阅读说明：本技术 具有非线性组件的分布式放大器 (Distributed amplifier with non-linear components ) 是由 卢卡·皮亚宗 于 2018-04-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种分布式放大器,例如,用于光发射器或用于雷达应用。与传统分布式放大器相比,本发明的分布式放大器具有改进的输出匹配组件。具体而言,所述分布式放大器包括：放大部分,具有与AC电压输入相连的输入线路和与负载相连的输出线路。此外,所述分布式放大器包括终接在所述输出线路的非线性组件,所述非线性组件等效于电阻,其电阻值根据所述组件两端的AC电压的增大而增大。(The present invention provides a distributed amplifier, for example for use in optical transmitters or for radar applications. The distributed amplifier of the present invention has improved output matching components compared to conventional distributed amplifiers. Specifically, the distributed amplifier includes: an amplifying section having an input line connected to the AC voltage input and an output line connected to the load. Furthermore, the distributed amplifier comprises a non-linear component terminated at the output line, the non-linear component being equivalent to a resistor, the resistance value of which increases in accordance with an increase in the AC voltage across the component.)

具有非线性组件的分布式放大器

技术领域

本发明涉及一种分布式放大器。本发明具体涉及增强终接在分布式放大器的输出线路的组件，该组件通常由输出匹配电阻器实现。例如，本发明的分布式放大器可用于驱动光发射器中的电光调制器(electro-optical modulator，EAM)，或者可应用于雷达应用中。

背景技术

传统分布式放大器如图8的框图所示。由三个主要块组成：放大部分，通常由晶体管组成；输入匹配电阻器RG，终接在分布式放大器的输入线路；输出匹配电阻器RD，终接在分布式放大器的输出线路。输出匹配电阻器RD通常与电容器CD相连，以避免电阻器RD上产生DC功耗。因此，分布式放大器的DC功耗由用于偏置组成放大部分的晶体管的电流Idd确定。

在实现传统分布式放大器时，需要找到给定DC功耗下输出电压摆幅和输出回损要求之间的最佳平衡。

通常选择能平衡上述两种情况方案来实现传统分布式放大器，即设置RD＞RL。在输出回损既不完全损耗也不为零的情况下，可能达到的最大输出电压为Vout_max＝Idd·(RD//RL)，即大于Idd(RL/2)但小于Idd·RL。

发明内容

鉴于上述缺点和平衡，需要改进传统的分布式放大器。目标是提供具有增大的最大输出电压，同时，具有优化或至少良好的输出回损的分布式放大器。此外，在不影响DC功耗的情况下，分布式放大器的失真应较小。

事实上，输出匹配电阻器RD的电阻值直接影响到定义的DC功耗可能达到的最大输出电压摆幅。例如，在RD＝RL的情况下，其中RL是与分布式放大器相连的输出负载的电阻，得到完全输出回损。然而，在这种情况下可能达到的最大输出电压是Vout_max＝Idd·(RL/2)。

相反，在RD＝∞(即开路)的情况下，完全没有输出回损，但此时可能达到的最大输出电压增加一倍，为Vout_max＝Idd·RL。

下文描述的放大器尤其适用于需要大宽频响应的发射器，例如用于光通信和雷达应用的发射器。大多数先进的光通信发射器方案要求放大器具有相匹配的输出阻抗。这是因为放大器的匹配输出阻抗吸收来自放大器本身与EAM之间的互连产生的反射，其中所述互连可以通过降低发射信号质量的焊丝和焊盘来实现。同样，大多数基于多天线波束成形的先进雷达技术需要具有匹配输出阻抗的放大器，以避免天线之间产生负载效应。

因此，本发明还提供一种发射器，具体是光发射器和用于雷达应用的发射器，其中本发明的分布式放大器用于信号放大。具体而言，分布式放大器应在发射器中提供匹配输出阻抗，以便获得用于光通信和雷达应用的较高性能发射器。

本发明的目的是通过所附独立权利要求中提供的方案实现的。从属权利要求中进一步定义了本发明的有利实现方式。

具体而言，非线性组件用于终接在输出线路，而不是传统的分布式放大器的输出匹配电阻器。

第一方面提供了一种分布式放大器，包括：放大部分，具有与AC电压输入相连的输入线路和与负载相连的输出线路；非线性组件，终接在所述输出线路，所述非线性组件等效于电阻，其电阻值根据所述组件两端的AC电压的增大而增大。

线性(电阻性)组件(例如传统分布式放大器的线性输出匹配电阻器)通常具有电压和电流的恒定比，所述比率与电压和电流的振幅无关。相反，非线性(电阻性)组件(例如第一方面的分布式放大器的非线性组件)通常具有电压和电流的比率，所述比率与电压振幅或电流振幅相关。从数学角度来看，所述非线性组件的等效电阻值是非线性组件两端的AC电压的单调递增函数。

不影响最大输出电压(如在所述传统分布式放大器中的那样)，所述非线性组件使所述第一方面的所述分布式放大器具有良好或甚至优化的输出回损。因此，所述第一方面的所述分布式放大器在所述传统分布式放大器基础上进行了改进，并且可用于实现较高性能发射器等。

值得注意的是，与所述放大部分的所述输出线路相连的负载不一定是所述分布式放大器的一部分。也就是说，负载可以与所述放大部分相连，也可以和所述放大部分不相连。例如，在发射器中，负载是与所述输出线路相连的EAM。

在所述第一方面的实现方式中，所述非线性组件具有在所述组件两端的大于第一阈值电压的AC电压下增大的等效电阻值。

例如，在一种实现方式中，所述非线性组件可以具有在所述组件两端的大于第一阈值电压的AC电压下比所述输出线路的特性阻抗更大的等效电阻值。

这里和下文中，所述输出线路的特性阻抗可以是构成所述分布式放大器的所述放大部分的输出侧组件的阻抗。在一种实现方式中，所述输出线路的所述特性阻抗可以是所述分布式放大器的所述放大部分的输出电感器和输出寄生电容器的阻抗。

在所述第一方面的另一实现方式中，所述非线性组件具有在所述组件两端的小于第二阈值电压的AC电压下保持恒定的等效电阻值。在一种实现方式中，所述电阻的常量值可以与所述输出线路的所述特性阻抗相匹配。

在另一实现方式中，所述非线性组件可以具有在所述组件两端的小于第二阈值电压的AC电压下与所述输出线路的所述特性阻抗相匹配的等效电阻值。

也就是说，所述非线性组件可能与所述输出负载在较小电压下的电阻相匹配，并且假设电阻值大于所述输出负载在较高电压下的电阻。例如，所述非线性组件的所述等效电阻可以具有较大电压的指数幂特性。

在所述第一方面的另一实现方式中，所述非线性组件是非线性电阻器。

这是非线性组件的最简单的实现方式。在这种情况下，非线性组件的等效电阻是通过所述组件给定电压下的电阻值。

在所述第一方面的另一实现方式中，所述非线性组件与所述组件两端的AC电压具有连续相关性。

这允许以最简单方式实现非线性组件。与AC电压的相关性也可以很谨慎，但在这种情况下，实现非线性组件要复杂一些。

在所述第一方面的另一实现方式中，所述非线性组件包括晶体管，具体是场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)。

然而，所述晶体管也可以基于得到类似结果的双极型晶体管(bipolar junctiontransistor，BJT)。

在所述第一方面的另一实现方式中，所述非线性组件还包括第一电阻器和第二电阻器。

这些电阻器用来调节非线性组件的等效电阻，并且可以避免负载效应。

在所述第一方面的另一实现方式中，所述晶体管的输入端通过电容器接地，所述晶体管的输出端与所述放大部分相连；所述晶体管的控制端通过所述第一电阻器与所述输入端相连，并通过所述第二电阻器与所述输出端相连。

提供了分布式放大器的一种实现方式，所述分布式放大器很容易与单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)技术一起使用。

在所述第一方面的另一实现方式中，所述晶体管的输入端与DC电压源相连，所述晶体管的输出端与所述放大部分相连；所述晶体管的控制端通过所述第一电阻器与所述输入端相连，并通过所述第二电阻器与所述输出端相连。

所述分布式放大器的这种实现方式允许避免使用连接在所述非线性组件和地之间的电容器。

在所述第一方面的另一实现方式中，所述第一电阻器和所述第二电阻器的电阻分别大于所述非线性组件的所述等效电阻。

从而避免了负载效应。

在所述第一方面的另一实现方式中，所述分布式放大器在MMIC中实现。

第二方面提供了一种发送设备，具体是光发射器，包括根据所述第一方面或其任何实现方式所述的分布式放大器。

基于所述第一方面的所述分布式放大器还可以用于面向其它应用的发射器(不仅如此，还用于雷达发射器等)。采用所述第一方面的所述分布式放大器，可以实现更好的输出阻抗匹配，从而提高所述发射器的性能。

在所述第二方面的另一实现方式中，所述发送设备还包括：EAM，作为与所述分布式放大器的AC电压输出相连的负载。

应注意，本申请所描述的所有设备、元件、单元和装置可以在软件或硬件元件或其任何组合中实现。本申请中描述的各种实体所执行的步骤以及所描述的各种实体要执行的功能均意在指各个实体用于执行各个步骤和功能。即使在以下具体实施例的描述中，外部实体要执行的特定功能或步骤未反映在执行该特定步骤或功能的实体的特定详细元件的描述中，技术人员应清楚，这些方法和功能可以在相应的软件或硬件元件中实现，或以此类元件的任何种组合实现。

附图说明

结合所附附图，下文具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现方式，其中：

图1示出了本发明实施例提供的分布式放大器；

图2示出了本发明实施例提供的分布式放大器；

图3示出了本发明实施例提供的分布式放大器；

图4示出了本发明实施例提供的分布式放大器的非线性组件的示例行为；

图5示出了本发明实施例提供的分布式放大器；

图6示出了本发明实施例提供的分布式放大器；

图7示出了包括本发明实施例提供的分布式放大器的发射器；

图8示出了传统的分布式放大器。

具体实施方式

图1示出了一个实施例提供的分布式放大器100。例如，分布式放大器100可用于发射器，具体是用于驱动EAM的光发射器。

分布式放大器100包括：放大部分101，具有与AC电压输入相连的输入线路102和与负载104相连的输出线路103。例如，负载104可以是光发射器中的EAM。因此，负载104通常不是分布式放大器100的一部分。具体而言，放大部分101可由多个晶体管组成，所述放大部分100可实现为传统的分布式放大器。

分布式放大器100还包括：非线性组件105，终接在输出线路103。非线性组件105代替传统分布式放大器(如图8所示)中的输出匹配电阻器。非线性组件105等效于电阻，其电阻值根据所述组件两端的AC电压的增大而增大。例如，非线性组件105可以是非线性电阻器，其电阻值随施加的AC电压而变化，也可以是包括一个或多个晶体管和/或电阻器，以便与施加的AC电压的非线性行为具有等效电阻的组件。

图1的分布式放大器100根据具有非线性组件105的新方案设计，以便在不增大输出回损的情况下，输出电压摆幅比传统分布式放大器更大。

图2示出了一个实施例提供的分布式放大器100，基于图1所示的分布式放大器100。相同元件使用相同的附图标记，并且功能相同。具体而言，图2所示的分布式放大器100还包括放大部分101、输入线路102、与负载104相连的输出线路103和非线性组件105，不包括传统输出匹配电阻器。

在图2中，非线性组件105具体通过电容器201(电容器CD)接地。即，电容器CD连接在所述分布式放大器100的非线性组件105与地之间的输出线路103的终接端。电容器CD可以是所述分布式放大器100的一部分。此外，图2所示的分布式放大器100具有终接在输入线路102的输入匹配电阻器RG 202。

图2所示的分布式放大器100的框图包括非线性组件105，用于代替常规使用的输出匹配电阻器。电压v1为非线性组件105两端的AC电压，电流i1为流经非线性组件105的AC电流。由于电容器CD的原因，流经非线性组件105的DC电流为零。

具体而言，非线性组件105可以具有在所述组件两端的大于第一阈值电压的AC电压v1下增大的等效电阻值。例如，等效电阻值可以大于输出线路的特性阻抗。例如，等效电阻值可以大于负载104的电阻RL。此外，非线性组件105可以具有在所述组件两端的小于第二阈值电压的AC电压下保持恒定的等效电阻值。例如，等效电阻值可以与输出线路的特性阻抗相匹配。在一个示例中，等效电阻值可以与负载104的电阻RL相匹配。

具体而言，对于较小的v1振幅，非线性组件105的本构方程可以是NLRD＝v1/i1＝RL。这种情况下，NLRD＝RD(因为它通常被选择用于图8的传统分布式放大器)。此外，对于增大的v1振幅，非线性组件105的本构方程可以是NLRD＝v1/i1＞RL。这种情况下，NLRD＞RD(因为它通常被选择用于图8的传统分布式放大器)。

非线性组件105的非线性行为允许在较小信号电平下同时获得与图8所示的传统分布式放大器相同的输出回损，以及大于具有相同DC功耗的传统分布式放大器的最大输出电压。在较小信号电平下的输出回损通常足够大，因为负载电阻RL的反射信号通常只是发送信号的一小部分。此外，尤其是在光发射器中，输出负载(例如，电吸收调制激光器(Electro-absorption Modulator Laser，EML))也具有非线性行为，在传统分布式放大器较高输出AC电压电平下，也阻止了良好的输出回损。

实现本发明提出的分布式放大器100的最方便的方案如图3所示。具体而言，图3示出了根据发明实施例的分布式放大器100，基于图1和图2所示的分布式放大器100。图3以及图1和图2中的相同的元件分别使用相同的附图标记，并且功能相同。

图3所示的分布式放大器100中的非线性组件105通过晶体管300(晶体管Q1，此处以FET为例)和两个电阻器301和301(电阻器R1和R2)实现。晶体管Q1的输出端(此处为漏极(D)端子)与输入端(此处为源极(S)端子)完全可互换，其中一个端子与电容器CD相连，另一个端子与分布式放大器100的放大部分101相连。控制端(这里以栅极(G)端子为例)与电阻器R1和R2相连，这两个电阻器的值可以比RL的值大很多。Q1、R1、R2中无DC电流。

图3所示的分布式放大器100中可以采用的非线性组件105的非线性i1-v1曲线的示例如图4所示。所述非线性i1-v1曲线可以具有双曲正切行为和/或可以表现出对某些恒定i-v曲线的渐近行为。具体而言，图4示出了非线性组件105的等效电阻等效于较小振幅电平v1下的50欧姆电阻器。增大v1振幅电平，非线性组件105的i1-v1曲线的斜率改变，在某一点上等效于140欧姆电阻器。因此，例如，假设RL＝50欧姆，具有此类非线性组件105的分布式放大器100可以得到完全输出回损，同时，最大输出电压Vout_max＝Idd·(50欧姆//140欧姆)＝Idd·37欧姆。相反，在具有完全输出回损的传统分布式放大器的情况下，最大输出电压只有Vout_max＝Idd·(50欧姆//50欧姆)＝Idd·25欧姆。这意味着本发明提供的分布式放大器100允许在不减小输出回波损耗并且DC功耗相同的情况下将最大输出电压相比于传统分布式放大器提高50％以上。

一般而言，与如图8所示的传统分布式放大器相比，本发明的分布式放大器100在不减小以下其它关键性能参数的情况下，允许更大的最大输出电压：DC功耗、输出回损、增益、带宽、输入回损、电路复杂度、可积性、需要的偏置电压。

图5示出了本发明实施例提供的分布式放大器100，基于图1、图2和图3所示的分布式放大器100。相同的组件使用相同的附图标记，并且功能相同。图5的分布式放大器100还包括放大部分101和输入匹配电阻器RG 202和非线性(输出匹配)组件105，其中，所述放大部分101和输入匹配电阻器RG 202可以使用传统分布式放大器中一样的方式实现，例如，所述非线性(输出匹配)组件105还包括晶体管300(晶体管QN+1)和两个电阻器301和302(电阻器R1和R2)。

可以选择构成非线性组件105的晶体管QN+1的大小，以得到期望的输出回损。可以选择电阻器R1和R2的值远大于输出负载电阻RL，以避免负载效应。R1和R2的值可以相同，也可以不同。图5具体是构建分布式放大器100的简单方法，使得所述分布式放大器100可以完全且简单地在MMIC技术中集成。

图6示出了本发明实施例提供的分布式放大器100，基于图1、图2和图3所示的分布式放大器100，且用来代替图5所示的分布式放大器100。在分布式放大器100的这种实现方式中，从DC角度来看，非线性组件105的两个端子与VDD电压源相连。这种连接可以避免使用电容器CD(如图5所示)。

在图5和图6中，分布式放大器100包括标记为LG1、LG2……LGN+1和分别对应LD1、LD2……LDN+1的多个电感器。具体而言，电感器LD1、LD2……LDN+1串联在负载104和非线性组件500之间的输出线路103上。具体而言，电感器LG1、LG2……LGN+1串联在输入匹配电阻器202和电压输入(Vin)之间的输入线路102上。此外，分布式放大器100包括多个并联的晶体管302。晶体管标记为Q1、Q2……QN，并在这里表示为FET。然而，晶体管也可以是BJT。值得注意的是，N是一个自然数。晶体管的输出端D(FET的“漏极”，BJT的“控制器”)与输出线路103相连。具体而言，每个晶体管的输出端D与电感器LD1、LD2……LDN+1中的两两之间的输出线路102相连。晶体管的控制端G(FET的“栅极”，BJT的“基极”)与输入线路102相连。具体而言，每个晶体管的控制端G与电感器LG1、LG2……LGN+1中的两两之间的输入线路103相连。晶体管的输入端S(FET的“源极”，BJT的“发射器”)均接地。

图7示出了本发明实施例提供的发送设备700。发送设备700具体可以是用于光通信的光发射器或用于雷达应用的发射器。在任何情况下，发送设备700包括本发明实施例提供的分布式放大器100。分布式放大器100具体可以如图1、图2、图3、图5或图6所示。

如果发送设备700是光发射器，则还可以包括电子EAM 701作为负载104，即EAM701与分布式放大器100的AC电压输出线路103相连。在图7中，EAM 701以虚线示出，因为它对发送设备700不是必需的，并且可以是不同类型的负载104。

已经结合作为示例的各种实施例以及实现方式对本发明进行了描述。但本领域技术人员通过实践本发明，研究附图、本发明以及所附的权利要求书，能够理解并获得其它变体。在权利要求书以及说明书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，“一”不排除多个元件或步骤。单个元件或其它单元可满足权利要求中描述的若干实体或项目的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。