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(jì)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(duì)ROF基站需要高功率、大帶寬的光電探測(cè)器的問(wèn)題，在原有π型結(jié)構(gòu)中使用光電探測(cè)器代替級(jí)聯(lián)的電容實(shí)現(xiàn)更大的功率合成。同時(shí)提出新型π陣列結(jié)構(gòu)，即將兩個(gè)光電探測(cè)器級(jí)聯(lián)之后再將兩個(gè)級(jí)聯(lián)的光電探測(cè)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(gè)光電探測(cè)器級(jí)聯(lián)與電感連接構(gòu)成一個(gè)π型結(jié)構(gòu)單元，將個(gè)π型結(jié)構(gòu)單元級(jí)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(guò)去掉級(jí)聯(lián)電容以使陣列結(jié)構(gòu)每條支路結(jié)電容相等同時(shí)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(cè)器；π型陣列結(jié)構(gòu)；T型陣列結(jié)構(gòu)

光載無(wú)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(wú)線通信需求，新發(fā)展起來(lái)的將光纖通信和無(wú)線通信相結(jié)合起來(lái)的無(wú)線接入技術(shù)。在ROF系統(tǒng)中運(yùn)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(lái)傳輸射頻信號(hào)，光纖傳輸?shù)纳漕l（或毫米波）信號(hào)提高了無(wú)線帶寬，但天線發(fā)射后在大氣中的損耗會(huì)增大，這就要求在ROF系統(tǒng)中有高速大功率的光電探測(cè)器來(lái)驅(qū)動(dòng)天線[1]。由于基站的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)化，可以適當(dāng)增加基站的個(gè)數(shù)使組網(wǎng)更加靈活，ROF基站中的核心組件是光電探測(cè)器，但是光電探測(cè)器輸出的功率低、帶寬小，通常需要借助毫米波功放來(lái)放大光電探測(cè)器輸出的射頻信號(hào)。目前，通過(guò)改變單個(gè)光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)和材料來(lái)提高光電探測(cè)器的功率和帶寬已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是對(duì)單個(gè)光電探測(cè)器性能的改善達(dá)到的效率是有限的。對(duì)多個(gè)光電探測(cè)器進(jìn)行組合的功率合成電路主要有兩類：一類是行波光電探測(cè)陣列功率合成[2-4]，將光電探測(cè)器以T型方式組合實(shí)現(xiàn)高功率和大帶寬的需求；一類是線性級(jí)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(lái)解決傳統(tǒng)光波導(dǎo)探測(cè)器光電流分布不均勻的問(wèn)題，同時(shí)解決了垂直表面入射式光電探測(cè)器響應(yīng)度與響應(yīng)速度相互制約的問(wèn)題，并在其中引入單行載流子(Uni-Traveling-Carrier, UTC)結(jié)構(gòu)，使之實(shí)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(shí)滿足，在實(shí)現(xiàn)大帶寬的同時(shí)功率往往無(wú)法達(dá)到要求，本文對(duì)原有π型陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)實(shí)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(cè)器代替電容，以達(dá)到高功率大帶寬的要求，并且在減少功率損耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大功率合成。同時(shí)提出將兩個(gè)光電探測(cè)器級(jí)聯(lián)之后并聯(lián)再和一個(gè)單獨(dú)的光電探測(cè)器級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)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(gè)光電探測(cè)器的陣列結(jié)構(gòu)，輸出功率遠(yuǎn)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(gè)π型光電探測(cè)器是在電感互聯(lián)的人工傳輸線上嵌入光電探測(cè)器形成的陣列結(jié)構(gòu)電路，再由兩端各接入一個(gè)50 Ω的負(fù)載阻抗和一個(gè)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(cè)器的信號(hào)光電流分別流向兩個(gè)負(fù)載阻抗分流，導(dǎo)致信號(hào)電流只有一半流入到負(fù)載，這種探測(cè)器帶寬由探測(cè)器載流子結(jié)電容和負(fù)載阻抗的RC時(shí)間常量決定[8]，探測(cè)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(fù)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(gè)濾波器部分的電感。

1.2 級(jí)聯(lián)電容與光電探測(cè)器擴(kuò)大帶寬實(shí)現(xiàn)高功率合成

為在實(shí)現(xiàn)功率合成的同時(shí)實(shí)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(gè)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(shí)減少電感為原有電感的一半，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載終端匹配。

圖2 級(jí)聯(lián)電容擴(kuò)大帶寬的n元T型陣列結(jié)構(gòu)

該陣列結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)榧?jí)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(cè)器代替，在保證與原有陣列結(jié)構(gòu)相等帶寬的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的功率合成。且該π型陣列結(jié)構(gòu)為實(shí)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(gè)光電探測(cè)器，在陣列結(jié)構(gòu)中，中間部分支路是兩個(gè)光電二極管級(jí)聯(lián)，每條支路上實(shí)際有兩條級(jí)聯(lián)的光電探測(cè)器并聯(lián)，則總的結(jié)電容和單個(gè)光電探測(cè)器的結(jié)電容相等，滿足終端負(fù)載匹配?；讦行徒Y(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器功率合成陣列[9-10]采取的是中間支路使用一個(gè)光電探測(cè)器，但是將結(jié)電容減少一半，兩端采取的是兩個(gè)光電探測(cè)器級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器減少一半來(lái)達(dá)到終端負(fù)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(cè)器功率合成陣列。本文陣列結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器擴(kuò)大帶寬的n元T型陣列結(jié)構(gòu)

該陣列結(jié)構(gòu)每個(gè)單一的π型單元會(huì)有兩條支路輸出電流，但整個(gè)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(shí)與電延時(shí)相等以實(shí)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(shí)間常數(shù)延遲延時(shí)e為（光延時(shí)時(shí)間為0）：

整個(gè)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(jì)及原理

2.1 功率合成的同時(shí)實(shí)現(xiàn)帶寬翻倍

將兩個(gè)光電二極管級(jí)聯(lián)后組成一個(gè)串型單元，然后將兩個(gè)串型單元并聯(lián)組成一個(gè)并型結(jié)構(gòu)單元，將并型結(jié)構(gòu)單元和一個(gè)與單個(gè)π型單元光電探測(cè)器的結(jié)電容值相同的電容級(jí)聯(lián)，再與電感級(jí)聯(lián)組成一個(gè)π型結(jié)構(gòu)。將個(gè)T型結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)組成元T型陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示，將個(gè)π型結(jié)構(gòu)級(jí)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(gè)π型單元的結(jié)電容相等，級(jí)聯(lián)一個(gè)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(gè)陣列結(jié)構(gòu)的截止頻率為：

（6）

將個(gè)π型結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)構(gòu)成陣列結(jié)構(gòu)，陣列結(jié)構(gòu)中間支路會(huì)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(gè)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(guò)去掉與并型結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)的電容讓其整個(gè)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(shí)可以減少功率的損耗，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，的逐漸增大的同時(shí)，陣列結(jié)構(gòu)的單條支路輸出電流增大。實(shí)驗(yàn)表明在保持實(shí)現(xiàn)大的帶寬的同時(shí)達(dá)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(cè)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(cè)器代替電容陣列結(jié)構(gòu)。

由于電流的延遲作用，通過(guò)在陣列結(jié)構(gòu)中加入光饋入網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)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(shí)間延時(shí)。

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

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(cè)器代替級(jí)聯(lián)電容保證帶寬不變的情況下實(shí)現(xiàn)更高的功率合成

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

圖6 級(jí)聯(lián)光電探測(cè)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(cè)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(gè)光電探測(cè)器，單個(gè)光電探測(cè)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(cè)器代替級(jí)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(jì)算得為500 pH。級(jí)聯(lián)電容和級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器時(shí)整個(gè)π型陣列結(jié)構(gòu)輸出光電流如圖7所示（時(shí)間延時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器輸出電流要遠(yuǎn)高于級(jí)聯(lián)電容，級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器時(shí)不僅可以使總的結(jié)電容減少一半，同時(shí)級(jí)聯(lián)的光電探測(cè)器本身可以輸出電流，級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器輸出電流將近是級(jí)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(jí)聯(lián)光電探測(cè)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(jí)聯(lián)電容；2——級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器

1——經(jīng)典π型；2——級(jí)聯(lián)光電探測(cè)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(jí)聯(lián)電容與級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器時(shí)陣列結(jié)構(gòu)輸出電流值，當(dāng)級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器時(shí)輸出電流比級(jí)聯(lián)電容輸出電流高，高出的電流值為單個(gè)光電探測(cè)器輸出電流。如圖9所示。

1——級(jí)聯(lián)電容；2——級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器

從實(shí)驗(yàn)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(cè)器代替電容時(shí)，陣列結(jié)構(gòu)中共2個(gè)電容被兩個(gè)光電探測(cè)器代替，而光電探測(cè)器本身可以輸出電流，實(shí)際增加電流為4個(gè)光電探測(cè)器輸出電流。如圖9所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，陣列結(jié)構(gòu)中被光電探測(cè)器代替后共有18個(gè)光電探測(cè)器，總輸出電流為723 mA，每個(gè)光電探測(cè)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(cè)器代替電容增加的輸出電流剛好為4個(gè)光電探測(cè)器輸出電流。元結(jié)構(gòu)以此類推。使用光電探測(cè)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(jí)聯(lián)電容與電感的情況下分析。統(tǒng)一考慮級(jí)聯(lián)光電探測(cè)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(gè)并型結(jié)構(gòu)單元都有串聯(lián)一個(gè)等電容值的結(jié)電容，會(huì)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(bǔ)損耗的電流使每條支路的電流增加，使用光電探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)更高的功率合成。如圖10，11通過(guò)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(gè)并型結(jié)構(gòu)，輸出總電流為739 mA，每個(gè)并型結(jié)構(gòu)共有五個(gè)光電探測(cè)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(gè)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(gè)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(gè)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(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)高功率、大帶寬的需求，本文采取對(duì)經(jīng)典π型結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)成高性能的π型陣列結(jié)構(gòu)，對(duì)原有π型陣列結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)帶寬增加而級(jí)聯(lián)電容，提出使用光電探測(cè)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(shí)驗(yàn)表明級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器輸出功率高。同時(shí)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(gè)光電二極管級(jí)聯(lián)之后并聯(lián)，再分別與光電探測(cè)器級(jí)聯(lián)代替只有一個(gè)單獨(dú)的光電探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)更大的功率合成以及實(shí)現(xiàn)在經(jīng)典π型陣列結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上帶寬擴(kuò)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(shí)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(dāng)考慮成本問(wèn)題，且實(shí)際需求功率不是很高的情況下可以采取只使用一個(gè)單獨(dú)光電探測(cè)器構(gòu)成的π行陣列結(jié)構(gòu)。若對(duì)功率需求很高時(shí)可以采取新型的高功率的π型陣列結(jié)構(gòu)，即將兩個(gè)光電二極管級(jí)聯(lián)之后并聯(lián)，再與光電探測(cè)器級(jí)聯(lián)代替單一的光電探測(cè)器構(gòu)成的π型陣列結(jié)構(gòu)。本文提出的對(duì)陣列結(jié)構(gòu)的輸出功率有很大改善，但是對(duì)ROF系統(tǒng)對(duì)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(guó)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(xiàng)目（No. xkxl1537）

文化鋒（1963－），男，甘肅慶陽(yáng)人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)楣廨d無(wú)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?yàn)楣廨d無(wú)線通信，E-mail:1561017270@qq.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-02-14 15:13:48

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