如何正确选择射频电路的直流偏置器BiasTee?

BiasT(直流偏置器)是一种三端口网络器件,三个端口分别是射频端口RF、直流偏置端口DC和射频直流端口RF&DC。因为这3个端口经常以T的形状排列,所以被称为BiasT。

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  BiasT的DC端口由一个馈电电感组成,用于添加直流偏置,防止RF端口的交流信号泄露到供电系统,理想条件下,DC端不会对射频端信号造成任何影响;RF端口由一个阻挡电容组成,用于输入射频信号,同时可以阻挡偏置端口的直流电压;RF&DC端口连接到设备,该设备可以同时看到直流偏置电压和射频信号。如果BiasT内部器件选择超宽带、接近理想化、没有谐振点的高频电感和电容,那么当BiasT用于设置某些电子元件的直流偏置点时,不会干扰其他元件。

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图1-1 BiasT内部结构示意图

  对BiasT来说,较为重要的指标是DC端偏置电压与电流;RF端与DC端隔离度;RF带宽、群时延、插入损耗和回波损耗等,接下来会分别讲解每个指标的含义。

1.2.1 DC端偏置电流

  DC端偏置电流是从DC端输入,经过电感的电流,主要受到DC端口电感能承受电流最大值的限制。DC端偏置电流的值越大代表指标越好。当实际电流超过偏置电流的上限时,DC端口的电感处于电流饱和状态。BiasT的性能在这种状态下会受到影响,器件可能会因电流过大而损坏,导致BiasT无法正常工作。

1.2.2 RF端与DC端隔离度

  隔离度指的是电感阻止RF端口的射频信号流向DC端口的能力,单位通常用dB表示。理论上隔离度越大越好。如果某个BiasT的隔离度指标较差,射频信号会泄露进入供电系统,对系统性能造成影响。如图1-2所示为RF端与DC端隔离度示意图,图中RF端口的输入信号功率是40dBm,当隔离度为10dB的时候,在DC端接收到的信号功率为30dBm,相当于1W,可能会对供电系统造成不可修复的损伤;当隔离度为40dBm的时候,在DC端接收到的信号功率为0dBm,相当于1mW,不会对供电系统造成干扰或损伤。

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  图1-2 RF端与DC端隔离度示意图

1.2.3 插入损耗

  BiasT的插入损耗是指在RF输入端和RF&DC端之间的信号衰减量,单位通常用dB表示。插入损耗的表达公式:

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 (公式1)

  其中Ut为发射信号电压,Ur为接收信号电压。

  插入损耗可以用网络分析仪的S21参数进行评估,插入损耗反映了系统传输路径的情况,插入损耗的数值越小代表指标越好。如图1-3所示为典型的BiasT的S21参数测试图,从图中可以看出在5GHz的频点,BiasT的插损约为0.5dB;在30GHz的频点,BiasT的插损约为1.3dB。0.5dB<1.3dB,说明5GHz的插损指标更好,插入损耗的绝对值值越小代表指标越好。

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图1-3 S21参数测试图

1.2.4 RF带宽

  RF带宽是上限3dB截止点和下限3dB截止点之间的频率范围,即BiasT的通频带。3dB频率截止点是相对于通频带内平均功率衰减了3dB的点。RF的带宽越宽越好。如果信号频率范围超出了BiasT的通频带,BiasT通频带外的信号就会被大量衰减。

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图1-4 RF带宽示意图

  如图1-4所示为RF带宽示意图,从图中可知上限3dB截止点约为15GHz,下限3dB截止点约为7GHz,所以通频带从7GHz到15GHz。如果一个5GHz的信号输入该设备,信号将会被衰减15dB,如果一个10GHz的信号输入该设备,信号仅衰减1dB,即RF通频带内信号衰减少,通频带外信号大量衰减。可以得出,RF带宽越大,允许正常通过的信号频率范围越大。

1.2.5 回波损耗

  回波损耗(return loss)又被称为反射损耗,是传输线端口的反射波功率与入射波功率之比,以对数形式表示,单位是dB,一般是负值,可以用网络分析仪的S11和S22参数进行评估。回波损耗是用来衡量链路阻抗不匹配情况的指标,回波损耗不合格,意味着数据传输系统处在阻抗失配状态。回波损耗的数值越低代表回波损耗越小,信号反射量与信号失真越少。一般情况,回波损耗保持在-20dB到-40dB之间,其公式如下:

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(公式2)

  其中,RL为return loss的缩写,P反射指的是反射信号的功率,P入射指的是入射信号的功率。

  如图1-5所示为典型的BiasT回波损耗参数测试图。图中可以看出,在25GHz频点时回波损耗=-10dB,说明反射了1/10的功率;在5GHz频点时回波损耗为-20dB,代表反射了1%的功率,即回波损耗数值越小越好。

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图1-5 S11参数测试图

1.2.6 群时延

  群时延即系统在某频率处的相位(相移)对于频率的变化率。宽带信号经过媒质传输路径或设备中的线性元件时,其各个频谱分量的相速不同,元器件对各频谱分量的响应也不一样,这都会引起到达接收端的信号因各频率分量的相移或时延不同而产生相位关系的紊乱,即相位失真。理想的群时延曲线应该是一条没有波动的直线。群时延的振动幅度越小越好。

  对于BiasT来说,群时延变化越小,信号的影响也就越小。假如某接入系统的BiasT群时延变化很大,会导致信号的相位失真,在示波器上可以观测到明显的相移。

  图1-6为某BiasT群时延测试图。

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图1-6 群时延测试图

  BiasT可应用于从芯片到测试测量设备与系统的所有领域。BiasT主要应用于对晶体管或放大器电路供电,对电光调制器和激光器进行驱动。

1.3.1 宽带放大器

  BiasT可以用于宽带放大器的馈电,是一项十分成熟的应用。输出端需要供电的放大器要求添加BiasT,给放大器提供稳定的工作条件。

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图1-7 放大器与BiasT示意图

  如图1-7所示需要偏置器的放大器电路示意图。图中,在放大器的输出端添加了BiasT,用于输出端馈电。

  当放大器需要添加BiasT进行馈电的时候,重点关注BiasT的某些指标:BiasT通频带、RF端输入功率最大值、S21参数、S22参数、S11参数、上升下降时间和抖动等。

选购BiasT的时候,第一步应该确定放大器的频率范围与BiasT的频率范围。如图1-8所示为放大器与BiasT连接的频带示意图,图中放大器的频率范围从40kHz到40GHz,BiasT的频率范围从50kHz到18GHz,两者连接后,通带为两者频率范围的重叠部分。在BiasT的带外如18GHz到40GHz,信号会有很大的损耗,无法达到放大器的预期效果。所以在选择BiasT的时候要确保BiasT的通频带范围要大于等于宽带放大器的频率范围。

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图1-8 放大器与BiasT频率范围示意图

  选购BiasT的第二步,查看放大器最大输出功率,对比BiasT的RF端输入功率最大值。图1-9为放大器最大输入功率与BiasT示意图,图中放大器输出最大功率值为60dBm,而BiasT的最大输入功率只有30dBm,最终的输出端无法得到预期的60dBm的输出,并且放大器输出的信号功率也有可能损伤该BiasT器件,所以在选购BiasT的时候,要确保BiasT最大输入功率值要大于放大器的最大输出功率值。

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图1-9 1dB压缩点与BiasT图

  选购BiasT的第三步,查看放大器增益(GAIN),对比BiasT的S21参数指标。

  经过前两步的筛选,可以保证BiasT能够应用于放大器。BiasT给放大器馈电,两者在同一传输链路中,最终的增益是两者S21参数的叠加。如图1-10所示为放大器与BiasT在传输链路中的示意图。当放大器增益为10dB,BiasT的插损为-1dB时,最终输出的增益为9dB。选择BiasT的时候要关注S21参数的最大插损,将放大器增益与BiasT插损叠加得出最终输出的增益值,用以判断是否符合使用要求。

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图1-10 S21参数叠加示意图

  选购BiasT的第四步,对比各厂家BiasT的S22、S11参数。图1-11展示了信号进入BiasT与信号从BiasT向外输出时回波损耗的情况,当放大器的输出进入BiasT的时候,实际输入进去的功率P传输=Pin-P反射,P反射越大则S11参数越大,实际传输进入BiasT的信号强度越小。同样,P传输=Pout+P反射,P反射越大则S22参数越大,实际从BiasT输出的信号强度越小。所以S11、S22参数越小越好。

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图1-11 S22、S11示意图

  选购BiasT第五步,查看各厂家BiasT的上升时间/下降时间与抖动,因为放大器和BiasT在同一条信号链路之中,上升下降时间和抖动会累积叠加,公式为:

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(公式3)

  Tr1为BiasT的上升时间,Tr2为放大器的上升时间,下降时间和抖动与此类似。

  所以只需要关注BIas-tee的上升下降时间与抖动的数值,数值越小代表指标越好。

1.3.2 电光调制器驱动

  BiasT可以用于电光调制器的直流偏置端口,是一项十分成熟的应用,BiasT已成为电光调制器的必备组件。在电光调制过程中,BiasT扮演着至关重要的角色。如图1-13所示为BiasT驱动电光调制器的示意图,BiasT的RF端作为调制器的数据输入源,DC端作为MZM偏置调节的供电输入,RF&DC端把信号输入调制器,完成电光调制。可以看出没有BiasT就无法完成电光调制器的调制。

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图1-13 BiasT与电光调制器示意图

  电光调制器的直流偏置端口电压和电光带宽是电光调制器的关键指标,应与之对比的指标是BiasT的频率范围。比如某款电光调制器的电光带宽是0.15GHz至10GHz,如果BiasT的频率范围是从10MHz到4.2GHz,那么在4.2GHz到10GHz之间的频率范围将无法正常调制。

1.3.3 激光器驱动

  BiasT可以用于驱动激光器,是一种成熟的应用。激光器对过电流、过电压以及静电干扰极为敏感。因此,需要稳定的工作条件与可靠的数据输入,目前主流的解决办法是使用BiasT进行激光器驱动。图1-14为 BiasT与激光器驱动示意图,激光器所需驱动电流通过偏置器DC端注入,所需的通信数据通过RF端口注入。

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图1-14 BiasT与激光器驱动示意图

  激光器有以下几个关键指标:阈值电流、操作电流、操作电压、调制频率。当考虑到激光器的调制频率时,需要关注的是BiasT的频率范围,假如激光器的调制频率范围是>100MHz,而BiasT的频率范围是从500MHz到40GHz。那么从100MHz到500MHz频率之间的信号会被急剧衰减,导致这一段的信号无法正常输入到激光器中,无法实现调制的目的。可以得出结论,应当选取频率范围大于激光器的调制频率的BiasT。

  当考虑到激光二极管的阈值电流和工作电流的时候,需要关注的BiasT的指标是DC端最大电流值。激光二极管阈值电流就是激光二极管可以产生激光的最小电流值,当电流低于阈值电流时,激光器无法发射激光。当BiasT的最大电流值大于激光二极管的工作电流时,激光二极管可以正常工作。

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BiasT(直流偏置器)是一种三端口网络器件,三个端口分别是射频端口RF、直流偏置端口DC和射频直流端口RF&DC。因为这3个端口经常以T的形状排列,所以被称为BiasT。

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2019年5月8日 14:34
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