞27 dbm。此外，考虑与前级放大器的级联设计，后级放大器选型时，S11和S22参数需要＞15 dB，可以降低因S11和S22参数引入的级间反射。初步筛选出一些型号后，下载仿真模型进行前期软件仿真验证。

2.5 增益理论计算

该设计的输入随机源信号电平约400 mV峰峰值电压即-1 dbm，因为设计要求最终放大器输出电压范围0～10 V即0～+27 dbm，经计算链路增益要求在-5 dB～+28 dB可调。

可调增益衰减器RFSA2013的插入损耗可通过施加不同的控制电压来实现衰减量在-2 dB～-30 dB可调，最终推算出两级射频放大器的增益需满足≥30 dB。

3 A D S软件仿真验证

为了验证初步筛选的射频放大器能够满足系统的设计要求，先通过ADS进行前仿。信号源采用1 Gbps的PRBS23伪随机编码，该随机码理论上能够覆盖0～1 Gbps频带内的随机数，因仿真未引入衰减器，特减去衰减器的固有衰减量2 dB，将实际400 mV峰峰值电压的信号源幅值降到230 mV峰峰值，信号上升沿、下降沿设成60 ps，该信号源的幅值和上升沿、下降沿速度基本与实际应用中的随机源参数一致。数据源通过一定长度的阻抗线经过100 nF的耦合电容后进入RFSA2013衰减器，衰减器输出接100 nF耦合电容后进入固定增益射频前放，射频前放的输出再连接射频后放，最终射频后放的输出接100 nF耦合电容后接入负载端进行光器件调制。

为尽量接近驱动电路在级联情况下的工作状态，特搭建了仿真电路进行瞬态仿真，并观察射频后放输出端的信号波形。最终两级放大后的输出摆幅达到10.5 V峰峰值电压。通过观察发现信号的上升沿、下降沿非常快，说明信号的带宽高。同时，观察信号平坦区的电平的波动情况，如果信号电平波动小，说明传递到放大器的输出端的过程中，带宽足够高且线性度好。经仿真波形确认最佳射频前放和射频后放级联组合。

4 电路板制作及实测

根据理论分析及仿真信号观察，得出2种性能较好的射频前放和射频后放组合，并制作电路板，进行最终性能实测。此时，电路板采用FPGA产生1 Gbps的PRBS31随机数信号源，将信号源接入电路板进行放大，最终射频放大器输出的信号经同轴电缆连接到示波器上进行观察分析。实测后放输出信号摆幅达到10.2 V峰峰值，且在该情况下信号噪声RMS为257.75 mV，性能达到预期。

5 结语

通过ADS理论仿真，对射频放大器进行初步筛选，然后根据筛选结果制作电路板，进行焊接实测的二次筛选，根据测试结果确定最优的方案。最终设计出了满足要求的高性能光学器件调制电路。

通过总结设计出的驱动器的整体性能，并与其他先进驱动器的性能参数进行对比。从中可看出，该驱动器在支持同样的带宽情况下，输出摆幅方面优于其他驱动器。此外，该驱动器在实现较大增益的情况下，还能保持非常好的线性度。