CN107342819A - 光接收器及其制作方法、内匹配电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于内匹配的光接收器，包括：晶体管座；设置于晶体管座、用于将光信号转换为电信号的光转换单元；分别设置于晶体管座、用于将光转换单元转换所得的电信号输出至外部的第一、二管脚；设置于晶体管座、跨接于光转换单元的一输出端与第一管脚之间的第一电阻；设置于晶体管座、跨接于光转换单元的另一输出端与晶体管座之间的第二电阻；第二管脚与光转换单元的与第二电阻电气连接的那一输出端电气连接。其采用自定义内匹配网络对光接收器进行最佳匹配，保证12G宽频带匹配，宽频段增益均衡，波动小，体现ROF技术的优势，满足2G、3G、4G以及未来5G移动通信频段的要求。本发明还公开其制作方法、内匹配电路。
Description
技术领域
本发明属于ROF（Radio Over Fiber）技术领域，具体涉及光接收器及其制作方法、内匹配电路。
背景技术
随着移动通信技术的发展，人们对移动数据速率与大容量的要求更加迫切，从而一批新的通信制式相继出现，从最早的第一代模拟移动通信系统，到全球应用最广的第二代数字移动通信GSM（2G），到追求高上网速率的第三代TD-SCDMA\WCDMA\CDMA200（3G），以及目前正如火如荼商用的第四代的TD-LTE\FDD-LTE（4G），还有目前正研究火热的第五代移动通信（称为5G）。之所以有这么多通信制式的出现，目的是提高用户接入网络的速度。
但对于运营商来讲，每当新的通信制式成熟，走向布网商用的时候，都会要求重新建立新的基站，要知道重新建基站这是要花很大成本的。从另一个角度来讲，重新建基站会带来不必要的资源重复与浪费，特别是在传输与远端天线辐射处尤为明显。目前移动通信多种制式并存的现象是客观存在的，正如GSM、TD-SCDMA、TD-LTE三制式同时并存对于中国移动来讲也是很无奈的。
在这种困窘下，光载无线技术ROF（Radio Over Fiber）就应运而生，它是把光作为载波，RF信号直接调制到光载波上，然后通过光纤进行长距离的传输到远端，远端再进行光解调，直接得到射频信号，再经过天线进行无线覆盖。ROF技术由于利用光波，其可用频带很宽，所以可以将传统的GSM、TD-SCDMA、TD-LTE以及未来的5G射频信号直接打包合并到光纤中传输，从而简化了不同制式需要不同传输介质的烦恼。
本发明所涉及到基于内匹配的光接收器是ROF技术的一部分，主要关注的是接收端。ROF技术对光接收器提高了要求，要求其具有超带宽，而且在整个带内有较好的的平坦度。
目前现有的光接收器大多基于数字的，也就是应用于2.5Gbps、10Gbps的数字光纤通信系统中。而本发明所涉及是模拟光接收器，与数字光接收器完全不同。
发明内容
面对日新月异的通信制式（因调制解调方式不同），移动网络的重复建设，浪费资源也耗成本，本文的出发点是设计一种超宽的传输网络，可以将目前2G、3G、4G以及未来5G移动通信频段都包括进来，一起打包通过光纤一并传输到远端。在远端利用基于内匹配的光接收器将不同制式的射频信号解调出来，各自辐射覆盖。
为此，本发明提出下述技术方案。
一方面，本发明提出基于内匹配的光接收器，包括：
晶体管座；
设置于所述晶体管座、用于将光信号转换为电信号的光转换单元；
分别设置于所述晶体管座、用于将所述光转换单元转换所得的电信号输出至外部的第一、二管脚；
设置于所述晶体管座、跨接于所述光转换单元的一输出端与所述第一管脚之间的第一电阻；以及
设置于所述晶体管座、跨接于所述光转换单元的另一输出端与所述晶体管座之间的第二电阻；
其中，所述第二管脚与所述光转换单元的与所述第二电阻电气连接的那一输出端电气连接。
这样构成的基于内匹配的光接收器中，采用自定义内匹配网络对光接收器进行最佳匹配，保证12G宽频带匹配，宽频段增益均衡，波动小，体现ROF技术的优势，满足2G、3G、4G以及未来5G移动通信频段的要求。
还包括跨接于所述晶体管座和所述光转换单元的与所述第一电阻电气连接的那一输出端的电容。
所述光转换单元为光电二极管。
还包括用于将所述光转换单元与所述晶体管座隔离、绝缘的衬底。
所述第一电阻为薄膜芯片电阻。
所述第二电阻为薄膜芯片电阻。
所述电容为平板电容，其一极贴于所述晶体管座并电气连接，其另一极远离该晶体管座。
所述平板电容为单层陶瓷电容。
所述衬底为陶瓷衬底。
另一方面，本发明提出基于内匹配的光接收器的制作方法，包括如下步骤：
第一步，将绝缘、隔离用的衬底贴于所述基于内匹配的光接收器的晶体管座；
第二步，贴电容于所述晶体管座表面上，使该电容的一极贴于该晶体管座并电气连接，其另一极远离该晶体管座；
第三步，贴第一电阻于所述电容表面上，贴第二电阻于所述晶体管座表面上并使该第二电阻的一端与该晶体管座电气连接；
第四步，贴光电二极管于所述衬底表面上；
第五步，分别将设置于所述晶体管座的第一管脚与所述第一电阻的一端、该第一电阻的另一端与该电容的远离该晶体管座的那极、所述光电二极管的正极与该电容的远离该晶体管座的那极、第二电阻的一端与该光电二极管的负极和设置于所述晶体管座的第二管脚及第二电阻的另一端与所述晶体管座电气连接；
这样构成的基于内匹配的光接收器的制作方法中，采用自定义内匹配网络对光接收器进行最佳匹配，并将其按上述方法安装于晶体管座上，能保证12G宽频带匹配，宽频段增益均衡，波动小，体现ROF技术的优势，满足2G、3G、4G以及未来5G移动通信频段的要求。
再一方面，本发明提出光接收器的内匹配电路，包括：
用于将光信号转换为电信号的光转换单元；
用于将所述光转换单元转换所得的电信号输出的第一、二端子；
跨接于所述光转换单元的一输出端与所述第一端子之间的第一电阻；以及
跨接于所述光转换单元的另一输出端与地之间的第二电阻；
其中，所述第二端子与所述光转换单元的与所述第二电阻电气连接的那一输出端电气连接。
这样构成的光接收器的内匹配电路中，采用自定义内匹配网络对光接收器进行最佳匹配，能保证12G宽频带匹配，宽频段增益均衡，波动小，体现ROF技术的优势，满足2G、3G、4G以及未来5G移动通信频段的要求。
再再一方面，本发明提出光接收器，包括上述结构的内匹配电路。
附图说明
图1示意性示出现有光接收器同轴封装（Top视图）的一种实施例。
图 2示意性示出图1所呈现的光接收器三维立体图的一种实施例。
图 3 示出图1所呈现的光接收器的输入阻抗。
图4示出图1所呈现的光接收器的输入回波损耗曲线。
图 5示出本发明提出的内匹配网络原理图的一种实施例。
图 6示意性示出本发明提出的基于内匹配的光接收器（Top视图）的一种实施例。
图7示意性示出图1所呈现的基于内匹配的光接收器三维立体图的一种实施例。
图8示出图6所呈现的光接收器的输入阻抗。
图9示出图6所呈现的光接收器的输入回波损耗曲线。
图10示出图6所呈现的光接收器的带宽测试曲线。
具体实施方式
为能详细说明本发明的技术特征及功效，并可依照本说明书的内容来实现，下面对本发明的实施方式进一步说明。
为清晰起见，在具体说明本发明之前，先对现有光接收器进行说明。
目前在接入网层面，结合技术的日渐成熟、成本相对低廉等综合因素考虑，ROF技术光电转换部分大多采用同轴形的结构（如图1所示），图中的视角是从尾纤朝光接收器管脚方向看去即光接收器的Top视图。
现有光接收器主要由以下构成，晶体管座10是整个光接收器的基板，光电二极管17、光接收器的管脚11、12、15以及后续的匹配电路都得依附在晶体管座10上。
上述现有光接收器采用TO-CAN（晶体管外壳封装）结构。
光接收器的管脚11、12、15，其中管脚11、12分别对应光电二极管17的阴极、阳极。管脚15与晶体管座10电气上完全连接（图中用虚线表示），作为CASE管脚与PCB相连，起公共地作用。
光接收器的管脚11、12与晶体管座10的隔离层13，它起到隔离光接收器的管脚11、12与晶体管座10的作用，由玻璃材料构成。
陶瓷衬底14，用于隔离、绝缘光电二极管17与晶体管座10。
光电二极管17作为光转换单元，用于解调光信号，是一个光控恒流源，将变化的光照强度转化为变化的电流，从而得出电信号。
Bonding金线16负责将光接收器管脚11、12与光电二极管17电气连接。
当前正应用广泛的光纤通信，基本采用数字光模块，如10Gbps数字光纤通信系统。数字光模块技术相对成熟，其优点是抗失真能力强，通过有无、光功率来判别数字信号的“1”或“0”，测试方法用眼图来权衡，眼睛张开的越大，越容易判别，不容易失真；但也有缺点就是电路复杂，更高速的技术瓶颈难以突破。基于ROF技术的模拟光模块好处有电路相对简单，容易实现，不需要进行模数转换；但也有缺点就是抗失真能力弱，对电路匹配性能要求高。
在如图2所示的现有光接收器（是图 1的三维立体效果），通常在不加匹配的情况下，从光接收器的管脚21、22向里看是失配的，Bonding金线23与晶体管座24可等效为微波传输线，从传输线的论的角度来讲，客观存在分布电容，分布电感、分布电阻、分布电导。另外此等效传输线的特征阻抗也并非标准50欧姆。
在不加匹配的情况下，对图 2所示光接收器进行测试，光接收器的输入阻抗曲线与输入回波损耗曲线分别对应如图3、4所示。
从图 3中smith图上看，不加匹配的光接收器只有在100MHz~1GHz频段内阻抗基本匹配到smith图圆心处，其它频段都是不匹配的，整个输入阻抗曲线发散得厉害。
如图4，从回波损耗曲线上看，100MHz~1GHz频段内回波满足要求，其可用频带宽度严重不足，太窄了，体现不出ROF技术的超宽频带优越性。
为了实现超宽频，体现ROF技术的优势，本发明对光接收器进行内匹配。之所以加内匹配是因为，将匹配做到TO-CAN（晶体管外壳封装）内部，利于集成，加大光接收器的通用性与模块化。之所以不加外匹配，是因为外匹配不具有通用性，受外部PCB板及电路的影响，针对不同的应用PCB及电路可能匹配网络需要重新设计，而且采用外匹配，匹配网络离光接收器管脚，光转换单元芯片较远，从传输线理论的角度分析，任何一段Bonding金线、管脚引线都会引起输入阻抗发生变化，影响匹配效果，这对于ROF技术来讲是不利的。
为此，本发明提出如图 5所示的光接收器的内匹配电路的一种示意性实施例。本内匹配电路拓扑结构主要包含有第一端子P1、第二端子P2、第三端子P3、第一电阻R1、第二电阻R2、电容C1、光电二极管PD构成。
第一、二、三端子P1、P2、P3分别对应光电二极管PD-（PD阴极）、光电二极管PD+（PD阳极）以及公共地CASE脚电气连接。
第一电阻R1一端与第一端子P1电气相连，另一端与光电二极管PD阴极电气连接。
电容C1一端与光电二极管PD阴极相连，另一端对地相连。
光电二极管PD一端与第一电阻R1、电容C1的公共端电气连接，另一端与第二端子P2电气连接。
第二电阻R2跨接在第二端子P2与第三端子P3之间。
从图 5内匹配网络的直流通路来看，第一电阻R1与第二电阻R2都有直流偏置与分压的作用，因为光电二极管PD可等效为一个光控恒流源，电流只与光强度正相关，加在光电二极管PD两端的电压由流过光电二极管PD的电流以及外部直流偏置网络共同决定。
从图 5内匹配网络的交流通路来看，第一电阻R1与电容C1在交流情况下对GND短路，第二电阻与光电二极管PD（即前述的光控恒流源）构成一个交流信号源。
电容C1的作用是在直流通路中起去耦与滤波作用，在交流电路中起对GND短路作用。
光电二极管PD作为光转换单元，用于将时变的光功率转换为时变电流，可视为一个光控恒流源，电流随光强度成正比变化，其两端的电压差不受控，跟外部电路有关。
基于前述的理论分析及内匹配的光接收器效果（Top视图）图，如图 6所示，其主要含有如下部件构成，晶体管座50，该光接收器用于输出信号的第一、二管脚51、52及与CASE电气连接的第三管脚53，第一、二管脚51、52与晶体管座50的隔离介质54，电容55，第一电阻56，第二电阻57，Bonding 金线58，光电二极管59、陶瓷衬底60构成。
与一般的通信制式GSM、TD-SCDMA、TD-LTE不同，ROF技术所需要的带宽通常都会很宽，这就会给宽带匹配带来压力，比如要在6G、12G频带内实现匹配，对于匹配网络的拓扑设计、器件参数的选择、器件之间的相对空间位置关系以及电气材料等参数都很有讲究。
对电容55的选择，从图 6可以看出，除了内匹配的光接收器第一、二管脚51、52以及隔离介质层54以外，整个晶体管座50都是与第三管脚53（CASE管脚）电气连接在一起的，并都会与外部PCB GND电气连接，这种空间形态导致了传统的SMT MLCC电容不可用，这跟传统的PCB有差异。较佳的，选择可基于晶体管座平面的电容，电容55的一极贴片于晶体管座50上并与之电气连接，其另外一极远离晶体管座50平面。本发明电容55的容值要求高，根据平板电容的理论公式，要想实现大容值，则相对介电常数εr足够大，电容两极的有效面积足够大，两极间的距离足够小，基于以上考虑，本发明可选择但不限于单层陶瓷电容。
对于第一电阻56与第二电阻57的选择，从物理结构上讲和电容55的选择类似，可选择但不限于薄膜芯片电阻。
基于内匹配的光接收器安装顺序如下：
第一步，贴陶瓷衬底60于晶体管座50中央，由图 5原理可知光电二极管59与CASE管脚无直接关联，为了绝缘、隔离光电二级管59与晶体管座50，需要额外引入贴片陶瓷衬底60。
第二步，贴电容55于晶体管座50表面上，使电容55贴的一极贴于晶体管座50并电气连接，其另一极远离该晶体管座50，,该电容55为单层陶瓷电容较佳；
第三步，贴第一电阻56于电容55表面上，贴第二电阻57于晶体管座50表面上并使该第二电阻57的一端与该晶体管座50电气连接；
第四步，贴光电二极管59于陶瓷衬底60表面上；
第五步，打Bonding Wire金线58，金线线径25 um，不要拱起幅度太大。分别将设置于晶体管座50的第一管脚51与第一电阻56的一端、第一电阻56的另一端与电容55的远离晶体管座50的那极、光电二极管59的正极与电容55的远离晶体管座50的那极、第二电阻57的一端与光电二极管59的负极和设置于晶体管座50的第二管脚52及第二电阻57的另一端与晶体管座50用前述Bonding Wire金线58电气连接；
打Bonding Wire金线58的时候，顺序没有特别要求，但是其线长与线型是要求的，因为在射频频域里，金线58的电感效应明显，其长度与形状会直接影响匹配效果。本发明所实现的器件相对位置关系以及金线58如图 7所示，第一管脚51与第一电阻56之间的电气连接为金线61，第一电阻56与电容55的连接为金线62、63，电容55与光电二极管59的连接为金线64，光电二极管59与第二电阻57的连接为金线65，第二电阻57与晶体管座50连线为金线66、67，第二电阻57与第二管脚52的连线为金线68。另外，所有金线61-68的弯曲拱高应控制在80 um以内以去除传输线的影响。
至此，基于内匹配的光接收器实现完成。其效果图如图7所示。
用标准的激光器（其带宽可以支持12G以上）与本文采用内匹配的光接收器进行对接，利用矢量网络分析仪对本文所述光接收器进行测试，测得其输入阻抗、输入回波损耗曲线分别对应如图8、9所示。
从图8、9结果来看，光接收器的输入阻抗匹配良好，在3GHz以内，其输入阻抗被匹配到smith圆图中正中心纹丝不动，这是很理想的结果。随着频率的上移，虽然输入阻抗不在处于圆心，但工程应用上也是满足的。从光接收器输入回波分析来看，9GHz以内都满足工程应用要求，回波损耗大于15dB的要求，特别是低频段指标很好与smith圆图反应规律一致。
从传输的角度来看，其幅度传输特性如图10所示。
由图10可以看出，本文所述光接收器可支持带宽可达12GHz，在10GHz以前增益曲线很平坦，波动小，基本处于-25dB量级，这种特性正好满足ROF技术对射频指标的要求。12GHz以后，增益急剧下坠，不能用于实际工程当中。
本发明还描述了光接收器，包括上述结构的内匹配电路。
需要说明的是，上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何适合的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再进行描述。
上面参照实施例对本发明进行了详细描述，是说明性的而不是限制性的，在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，均在本发明的保护范围之内。
Claims (23)
1.一种基于内匹配的光接收器，包括：
晶体管座；
设置于所述晶体管座、用于将光信号转换为电信号的光转换单元；
分别设置于所述晶体管座、用于将所述光转换单元转换所得的电信号输出至外部的第一、二管脚；
设置于所述晶体管座、跨接于所述光转换单元的一输出端与所述第一管脚之间的第一电阻；以及
设置于所述晶体管座、跨接于所述光转换单元的另一输出端与所述晶体管座之间的第二电阻；
其中，所述第二管脚与所述光转换单元的与所述第二电阻电气连接的那一输出端电气连接。
2.根据权利要求1所述的基于内匹配的光接收器，还包括跨接于所述晶体管座和所述光转换单元的与所述第一电阻电气连接的那一输出端的电容。
3.根据权利要求1所述的基于内匹配的光接收器，其中，所述光转换单元为光电二极管。
4.根据权利要求1所述的基于内匹配的光接收器，其中，还包括用于将所述光转换单元与所述晶体管座隔离、绝缘的衬底。
5.根据权利要求1所述的基于内匹配的光接收器，其中，所述第一电阻为薄膜芯片电阻。
6.根据权利要求1所述的基于内匹配的光接收器，其中，所述第二电阻为薄膜芯片电阻。
7.根据权利要求2所述的基于内匹配的光接收器，其中，所述电容为平板电容，其一极贴于所述晶体管座并电气连接，其另一极远离该晶体管座。
8.根据权利要求7所述的基于内匹配的光接收器，其中，所述平板电容为单层陶瓷电容。
9.根据权利要求4所述的基于内匹配的光接收器，其中，所述衬底为陶瓷衬底。
10.一种基于内匹配的光接收器的制作方法，包括如下步骤：
第一步，将绝缘、隔离用的衬底贴于所述基于内匹配的光接收器的晶体管座；
第二步，贴电容于所述晶体管座表面上，使该电容的一极贴于该晶体管座并电气连接，其另一极远离该晶体管座；
第三步，贴第一电阻于所述电容表面上，贴第二电阻于所述晶体管座表面上并使该第二电阻的一端与该晶体管座电气连接；
第四步，贴光电二极管于所述衬底表面上；
第五步，分别将设置于所述晶体管座的第一管脚与所述第一电阻的一端、该第一电阻的另一端与该电容的远离该晶体管座的那极、所述光电二极管的正极与该电容的远离该晶体管座的那极、第二电阻的一端与该光电二极管的负极和设置于所述晶体管座的第二管脚及第二电阻的另一端与所述晶体管座电气连接。
11.根据权利要求10所述的基于内匹配的光接收器的制作方法，其中，所述第一电阻为薄膜芯片电阻。
12.根据权利要求10所述的基于内匹配的光接收器的制作方法，其中，所述第二电阻为薄膜芯片电阻。
13.根据权利要求12所述的基于内匹配的光接收器的制作方法，其中，所述电容为平板电容。
14.根据权利要求13所述的基于内匹配的光接收器的制作方法，其中，所述平板电容为单层陶瓷电容。
15.根据权利要求10所述的基于内匹配的光接收器的制作方法，其中，所述衬底为陶瓷衬底。
16.一种光接收器的内匹配电路，包括：
用于将光信号转换为电信号的光转换单元；
用于将所述光转换单元转换所得的电信号输出的第一、二端子；
跨接于所述光转换单元的一输出端与所述第一端子之间的第一电阻；以及
跨接于所述光转换单元的另一输出端与地之间的第二电阻；
其中，所述第二端子与所述光转换单元的与所述第二电阻电气连接的那一输出端电气连接。
17.根据权利要求16所述的内匹配电路，还包括跨接于地和所述光转换单元的与所述第一电阻电气连接的那一输出端的电容。
18.根据权利要求16所述的内匹配电路，其中，所述光转换单元为光电二极管。
19.根据权利要求16所述的内匹配电路，其中，所述第一电阻为薄膜芯片电阻。
20.根据权利要求16所述的内匹配电路，其中，所述第二电阻为薄膜芯片电阻。
21.根据权利要求20所述的内匹配电路，其中，所述电容为平板电容。
22.根据权利要求21所述的内匹配电路，其中，所述平板电容为单层陶瓷电容。
23.一种光接收器，包括权利要求16至22任一项所述的内匹配电路。
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| CN201610283761.1A CN107342819A (zh) | 2016-05-03 | 2016-05-03 | 光接收器及其制作方法、内匹配电路 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113258430A (zh) * | 2020-02-07 | 2021-08-13 | 珠海天启技术有限公司 | 超宽带同轴半导体激光器内匹配电路 |
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2016
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