基于激光调制中射频定向耦合器与检波链路的电路研究

基于激光调制中射频定向耦合器与检波链路的电路研究

路春 王思佳 董艺

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176）

摘  要：定向耦合器与检波器在射频功率检测中起着举足轻重的作用，本文通过深入研究其理论及应用特点，设计了一种定向耦合器与检波器联合使用的检波电路，通过在一种半导体设备中应用，达到对激光相位调制的目的。在特定射频工作频段，该电路能够有效实现将主链路信号耦合到检波器前端，并通过检波器有效检波。该电路具有良好的灵敏度，通过实际检测，该电路能够有效的实现射频链路能量正常检测功能，为后续模拟处理电路提供有力支撑。

关键词：激光相位调制；定向耦合器；检波器

Research on the Circuit of RF Directional Coupler and Detection Link Based on Laser Modulation

Lu Chun, Wang Sijia, Dong Yi

( The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China)

Abstract: Directional couplers and detectors play a crucial role in RF power detection. Through in-depth research on their theory and application characteristics, this paper designs a detection circuit that combines directional couplers and detectors. By applying it in a semiconductor device, the purpose of laser phase modulation is achieved. In a specific RF operating frequency band, this circuit can effectively couple the main link signal to the front end of the detector and effectively detect through the detector. This circuit has good sensitivity. Through practical testing, this circuit can effectively achieve the normal detection function of RF link energy and provide strong support for subsequent analog processing circuits.

Keywords: laser phase modulation; Directional coupler; detector

光学相位调制技术在在光通信、光信号处理、微波信号处理等领域具有非常广泛的应用。近年来，随着半导体设备开发的迫切性，光信号的使用以及调制是非常重要的一个分支，而本文光信号的调制用到了大功率的射频功率产生设备，而定向耦合器与检波链路作为大功率射频板的核心器件，是很重要的一个微波组件。定向耦合器是用于高频系统的组件，被广泛用于控制系统，测量系统，以及滤波系统中，本文主要应用在测量系统，通过定向耦合器将主链路的能量经过定向耦合器耦合，而后利用检波链路实时检测主链路能量。通过该方法能够实现对激光进行良好调制，以备后续光路使用。

1系统分析

激光器具有高亮度、高相干性和高方向性等特点，在工业制造、航空航天、生物医疗等领域应用广泛。近年来随着 在材料与工艺等方面突破性进步，以半导体为工作物质的半导体激光器取得了一系列显著发展，其凭借体积小、效率高、寿命长、结构简单、成本可控、中心波长稳定等优点被广泛应用于光通信及传感等众多领域[1-2] ,光谱是描述激光特性的重要手段，谱宽是其中一项重要的参数，它能够全面地表征出激光在不同波长的功率分布情况。目前常用的半导体激光器线宽一般为几十MHz到几ｋHz不等，最窄可以达到百Hz以内，具有良好的单色性。然而，并非所有的应用 场景都需要窄线宽激光器，例如在干涉式光纤陀螺中，为了抑制背向散射和偏振耦合等引起的噪声和漂移，需要光源线宽为GHz甚至THz量级[3]，研究人员通常采用超辐射发光二极管或掺铒超荧光光纤光源等宽带光源而不是具备更优 波长稳定性的激光器。    

显然基于以上分析激光相位调制器的作用显而易见，下图通过optisystem软件的仿真结果发现，该调制方法可以通过对光学相位的调制实现对激光光谱的调制。

图1-1 相位调制光谱功能仿真示意图

图1-2 窄带光谱示意图                      图1-3 宽带光谱示意图

通过以上光谱调制结果与分析，项目设计框图如下所示。

图1-4 光调制系统概念图

2基于定向耦合器与检波链路设计

基于上述中相位调制器的关键作用，相位调制器的研究光学相位调制器在实际调制过程中起到举足轻重的作用，以下就是基于此需求，主要展开光学相位调制器中射频链路的研究。相位调制器能够发射大功率射频信号的设备，其主要原理框架如下图所示。

图2-1 基于定向耦合器与检波链路系统框架

该设计原理中主要是通过产生射频信号经过放大耦合后驱动光学相位调制器，然后调制激光相位，耦合器需要具有高方向性的要求，检波电路要求具有良好的线性度。

基于上述模型的详细原理图设计如下：

图2-2定向耦合器与检波链路设计原理图

2.1定向耦合器设计

定向耦合器是一种通用的微波/毫米波无源组件，经常用于信号的隔离、分离和混合，比如功率的监测、信号的传输等。定向耦合器发展历史悠久，种类繁多，随着技术的不断发展要求微波电路与系统小型化，带状线与微带线集成的传输线定向耦合器具有可靠的性能支撑使用，因此也被广泛应用，本文就是基于微带线实现设计[3]。

图2-3 定向耦合器设计示意图

定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合(分配)元件。它是一种四端口元件，通常如上图所示1端口为主信号输入，2端口为主信号输出，3端口为前向能量通路，4端口为负载端反射能量端口。定向耦合器的主要指标包括耦合度、隔离度、定向度、插入损耗、输入驻波比、工作频带组成。详细的参数定义如下文。

耦合度定义为3端口的输出功率和输入端口1的功率之比，记为：

                   (2-1)

隔离度定义为反向隔离端口4的输出功率和输入端口1的输入功率之比来计算，计为:

                   (2-2)

定向度也被叫做方向性，定义为反向隔离端口4输出功率和前向输出端口3的输出功率之比来计算，记为:

                 (2-3)

从上述计算表达式可以看出，其中；所以隔离度是由方向性与耦合度之和表示的。

插入损耗定义为直通端口2的输出功率和输入端口1的输入功率之比来计算，记为

                   (2-4)

从上述式子可以看出插入损耗可以评估主链路的能量损失，是耦合器中最重要的指标之一。

输入驻波比定位为端口2、3、4都接入匹配负载时端口1的驻波比，计作：

                          （2-5）

表2-1中展示了该设计中定向耦合器的关键指标参数。本设计中采用微带线仿真后移植与电路板中进行设计，板材采用RO4350B+TU752板材混压设计。

表2-1  微带线定向耦合器关键指标

2.2  检波链路设计

图2-4 检波通路电路设计

1）衰减器是控制射频主链路中能量的非常常规的能量变换方式。一般衰减器按照器件类型分为无源和有源两种，本文设计中采用的是无源衰减网络，按照无源器件的排列方式，分为“T”形、“π”形等等，很明显本文采用的是“π”形。通用π型衰减网络的模型如下所示：

图2-5 50Ω信号系统中π型衰减网络模型

目前结算衰减网络的参数计算软件有很多，通常我们按照上述构架直接输入阻值或者衰减值均能得出相应的衰减值与阻值，比如图2-4中的衰减网络，经过计算衰减值为9.7dB 。

表2-2 各节点输出功率水平汇总表

2）检波电路。检波电路采用AD8313检波器实现，利用对数放大器件，适用于100MHz到2.5GHz的信号测量，动态线性检波范围为–65 dBm ~ 0 dBm ，足够应对该设计的能量变化范围，该检波器件共有8个8dB的衰减单元，该检波器特性利用的是输出电压量正比于射频信号振幅的对数详细原理图设计如下。

图 2-6 检波器电路设计原理图

3测试结果分析

根据以上的电路设计图，对其实际结果进行测试，首先在AD8313的动态增益范围内，由信号发生器发生-90~0dBm，频率为1.75GHz的射频信号，在检波电路自身没有采用任何外围电路的前提下测试AD8313的检波曲线，根据AD8313的数据手册其灵敏度≈18m实际测试的曲线图与器手册一致，如图3-1所示。

图 3-1 检波器检波线性关系图     图 3-2实际信号功率与输出电压关系图

在测试完AD8313性能基础上，本设计的定向耦合器信号输入端1，输入-90~0dBm，频率为1.75GHz的射频信号14~39.2dBm信号，在板卡检波电路的输出端进行电压测量，得到测试结果如图3-2所示，从实验结果可以实际的灵敏度≈36

m，根据此可以对主链路功率实时监控。

4  结束语

文中根据光学相位调制器相位调试的需求，设计了一种用于相位调制的射频信号发射与检测中的检波链路，该链路基于定向耦合器与检波器联合实现，定向耦合器具有高方向性的特点，可达到25 可以有效的将能量传输到负载，从而高质量调制光信号相位。检波器设计具有良好的线性度，灵敏度≈36m，能够实现将高功率的主路射频信号转化为电压信号，具有良好的线性度，为后续模拟处理电路提供有力支撑。

参考文献:

[1]（陆丹，杨秋露，王皓，等 ）．Chinese Journal of Lasers (中国激光)，2020,47(7):0701001.

[2] Yao Y, Zou C, Yu H, Journal of Semiconductors,2018,39(11):114004.

[3]周 萌.带状线定向耦合器的分析与设计[D]. 西安电子科技大学 2009