面向微波光子雷達(dá)應(yīng)用的激光驅(qū)動(dòng)電路研制

摘 要：信號(hào)源是雷達(dá)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的關(guān)鍵組成部分，其性能直接影響著雷達(dá)的探測(cè)能力。基于電子技術(shù)的信號(hào)產(chǎn)生在信號(hào)載頻、帶寬等特性方面受到限制，難以滿足未來(lái)高性能雷達(dá)的需求。新興的微波光子技術(shù)能利用光子學(xué)手段產(chǎn)生高質(zhì)量微波信號(hào)，在雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。文章主要介紹了用于微波光子雷達(dá)技術(shù)中的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的研制，該恒流源電路采用功率晶體管作電流控制元件，運(yùn)用負(fù)反饋原理穩(wěn)定輸出電流，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流0A～350mA連續(xù)可調(diào)。在TINA 環(huán)境下進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示該驅(qū)動(dòng)電路滿足設(shè)計(jì)需求，對(duì)類似電路設(shè)計(jì)有很好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：激光器驅(qū)動(dòng)電路；微波光子雷達(dá)技術(shù)；研制

引言

雷達(dá)是20世紀(jì)人類在電子工程領(lǐng)域的偉大發(fā)明之一[1]，它利用無(wú)線電波在傳播時(shí)遇到障礙物后反射的特性確定目標(biāo)方位、距離、高度等信息，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍用與民用的諸多領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要作用。信號(hào)源是雷達(dá)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)必須具備的模塊，其性能決定著雷達(dá)的探測(cè)精度、距離等。盡管電子技術(shù)發(fā)展成熟，但隨著下一代雷達(dá)對(duì)更高載波頻率、更大工作帶寬等的需求逐漸迫切，實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生的電子器件在高頻的工作帶寬窄并且噪聲特性差，這從源頭上限制了雷達(dá)性能的提升。

近些年新興的微波光子學(xué)，利用光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的產(chǎn)生與處理，具有高精度和大帶寬等優(yōu)勢(shì)，可以直接實(shí)現(xiàn)毫米波頻段的高穩(wěn)定本振和任意波形產(chǎn)生，避免倍頻及上變頻操作引起的信號(hào)質(zhì)量下降[2-4]。微波光子學(xué)賦予了雷達(dá)更加蓬勃的生命力，并有望改變雷達(dá)體制。作為微波光子雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵性器件，半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、耗電省、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。目前半導(dǎo)體激光器光頻調(diào)諧的主要方式是電流調(diào)制方式，其調(diào)制精度直接關(guān)系著光頻調(diào)諧精度，最終關(guān)系到微波光子雷達(dá)的探測(cè)精度，因此設(shè)計(jì)出抗干擾能力強(qiáng)，恒流穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電路十分重要。基于國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，文章設(shè)計(jì)了一款半導(dǎo)體激光器恒流源驅(qū)動(dòng)電路，并通過(guò)TINA軟件仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證電路的有效性。

1 恒流源驅(qū)動(dòng)電路的工作原理

半導(dǎo)體激光器是一種在電流注入下能夠發(fā)出相干輻射光的光電子器件，注入電流與輸出光頻在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系[5]，因此注入電流的穩(wěn)定性對(duì)半導(dǎo)體激光器的光頻輸出有直接影響。驅(qū)動(dòng)電路的主要任務(wù)是為激光器提供一個(gè)低紋波的穩(wěn)恒電流。文章利用電流負(fù)反饋的原理，設(shè)計(jì)了一款壓控恒流源電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的恒流驅(qū)動(dòng)，原理框圖如圖1所示。該恒流源驅(qū)動(dòng)電路主要包括基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、跨阻放大器、電流采樣電阻和功率場(chǎng)效應(yīng)管五個(gè)部分。

選用ADR440作為基準(zhǔn)電壓源，為誤差放大器提供高精密度、低溫漂、低噪聲的電壓參考。其工作電流為5mA，提供2.5V電壓基準(zhǔn)，然后通過(guò)電阻分壓得到VF1送誤差放大器MAX4475同相端，控制半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的大小。

半導(dǎo)體激光器和采樣電阻Rs相串聯(lián)，作為負(fù)載串聯(lián)在晶體管FZT651的發(fā)射極。采樣電阻跨接在跨阻放大器INA118兩個(gè)輸入端，將流經(jīng)半導(dǎo)體激光器的電流ILD轉(zhuǎn)換成電壓，通過(guò)增益電阻Rg放大后得到V0送入誤差放大器MAX4475的反相輸入端。同時(shí)，反相端電壓V0跟隨同向端VF1，形成閉環(huán)負(fù)反饋控制。最后，誤差放大器的輸出端驅(qū)動(dòng)晶體管基極，使流經(jīng)發(fā)射極的電流為一個(gè)穩(wěn)恒電流。采樣電阻應(yīng)選擇功率大，精密度高，阻值小的電阻，它決定著激光器驅(qū)動(dòng)電流ILD的精度。在實(shí)際電路中，采樣電阻為2.6Ω/10W。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)電壓VF1對(duì)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的線性控制，如公式（1）所示。

VF1=V0=ILD*Rs*（1+50/Rg） （1）

2 電路原理圖及仿真結(jié)果

在實(shí)際電路制作之前，利用TINA電路仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行了搭建與仿真，仿真電路原理圖如圖2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)選用的半導(dǎo)體激光的技術(shù)參數(shù)，選用了與此等效的發(fā)光二極管LD串聯(lián)電阻R2（1Ω）進(jìn)行了等效，由于仿真電路中的電源均為理想的電壓源，故將實(shí)際電路中基準(zhǔn)電壓源直接用理想直流電壓VREF2.05替代。VREF2.05通過(guò)電阻R5，R7分壓得到VF1送誤差放大器U1（MAX4475）同相端。設(shè)置R5，R7的分壓比，使VF1=1.83V，仿真結(jié)果如圖3（a）所示。此時(shí)，流經(jīng)半導(dǎo)體激光器的電流ILD=306.71mA。仿真結(jié)果跟采用公式（1）理論計(jì)算得到的結(jié)果完全一致。根據(jù)公式（1）可知，當(dāng)電阻參數(shù)不變時(shí)，半導(dǎo)體激光器輸出電流與電壓VF1值成正比，也就是說(shuō)電流隨著VF1的增大而線性增大。對(duì)恒流源驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了直流掃描分析，仿真結(jié)果如圖3（b）所示。從圖3（b）可以看到，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流ILD0A～350mA連續(xù)可調(diào)；VF1和ILD之間呈線性關(guān)系，線性度達(dá)99.3%。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了一種采用高功率晶體管作電流控制元件，運(yùn)用負(fù)反饋原理，實(shí)現(xiàn)壓控恒流源的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。采用TINA電路仿真軟件對(duì)恒流源電路進(jìn)行了電流測(cè)試、直流掃描分析的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，電路的驅(qū)動(dòng)電流與控制電壓成線性關(guān)系，且線性度達(dá)到99.3%，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電流ILD0A～350mA連續(xù)可調(diào)。文章為微波光子雷達(dá)技術(shù)中的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的研制提供了一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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