徐敏松，文化鋒，柯 昂，龍丹桂

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高功率π型陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

徐敏松，文化鋒，柯 昂，龍丹桂

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

針對ROF基站需要高功率、大帶寬的光電探測器的問題，在原有π型結(jié)構(gòu)中使用光電探測器代替級聯(lián)的電容實現(xiàn)更大的功率合成。同時提出新型π陣列結(jié)構(gòu)，即將兩個光電探測器級聯(lián)之后再將兩個級聯(lián)的光電探測器并聯(lián)構(gòu)成并型結(jié)構(gòu)，將該并型結(jié)構(gòu)單元和一個光電探測器級聯(lián)與電感連接構(gòu)成一個π型結(jié)構(gòu)單元，將個π型結(jié)構(gòu)單元級聯(lián)構(gòu)成π型陣列結(jié)構(gòu)，π型陣列結(jié)構(gòu)中間部分有兩條支路并聯(lián)總電容增加，在元陣列結(jié)構(gòu)兩端通過去掉級聯(lián)電容以使陣列結(jié)構(gòu)每條支路結(jié)電容相等同時減少功率損耗。元π型陣列結(jié)構(gòu)輸出功率高于同種類型T型陣列結(jié)構(gòu)。

功率合成；并型結(jié)構(gòu)；功率損耗；光電探測器；π型陣列結(jié)構(gòu)；T型陣列結(jié)構(gòu)

光載無線通信(ROF)是一種光和微波結(jié)合的技術(shù)，應(yīng)高速大容量無線通信需求，新發(fā)展起來的將光纖通信和無線通信相結(jié)合起來的無線接入技術(shù)。在ROF系統(tǒng)中運用光纖作為基站(BTS)與中心站(CS)之間的傳輸鏈路，直接利用光載波來傳輸射頻信號，光纖傳輸?shù)纳漕l（或毫米波）信號提高了無線帶寬，但天線發(fā)射后在大氣中的損耗會增大，這就要求在ROF系統(tǒng)中有高速大功率的光電探測器來驅(qū)動天線[1]。由于基站的結(jié)構(gòu)比較簡化，可以適當增加基站的個數(shù)使組網(wǎng)更加靈活，ROF基站中的核心組件是光電探測器，但是光電探測器輸出的功率低、帶寬小，通常需要借助毫米波功放來放大光電探測器輸出的射頻信號。目前，通過改變單個光電探測器結(jié)構(gòu)和材料來提高光電探測器的功率和帶寬已經(jīng)相當成熟。但是對單個光電探測器性能的改善達到的效率是有限的。對多個光電探測器進行組合的功率合成電路主要有兩類：一類是行波光電探測陣列功率合成[2-4]，將光電探測器以T型方式組合實現(xiàn)高功率和大帶寬的需求；一類是線性級聯(lián)近彈道單行載流子光電二極管功率合成[5-7]，單行載流子采用垂直方向耦合器來解決傳統(tǒng)光波導(dǎo)探測器光電流分布不均勻的問題，同時解決了垂直表面入射式光電探測器響應(yīng)度與響應(yīng)速度相互制約的問題，并在其中引入單行載流子(Uni-Traveling-Carrier, UTC)結(jié)構(gòu)，使之實現(xiàn)高速大功率工作。由于傳統(tǒng)經(jīng)典的π型陣列結(jié)構(gòu)在高功率大帶寬上不能做到同時滿足，在實現(xiàn)大帶寬的同時功率往往無法達到要求，本文對原有π型陣列結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)實現(xiàn)高功率的合成，即在已有π型陣列結(jié)構(gòu)上使用光電探測器代替電容，以達到高功率大帶寬的要求，并且在減少功率損耗的同時實現(xiàn)最大功率合成。同時提出將兩個光電探測器級聯(lián)之后并聯(lián)再和一個單獨的光電探測器級聯(lián)構(gòu)成一個并型結(jié)構(gòu)單元接入電路中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的只使用一個光電探測器的陣列結(jié)構(gòu)，輸出功率遠高于傳統(tǒng)的陣列結(jié)構(gòu)，且元π型陣列結(jié)構(gòu)輸出功率高于元T型陣列結(jié)構(gòu)。

1 基本原理

1.1 經(jīng)典π型陣列單元基本原理

單個π型光電探測器是在電感互聯(lián)的人工傳輸線上嵌入光電探測器形成的陣列結(jié)構(gòu)電路，再由兩端各接入一個50 Ω的負載阻抗和一個50 Ω的阻抗匹配終端電阻組成，如圖1所示。

圖1 n元π型陣列結(jié)構(gòu)

光電探測器的信號光電流分別流向兩個負載阻抗分流，導(dǎo)致信號電流只有一半流入到負載，這種探測器帶寬由探測器載流子結(jié)電容和負載阻抗的RC時間常量決定[8]，探測器響應(yīng)的截止頻率c為：

式中：d是光電二極管的結(jié)電容；1是匹配負載阻抗。

該陣列單元的特性阻抗1為電感與電容之比，即：

式中：為每個濾波器部分的電感。

1.2 級聯(lián)電容與光電探測器擴大帶寬實現(xiàn)高功率合成

為在實現(xiàn)功率合成的同時實現(xiàn)功率帶寬增加為原有帶寬π型陣列結(jié)構(gòu)的兩倍，提出陣列結(jié)構(gòu)如圖2所示的元陣列結(jié)構(gòu)。將一個與光電二極管的結(jié)電容等值的電容和光電二極管串聯(lián)，同時減少電感為原有電感的一半，以實現(xiàn)負載終端匹配。

圖2 級聯(lián)電容擴大帶寬的n元T型陣列結(jié)構(gòu)

該陣列結(jié)構(gòu)會因為級聯(lián)電容而損失部分功率，使輸出功率并不夠高。本文采取將電容用光電探測器代替，在保證與原有陣列結(jié)構(gòu)相等帶寬的同時實現(xiàn)更高的功率合成。且該π型陣列結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)高功率合成，在元陣列結(jié)構(gòu)兩端支路采取的是直接使用一個光電探測器，在陣列結(jié)構(gòu)中，中間部分支路是兩個光電二極管級聯(lián)，每條支路上實際有兩條級聯(lián)的光電探測器并聯(lián)，則總的結(jié)電容和單個光電探測器的結(jié)電容相等，滿足終端負載匹配?；讦行徒Y(jié)構(gòu)的光電探測器功率合成陣列[9-10]采取的是中間支路使用一個光電探測器，但是將結(jié)電容減少一半，兩端采取的是兩個光電探測器級聯(lián)光電探測器減少一半來達到終端負載匹配。本文采取的結(jié)構(gòu)在輸出功率上要高于基于π型結(jié)構(gòu)的光電探測器功率合成陣列。本文陣列結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 級聯(lián)光電探測器擴大帶寬的n元T型陣列結(jié)構(gòu)

該陣列結(jié)構(gòu)每個單一的π型單元會有兩條支路輸出電流，但整個陣列結(jié)構(gòu)的電流不能在同相位上疊加，本文采取的是加入光饋入網(wǎng)絡(luò)以使光延時與電延時相等以實現(xiàn)輸出電流在同相位上疊加[8]，光電流在每條支路上的時間常數(shù)延遲延時e為（光延時時間為0）：

整個陣列結(jié)構(gòu)的截止頻率為：

（4）

2 高功率的π型陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

2.1 功率合成的同時實現(xiàn)帶寬翻倍

將兩個光電二極管級聯(lián)后組成一個串型單元，然后將兩個串型單元并聯(lián)組成一個并型結(jié)構(gòu)單元，將并型結(jié)構(gòu)單元和一個與單個π型單元光電探測器的結(jié)電容值相同的電容級聯(lián)，再與電感級聯(lián)組成一個π型結(jié)構(gòu)。將個T型結(jié)構(gòu)級聯(lián)組成元T型陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示，將個π型結(jié)構(gòu)級聯(lián)組成元π型陣列結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 n元T型陣列結(jié)構(gòu)

圖5 n元π型陣列結(jié)構(gòu)

分析本文新提出的元π型陣列結(jié)構(gòu)可知，并型單元的總結(jié)電容和單個π型單元的結(jié)電容相等，級聯(lián)一個等值的結(jié)電容之后，圖2電路結(jié)構(gòu)的總結(jié)電容為d/2，在不改變電感值的情況下，整個陣列結(jié)構(gòu)的截止頻率為：

（6）

將個π型結(jié)構(gòu)級聯(lián)構(gòu)成陣列結(jié)構(gòu)，陣列結(jié)構(gòu)中間支路會出現(xiàn)并型單元并聯(lián)，并聯(lián)之后總的結(jié)電容減少一半，但是在整個π型陣列結(jié)構(gòu)中兩端的結(jié)構(gòu)并沒有并聯(lián)的，通過去掉與并型結(jié)構(gòu)級聯(lián)的電容讓其整個結(jié)構(gòu)的電容值和中間部分結(jié)構(gòu)的電容值相等，同時可以減少功率的損耗，實驗數(shù)據(jù)表明，的逐漸增大的同時，陣列結(jié)構(gòu)的單條支路輸出電流增大。實驗表明在保持實現(xiàn)大的帶寬的同時達到功率更高的合成，且元π型陣列結(jié)構(gòu)輸出功率要高于元T型陣列結(jié)構(gòu)，但兩者帶寬相等。該陣列結(jié)構(gòu)的帶寬是經(jīng)典的陣列結(jié)構(gòu)帶寬的兩倍，和上文提出使用光電探測器代替電容的陣列結(jié)構(gòu)的帶寬相等，但是輸出功率高于上文提出的陣列結(jié)構(gòu)，但是該陣列結(jié)構(gòu)的成本略高于上文提出的使用光電探測器代替電容陣列結(jié)構(gòu)。

由于電流的延遲作用，通過在陣列結(jié)構(gòu)中加入光饋入網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)電流的同相位合成。電路結(jié)構(gòu)如圖4、5所示的光輸入時間延時。

元π型陣列結(jié)構(gòu)中除陣列結(jié)構(gòu)兩端外任意單條支路上的電流為：

（7）

式中：為微波信號頻率；為各光電二極管支路輸出之間的光時延差；為探測器的響應(yīng)率；out為每條支路總輸出光功率；為探測器輸出支路數(shù)，為便于計算取+2條支路（包括兩端支路）；為從左到右輸出支路的序號。

其中0=e=保證各支路電流的同相位合成。

各支路電流之和sum為：

總的輸出電流：

（9）

2.2 以光電探測器代替級聯(lián)電容保證帶寬不變的情況下實現(xiàn)更高的功率合成

2.1中提出級聯(lián)電容的方式以實現(xiàn)帶寬增倍，但會損耗部分功率，基于2.1中給出的理論提出以光電探測器代替電容的方式實現(xiàn)功率的更高的合成，同時實現(xiàn)帶寬的一致。如圖6所示。

圖6 級聯(lián)光電探測器代替電容的n元π型陣列結(jié)構(gòu)

該π型陣列結(jié)構(gòu)輸出功率高于用光電探測器代替電容之前的π型的陣列結(jié)構(gòu)，兩者帶寬一致。該電路結(jié)構(gòu)輸出電流中設(shè)有+2條支路，總共有5+8個光電探測器，單個光電探測器的輸出電流為（out為輸入光電二極管總光功率）：

（10）

使用光電探測器代替級聯(lián)的電容后輸出的總的電流為：

即為：

（12）

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 π型陣列單元基本原理仿真分析

本文電容采取是0.2 pF，電感值由公式（2）可計算得為500 pH。級聯(lián)電容和級聯(lián)光電探測器時整個π型陣列結(jié)構(gòu)輸出光電流如圖7所示（時間延時由公式（3）可得為10 ps）。

圖7為四元陣列結(jié)構(gòu)輸出光電流比。從實驗結(jié)果可以得出，級聯(lián)光電探測器輸出電流要遠高于級聯(lián)電容，級聯(lián)光電探測器時不僅可以使總的結(jié)電容減少一半，同時級聯(lián)的光電探測器本身可以輸出電流，級聯(lián)光電探測器輸出電流將近是級聯(lián)電容輸出電流的2倍。圖8為兩種陣列結(jié)構(gòu)的帶寬，結(jié)果表明級聯(lián)光電探測器π型陣列結(jié)構(gòu)的帶寬是經(jīng)典陣列結(jié)構(gòu)帶寬的兩倍。

1——級聯(lián)電容；2——級聯(lián)光電探測器

1——經(jīng)典π型；2——級聯(lián)光電探測器π型

3.2 高功率π型陣列結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果分析

分析二元π型陣列結(jié)構(gòu)中級聯(lián)電容與級聯(lián)光電探測器時陣列結(jié)構(gòu)輸出電流值，當級聯(lián)光電探測器時輸出電流比級聯(lián)電容輸出電流高，高出的電流值為單個光電探測器輸出電流。如圖9所示。

1——級聯(lián)電容；2——級聯(lián)光電探測器

從實驗數(shù)據(jù)分析，以二元光電陣列結(jié)構(gòu)為代表，使用光電探測器代替電容時，陣列結(jié)構(gòu)中共2個電容被兩個光電探測器代替，而光電探測器本身可以輸出電流，實際增加電流為4個光電探測器輸出電流。如圖9所示的實驗數(shù)據(jù)，陣列結(jié)構(gòu)中被光電探測器代替后共有18個光電探測器，總輸出電流為723 mA，每個光電探測器輸出電流約為40.1 mA，直接使用電容輸出總電流約為587 mA。使用光電探測器代替電容增加的輸出電流剛好為4個光電探測器輸出電流。元結(jié)構(gòu)以此類推。使用光電探測器輸出電流總值可以根據(jù)公式（12）可求得。

π型陣列結(jié)構(gòu)與T型陣列結(jié)構(gòu)在不考慮π型是否級聯(lián)電容與電感的情況下分析。統(tǒng)一考慮級聯(lián)光電探測器的情況下T型與π型陣列結(jié)構(gòu)輸出電流如圖10、11所示。

1——T型陣列；2——π型陣列

1——T型陣列；2——π型陣列

高性能陣列結(jié)構(gòu)的每一個并型結(jié)構(gòu)單元都有串聯(lián)一個等電容值的結(jié)電容，會導(dǎo)致功率的損耗，但是π型陣列結(jié)構(gòu)的兩端并沒有增加電容，兩端輸出的電流填補損耗的電流使每條支路的電流增加，使用光電探測器可以實現(xiàn)更高的功率合成。如圖10，11通過仿真結(jié)果四元與八元陣列結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析可得π型陣列結(jié)構(gòu)輸出電流比T型陣列結(jié)構(gòu)電流要高，八元陣列結(jié)構(gòu)輸出電流是四元陣列結(jié)構(gòu)輸出電流的兩倍。以四元陣列結(jié)構(gòu)為例分析π型陣列結(jié)構(gòu)與T型陣列結(jié)構(gòu)輸出電流大小關(guān)系，四元T型陣列結(jié)構(gòu)共有四個并型結(jié)構(gòu)，輸出總電流為739 mA，每個并型結(jié)構(gòu)共有五個光電探測器，且輸出電流為184.75 mA。四元π型陣列結(jié)構(gòu)總輸出電流為1 296 mA，共六個并型結(jié)構(gòu)單元和π型陣列結(jié)構(gòu)兩端的結(jié)構(gòu)單元。四元π型陣列結(jié)構(gòu)比T型陣列結(jié)構(gòu)高出電流為2個并型結(jié)構(gòu)與π型陣列結(jié)構(gòu)兩端的結(jié)構(gòu)輸出的電流之和，理論與仿真數(shù)據(jù)吻合。八元陣列結(jié)構(gòu)同理，以此類推元陣列結(jié)構(gòu)，π型陣列結(jié)構(gòu)輸出電流比T型陣列結(jié)構(gòu)高出的電流為–2（大于2）個并型結(jié)構(gòu)與π型陣列結(jié)構(gòu)兩端的結(jié)構(gòu)輸出的電流之和。由于輸出功率與電流的平方成正比，即隨的增大，π型陣列結(jié)構(gòu)輸出功率高于T型陣列結(jié)構(gòu)輸出功率。

4 結(jié)論

為滿足光載無線通信系統(tǒng)對高功率、大帶寬的需求，本文采取對經(jīng)典π型結(jié)構(gòu)重新設(shè)計成高性能的π型陣列結(jié)構(gòu)，對原有π型陣列結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)帶寬增加而級聯(lián)電容，提出使用光電探測器代替電容使在帶寬維持不變的情況下輸出功率更高的π型陣列結(jié)構(gòu)。實驗表明級聯(lián)光電探測器輸出功率高。同時提出了一種新的輸出高功率的π型陣列結(jié)構(gòu)，即將兩個光電二極管級聯(lián)之后并聯(lián)，再分別與光電探測器級聯(lián)代替只有一個單獨的光電探測器，可實現(xiàn)更大的功率合成以及實現(xiàn)在經(jīng)典π型陣列結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上帶寬擴大2倍，且將該陣列結(jié)構(gòu)與已有的T型陣列結(jié)構(gòu)相比較，在保證帶寬一致的情況下π型陣列結(jié)構(gòu)輸出功率更大。

T型陣列結(jié)構(gòu)的成本要低于π型陣列結(jié)構(gòu)，實際情況中可以根據(jù)具體情況酌情使用π型陣列結(jié)構(gòu)還是T型陣列結(jié)構(gòu)。當考慮成本問題，且實際需求功率不是很高的情況下可以采取只使用一個單獨光電探測器構(gòu)成的π行陣列結(jié)構(gòu)。若對功率需求很高時可以采取新型的高功率的π型陣列結(jié)構(gòu)，即將兩個光電二極管級聯(lián)之后并聯(lián)，再與光電探測器級聯(lián)代替單一的光電探測器構(gòu)成的π型陣列結(jié)構(gòu)。本文提出的對陣列結(jié)構(gòu)的輸出功率有很大改善，但是對ROF系統(tǒng)對高功率大帶寬的需求而言仍有很大改善的空間。

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（編輯：顧德恩）

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

文化鋒

國家自然科學(xué)基金資助（No. 61371061）；浙江省自然科學(xué)基金資助（No. LY12F01010）；浙江省重中之重學(xué)科開放基金資助項目（No. xkxl1537）

文化鋒（1963－），男，甘肅慶陽人，副教授，博士，主要研究方向為光載無線通信，E-mail: wenhuafeng@nbu.edu.cn ；徐敏松（1990－），男，湖北黃石人，研究生，主要研究方向為光載無線通信，E-mail:1561017270@qq.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-02-14 15:13:48

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