【應用】如何正確選擇BiasT

  一、BiasT簡介

  1.1 BiasT定義

  BiasT(直流偏置器)是一種三端口網(wǎng)絡器件，三個端口分別是射頻端口RF、直流偏置端口DC和射頻直流端口RF&DC。因為這3個端口經(jīng)常以T的形狀排列，所以被稱為BiasT。

  BiasT的DC端口由一個饋電電感組成，用于添加直流偏置，防止RF端口的交流信號泄露到供電系統(tǒng)，理想條件下，DC端不會對射頻端信號造成任何影響;RF端口由一個阻擋電容組成，用于輸入射頻信號，同時可以阻擋偏置端口的直流電壓;RF&DC端口連接到設備，該設備可以同時看到直流偏置電壓和射頻信號。如果BiasT內(nèi)部器件選擇超寬帶、接近理想化、沒有諧振點的高頻電感和電容，那么當BiasT用于設置某些電子元件的直流偏置點時，不會干擾其他元件。

  圖1-1 BiasT內(nèi)部結構示意圖

  1.2 BiasT指標

  對BiasT來說，較為重要的指標是DC端偏置電壓與電流;RF端與DC端隔離度;RF帶寬、群時延、插入損耗和回波損耗等，接下來會分別講解每個指標的含義。

  1.2.1 DC端偏置電流

  DC端偏置電流是從DC端輸入，經(jīng)過電感的電流，主要受到DC端口電感能承受電流最大值的限制。DC端偏置電流的值越大代表指標越好。當實際電流超過偏置電流的上限時，DC端口的電感處于電流飽和狀態(tài)。BiasT的性能在這種狀態(tài)下會受到影響，器件可能會因電流過大而損壞，導致BiasT無法正常工作。

  1.2.2 RF端與DC端隔離度

  隔離度指的是電感阻止RF端口的射頻信號流向DC端口的能力，單位通常用dB表示。理論上隔離度越大越好。如果某個BiasT的隔離度指標較差，射頻信號會泄露進入供電系統(tǒng)，對系統(tǒng)性能造成影響。如圖1-2所示為RF端與DC端隔離度示意圖，圖中RF端口的輸入信號功率是40dBm，當隔離度為10dB的時候，在DC端接收到的信號功率為30dBm，相當于1W，可能會對供電系統(tǒng)造成不可修復的損傷;當隔離度為40dBm的時候，在DC端接收到的信號功率為0dBm，相當于1mW，不會對供電系統(tǒng)造成干擾或損傷。

  圖1-2 RF端與DC端隔離度示意圖

  1.2.3 插入損耗

  BiasT的插入損耗是指在RF輸入端和RF&DC端之間的信號衰減量，單位通常用dB表示。插入損耗的表達公式：

  (公式1)

  其中Ut為發(fā)射信號電壓，Ur為接收信號電壓。

  插入損耗可以用網(wǎng)絡分析儀的S21參數(shù)進行評估，插入損耗反映了系統(tǒng)傳輸路徑的情況，插入損耗的數(shù)值越小代表指標越好。如圖1-3所示為典型的BiasT的S21參數(shù)測試圖，從圖中可以看出在5GHz的頻點，BiasT的插損約為0.5dB;在30GHz的頻點，BiasT的插損約為1.3dB。0.5dB<1.3dB，說明5GHz的插損指標更好，插入損耗的絕對值值越小代表指標越好。

  圖1-3 S21參數(shù)測試圖

  1.2.4 RF帶寬

  RF帶寬是上限3dB截止點和下限3dB截止點之間的頻率范圍，即BiasT的通頻帶。3dB頻率截止點是相對于通頻帶內(nèi)平均功率衰減了3dB的點。RF的帶寬越寬越好。如果信號頻率范圍超出了BiasT的通頻帶，BiasT通頻帶外的信號就會被大量衰減。

  圖1-4 RF帶寬示意圖

  如圖1-4所示為RF帶寬示意圖，從圖中可知上限3dB截止點約為15GHz，下限3dB截止點約為7GHz，所以通頻帶從7GHz到15GHz。如果一個5GHz的信號輸入該設備，信號將會被衰減15dB，如果一個10GHz的信號輸入該設備，信號僅衰減1dB，即RF通頻帶內(nèi)信號衰減少，通頻帶外信號大量衰減?？梢缘贸?，RF帶寬越大，允許正常通過的信號頻率范圍越大。

  1.2.5 回波損耗

  回波損耗(return loss)又被稱為反射損耗，是傳輸線端口的反射波功率與入射波功率之比，以對數(shù)形式表示，單位是dB，一般是負值，可以用網(wǎng)絡分析儀的S11和S22參數(shù)進行評估。回波損耗是用來衡量鏈路阻抗不匹配情況的指標，回波損耗不合格，意味著數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)處在阻抗失配狀態(tài)?；夭〒p耗的數(shù)值越低代表回波損耗越小，信號反射量與信號失真越少。一般情況，回波損耗保持在-20dB到-40dB之間，其公式如下：

 (公式2)

  其中，RL為return loss的縮寫，P反射指的是反射信號的功率，P入射指的是入射信號的功率。

  如圖1-5所示為典型的BiasT回波損耗參數(shù)測試圖。圖中可以看出，在25GHz頻點時回波損耗=-10dB，說明反射了1/10的功率;在5GHz頻點時回波損耗為-20dB，代表反射了1%的功率，即回波損耗數(shù)值越小越好。

  圖1-5 S11參數(shù)測試圖

  1.2.6 群時延

  群時延即系統(tǒng)在某頻率處的相位(相移)對于頻率的變化率。寬帶信號經(jīng)過媒質(zhì)傳輸路徑或設備中的線性元件時，其各個頻譜分量的相速不同，元器件對各頻譜分量的響應也不一樣,這都會引起到達接收端的信號因各頻率分量的相移或時延不同而產(chǎn)生相位關系的紊亂,即相位失真。理想的群時延曲線應該是一條沒有波動的直線。群時延的振動幅度越小越好。

  對于BiasT來說，群時延越小，信號的影響也就越小。假如某接入系統(tǒng)的BiasT群時延很大，會導致信號的相位失真，在示波器上可以觀測到明顯的相移。

  圖1-6為某BiasT群時延測試圖。

  圖1-6 群時延測試圖

  1.3 BiasT應用

  BiasT可應用于從芯片到測試測量設備與系統(tǒng)的所有領域。BiasT主要應用于對晶體管或放大器電路供電，對電光調(diào)制器和激光器進行驅動。

  1.3.1 寬帶放大器

  BiasT可以用于寬帶放大器的饋電，是一項十分成熟的應用。輸出端需要供電的放大器要求添加BiasT，給放大器提供穩(wěn)定的工作條件。

  圖1-7 放大器與BiasT示意圖

  如圖1-7所示需要偏置器的放大器電路示意圖。圖中，在放大器的輸出端添加了BiasT，用于輸出端饋電。

  當放大器需要添加BiasT進行饋電的時候，重點關注BiasT的某些指標：BiasT通頻帶、RF端輸入功率最大值、S21參數(shù)、S22參數(shù)、S11參數(shù)、上升下降時間和抖動等。

  選購BiasT的時候，第一步應該確定放大器的頻率范圍與BiasT的頻率范圍。如圖1-8所示為放大器與BiasT連接的頻帶示意圖，圖中放大器的頻率范圍從40kHz到40GHz，BiasT的頻率范圍從50kHz到18GHz，兩者連接后，通帶為兩者頻率范圍的重疊部分。在BiasT的帶外如18GHz到40GHz，信號會有很大的損耗，無法達到放大器的預期效果。所以在選擇BiasT的時候要確保BiasT的通頻帶范圍要大于等于寬帶放大器的頻率范圍。

  圖1-8 放大器與BiasT頻率范圍示意圖

  選購BiasT的第二步，查看放大器最大輸出功率，對比BiasT的RF端輸入功率最大值。圖1-9為放大器最大輸入功率與BiasT示意圖，圖中放大器輸出最大功率值為60dBm，而BiasT的最大輸入功率只有30dBm，最終的輸出端無法得到預期的60dBm的輸出，并且放大器輸出的信號功率也有可能損傷該BiasT器件，所以在選購BiasT的時候，要確保BiasT最大輸入功率值要大于放大器的最大輸出功率值。

 

圖1-9 1dB壓縮點與BiasT圖

  選購BiasT的第三步，查看放大器增益(GAIN)，對比BiasT的S21參數(shù)指標。

  經(jīng)過前兩步的篩選，可以保證BiasT能夠應用于放大器。BiasT給放大器饋電，兩者在同一傳輸鏈路中，最終的增益是兩者S21參數(shù)的疊加。如圖1-10所示為放大器與BiasT在傳輸鏈路中的示意圖。當放大器增益為10dB，BiasT的插損為-1dB時，最終輸出的增益為9dB。選擇BiasT的時候要關注S21參數(shù)的最大插損，將放大器增益與BiasT插損疊加得出最終輸出的增益值，用以判斷是否符合使用要求。

  圖1-10 S21參數(shù)疊加示意圖

  選購BiasT的第四步，對比各廠家BiasT的S22、S11參數(shù)。圖1-11展示了信號進入BiasT與信號從BiasT向外輸出時回波損耗的情況，當放大器的輸出進入BiasT的時候，實際輸入進去的功率P傳輸=Pin-P反射，P反射越大則S11參數(shù)越大，實際傳輸進入BiasT的信號強度越小。同樣，P傳輸=Pout+P反射，P反射越大則S22參數(shù)越大，實際從BiasT輸出的信號強度越小。所以S11、S22參數(shù)越小越好。

  圖1-11 S22、S11示意圖

  選購BiasT第五步，查看各廠家BiasT的上升時間/下降時間與抖動，因為放大器和BiasT在同一條信號鏈路之中，上升下降時間和抖動會累積疊加，公式為：

  (公式3)

  Tr1為BiasT的上升時間，Tr2為放大器的上升時間，下降時間和抖動與此類似。

  所以只需要關注BIas-tee的上升下降時間與抖動的數(shù)值，數(shù)值越小代表指標越好。

  1.3.2 電光調(diào)制器驅動

  BiasT可以用于電光調(diào)制器的直流偏置端口，是一項十分成熟的應用，BiasT已成為電光調(diào)制器的必備組件。在電光調(diào)制過程中，BiasT扮演著至關重要的角色。如圖1-13所示為BiasT驅動電光調(diào)制器的示意圖，BiasT的RF端作為調(diào)制器的數(shù)據(jù)輸入源，DC端作為MZM偏置調(diào)節(jié)的供電輸入，RF&DC端把信號輸入調(diào)制器，完成電光調(diào)制。可以看出沒有BiasT就無法完成電光調(diào)制器的調(diào)制。

  圖1-13 BiasT與電光調(diào)制器示意圖

  電光調(diào)制器的直流偏置端口電壓和電光帶寬是電光調(diào)制器的關鍵指標，應與之對比的指標是BiasT的頻率范圍。比如某款電光調(diào)制器的電光帶寬是0.15GHz至10GHz，如果BiasT的頻率范圍是從10MHz到4.2GHz，那么在4.2GHz到10GHz之間的頻率范圍將無法正常調(diào)制。

  1.3.3 激光器驅動

  BiasT可以用于驅動激光器，是一種成熟的應用。激光器對過電流、過電壓以及靜電干擾極為敏感。因此，需要穩(wěn)定的工作條件與可靠的數(shù)據(jù)輸入，目前主流的解決辦法是使用BiasT進行激光器驅動。圖1-14為 BiasT與激光器驅動示意圖，激光器所需驅動電流通過偏置器DC端注入，所需的通信數(shù)據(jù)通過RF端口注入。

 

 圖1-14 BiasT與激光器驅動示意圖

  激光器有以下幾個關鍵指標：閾值電流、操作電流、操作電壓、調(diào)制頻率。當考慮到激光器的調(diào)制頻率時，需要關注的是BiasT的頻率范圍，假如激光器的調(diào)制頻率范圍是>100MHz,而BiasT的頻率范圍是從500MHz到40GHz。那么從100MHz到500MHz頻率之間的信號會被急劇衰減，導致這一段的信號無法正常輸入到激光器中，無法實現(xiàn)調(diào)制的目的?？梢缘贸鼋Y論，應當選取頻率范圍大于激光器的調(diào)制頻率的BiasT。

  當考慮到激光二極管的閾值電流和工作電流的時候，需要關注的BiasT的指標是DC端最大電流值。激光二極管閾值電流就是激光二極管可以產(chǎn)生激光的最小電流值，當電流低于閾值電流時，激光器無法發(fā)射激光。當BiasT的最大電流值大于激光二極管的工作電流時，激光二極管可以正常工作。

  圖1-15 激光二極管電流與光輸出特性曲線示意圖

  如圖1-15所示為激光二極管的電流與光輸出特性曲線示意圖，可以看出激光二極管的正向電流在小于閾值電流的時候光輸出很低，當正向電流增大到一定程度后激光二極管才可以穩(wěn)定工作?？梢缘贸鼋Y論，BiasT的DC端最大電流應大于工作電流，才能保證激光器正常工作。

  二、對比與結論

  圖2-1 各廠家BiasT指標對比

  圖2-1為各廠家BiasT指標對比，可以看出中星聯(lián)華科技的BiasT各項指標較為優(yōu)異，可以有效滿足您的性能需求和成本需求。