射频电路中的Bias-Tee是什么?

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Bias-Tee听起来是不是很陌生,但其实对于一个射频工程师来说算是耳熟能详的一个词语了。Bias-T(直流偏置器)是一种三端口网络器件,三个端口分别是射频端口RF、直流偏置端口DC和射频直流端口RF&DC。因为这3个端口经常以T的形状排列,所以被称为Bias-T。宽带放大器馈电电路,高频受寄生电容参数影响,性能急剧下降,所以馈电需要采用Bias-T。
 
Bias-Tee
 
Bias-T的DC端口由一个馈电电感组成,用于添加直流偏置,防止RF端口的交流信号泄露到供电系统,理想条件下,DC端不会对射频端信号造成任何影响;RF端口由一个隔直电容组成,用于输入射频信号,同时可以阻挡偏置端口的直流电压;RF&DC端口连接到设备,该设备可以同时看到直流偏置电压和射频信号。如果Bias-T内部器件选择超宽带、接近理想化、没有谐振点的高频电感和电容,那么当Bias-T用于设置某些电子元件的直流偏置点时,不会干扰其他元件。
 
Bias-T关键参数
 
对Bias-T来说,较为重要的指标是DC端偏置电压与电流;RF端与DC端隔离度;RF带宽、群时延、插入损耗和回波损耗等,接下来会分别讲解每个指标的含义。
 
DC端偏置电流
 
 DC端偏置电流是从DC端输入,经过电感的电流,主要受到DC端口电感能承受电流最大值的限制。DC端偏置电流的值越大代表指标越好。当实际电流超过偏置电流的上限时,DC端口的电感处于电流饱和状态。Bias-T的性能在这种状态下会受到影响,器件可能会因电流过大而损坏,导致Bias-T无法正常工作。
 
RF端与DC端隔离度
 
隔离度指的是电感阻止RF端口的射频信号流向DC端口的能力,单位通常用dB表示。理论上隔离度越大越好。如果某个Bias-T的隔离度指标较差,射频信号会泄露进入供电系统,对系统性能造成影响。如图1-2所示为RF端与DC端隔离度示意图,图中RF端口的输入信号功率是40dBm,当隔离度为10dB的时候,在DC端接收到的信号功率为30dBm,相当于1W,可能会对供电系统造成不可修复的损伤;当隔离度为40dBm的时候,在DC端接收到的信号功率为0dBm,相当于1mW,不会对供电系统造成干扰或损伤。
 
Bias-Tee
 
RF带宽
 
RF带宽是上限3dB截止点和下限3dB截止点之间的频率范围,即Bias-T的通频带。3dB频率截止点是相对于通频带内平均功率衰减了3dB的点。RF的带宽越宽越好。如果信号频率范围超出了Bias-T的通频带,Bias-T通频带外的信号就会被大量衰减。
 
Bias-Tee
 
如上图所示为RF带宽示意图,从图中可知上限3dB截止点约为15GHz,下限3dB截止点约为7GHz,所以通频带从7GHz到15GHz。如果一个5GHz的信号输入该设备,信号将会被衰减15dB,如果一个10GHz的信号输入该设备,信号仅衰减1dB,即RF通频带内信号衰减少,通频带外信号大量衰减。可以得出,RF带宽越大,允许正常通过的信号频率范围越大。
 
群时延
 
群时延即系统在某频率处的相位(相移)对于频率的变化率。宽带信号经过媒质传输路径或设备中的线性元件时,其各个频谱分量的相速不同,元器件对各频谱分量的响应也不一样,这都会引起到达接收端的信号因各频率分量的相移或时延不同而产生相位关系的紊乱,即相位失真。理想的群时延曲线应该是一条没有波动的直线。群时延的振动幅度越小越好。对于Bias-T来说,群时延变化越小,信号的影响也就越小。假如某接入系统的Bias-T群时延变化很大,会导致信号的相位失真,在示波器上可以观测到明显的相移。
下图为某Bias-T群时延测试图。
 
Bias-Tee
 
插损和回波损耗
 
插损和回波损耗越小越好
 
Bias-Tee
 
Bias-T可以用于宽带放大器的馈电,是一项十分成熟的应用。输出端需要供电的放大器要求添加Bias-T,给放大器提供稳定的工作条件。
 
 
Bias-Tee
 
如上图所示需要偏置器的放大器电路示意图。图中,在放大器的输出端添加了Bias-T,用于输出端馈电。
当放大器需要添加Bias-T进行馈电的时候,重点关注Bias-T的某些指标:Bias-T通频带、RF端输入功率最大值、S21参数、S22参数、S11参数、上升下降时间和抖动等。
 
应用范例
 
Bias-Tee
Bias-Tee
 
Bias-Tee
Bias-Tee
 
Bias-Tee
 
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