基于模块封装的光模数转换系统中的射频驱动装置

摘要

一种基于模块封装的光模数转换系统中的射频驱动装置，包括微波板、电源板和封装壳。该系统实现多通道分频，多通道输出；各路输出功率大小均可调，通过改变调理控制端端口数控衰减器的衰减量实现功率可控。整个系统采用芯片集成，通过PCB板与金属外壳装配，系统的功能集成度高，抗电磁干扰能力强。本发明对于减小PADC系统的射频驱动装置的体积、功耗，实现PADC系统的集成化和小型化，具有十分关键的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及微波光子集成，特别是一种基于模块封装的光模数转换系统中的射频驱动装置。

背景技术

随着光信号处理与转换、高分辨测量设备以及光信号质量检测等领域的不断发展，对模数转换技术的要求越来越高。由于传统电子技术遭遇“电子瓶颈”，进一步提升电子模数转换性能面临很大的挑战。光模数转换技术(以下简称PADC)利用光子的高速、宽带的特点可以有效提升模数转换系统的性能，从而为新一代的模数转换装置发展提供了有效途径。随着PADC技术的不断发展，多种技术方案被提出，包括光学辅助的模数转换器、光采样电量化的模数转换器、电采样光量化的模数转换、光采样光量化的模数转换器及全光模数转换器等。其中，光采样电量化的模数转换器同时兼顾光子学的大带宽、高精度以及成熟的电量化技术等优点，成为目前光电子领域的一大研究热门。目前主要有两种光采样电量化的模数转换器方案：基于波分复用技术(T.R.Clark,J.U.Kang and R.D.Esman,“Performance of a time andwavelengthinterleaved photonic sampler for analog-digital conversion,”IEEE Photon.Tech.Lett.,vol.11,1168～1169,1999)、基于时分复用技术(A.Yariv and R.G.M.P.Koumans et al.,“Time interleaved optical samplingforultra-high speed A/D conversion,”Electronics Letters,34(21):2012-2013,1998)。

基于波分复用技术的解复用结构简单，但随着对超高采样速率的需求不断增加，需要更多的系统通道数，并且波分复用装置引起的光谱不均一加重了系统的失配，从而增加了系统复杂度。随着高重复频率光脉冲产生技术和高速光开关技术的不断发展，通过对采样后的高速光脉冲序列进行多通道解复用，实现并行化的数据处理，能够降低后端电光转换和电ADC的带宽和速率的压力(G.Yang,W.Zou,L.Yu,and J.Chen,“Influence of thesampling clock pulse shape mismatch on channel-interleaved photonic analog-to-digital conversion,”Opt.Lett.43(15):3530-3533,2018)。

基于高速光开关的PADC系统需要光模数转换装置采用高速率的脉冲激光器作为系统光源，通过高速光开关级联的方式对采样后的光脉冲序列进行多通道解复用，并通过并行的光电转换、并行电量化以及并行数据处理，最终实现高速率的光子模数转换。其中，射频驱动模块为高速解复用光开关阵列提供关键的驱动信号，其产生的信号质量决定PADC系统性能的重要因素。另一方面，随着光电子集成技术的发展，PADC系统的集成化和小型化是其创新发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的技术不足，提出一种基于模块封装的并行解复用PADC中的射频驱动装置，将多种射频芯片集成在一个封装壳内。不仅能减小驱动装置的尺寸和功耗，也是实现PADC系统集成化和小型化的关键。

本发明的技术方案如下：

一种基于模块封装的光模数转换系统中的射频驱动装置，其特点在于包括微波板、电源板和封装壳体,

所述的微波板的电路包含第一功分模块、分频模块、调理模块、滤波器和第二功分模块，

所述的调理模块有N个并列的子调理模块，每个子调理模块由依次的第一滤波器、数控衰减器、功率放大器和第二滤波器构成，所述的第一滤波器的输出端与所述的数控衰减器的输入端相连，所述的数控衰减器的输出端与所述的功率放大器的输入端相连，所述的功率放大器的输出端与所述的第二滤波器的输入端相连；

所述的第二功分模块包括N级功分子模块，第1级功分子模块有2⁰路输出端、…、第i级功分子模块有2^i-1路输出端、…、第N级功分子模块有2^N-1路输出端；

所述的第一功分模块的输入端与射频信号输入端相连，第一功分模块的第1输出端与所述的滤波器相连，滤波器的输出端直接输出，第一功分模块的第2输出端与所述的分频模块的输入端相连；所述的分频模块的N路输出端分别依顺序与所述的N路子调理模块的第一滤波器的输入端相连，第二滤波器的输出端分别依顺序与所述的功分模块相应的子功分模块的输入端相连；第N路子调理模块还有第2输出端，所述的调理模块的N个子调理模块的输出端分别与所述的第二功分模块的N个子功分模块的输入端相连，所述的调理模块的第N子调理模块的第2输出端与PADC系统直接相连，其中N为2以上整数；

所述的封装壳体包含主壳、微波面外盖板、微波面内盖板、微波面垫块、电源面垫块和电源面盖板，所述的微波板和电源板通过背靠背的方式嵌于封装壳体内，在所述的微波板的上面依次设置所述的微波面垫块、微波面内盖板、微波面外盖板；在电源板的下面向下依次设置电源面垫块和电源面盖板；所述的封装壳体上设有输入端口、输出端口和调理控制端口；

所述的电源板根据微波板上芯片的需要摆放焊盘、接地孔、通孔、螺栓孔等，电源板的调理控制端输入微波板板上芯片所需的电压；每个数控衰减器有1条电源线和6条控制线通过调理控制端口。

所述的调理模块的功率放大器由一级以上的功率放大器相连构成。

所述的封装壳采用铜或铝制作。

所述的微波板的电路功能采用但不限于芯片或者微带线实现。

所述的微波板的信号传输层可采用但不限于采用铜镀金材料。

所述的微波板的芯片与传输层可采用但不限于采用双线或三线金丝键合。

所述的电源板采用PCB制作。

本发明具有以下优点：

现有技术是采用分立器件(如低噪放模块、分频器模块、功率放大器模块等)搭建系统，产生PADC系统中的射频驱动信号，但面临装置的体积大、功耗大、性能不稳定等缺点。本发明采用芯片集成封装技术来实现该功能，从而大大减小了体积与功耗，对实现PADC系统的集成化和小型化，具有十分关键的作用。

附图说明

图1为本发明基于模块封装的光模数转换系统中的射频驱动装置实施例的整体图。

图2为微波板1电路的实施例图，其中a为微波板1的原理电路架构示意图，b为调理模块1-3的实施例图。

图3为电源板2的实施例图。

图4为封装壳3的实施例图，其中a为主壳体，b为微波面外盖板的实施例图，c为微波面内盖板实施例图，d为微波面压块实施例图，e为微波面垫块实施例图，f为电源面实施例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参阅图1和原理图2-a。图1为本发明基于模块封装的光模数转换系统的射频驱动装置实施例的整体图，该实施例，N＝3，即有一、二、三级分频，其中一级分频为2分频信号，有1路输出信号；二级分频为四分频信号，有2路输出信号；三级分频为八分频信号，有4路输出信号；调理模块的第四路输出端直接输出。还有一路只经过滤波器的输出信号为参考信号。

由图可见，本发明基于模块封装的光模数转换系统的射频驱动装置，包括微波板1、电源板2和封装壳3，所述的微波板1原理图如图2-a所示，用于将输入信号进行多通道分频及多通道输出，各通道信号的功率通过调节各路的数控衰减器1-3-2来实现。所述的电源板2用于为微波板的分频器、功率放大器和数控数控衰减器提供驱动电压，微波板的数控数控衰减器的衰减程度可通过电源板的控制线调节，如图3中的3-3所示。所述的封装壳体3用于承载微波板1和电源板2，微波板1和电源板2通过背靠背的方式嵌于封装壳体3内，同时，金属材质的封装壳可起到屏蔽外部电磁干扰的能力。

所述的微波板1包含第一功分模块1-1、分频模块1-2、调理模块1-3、滤波器1-4及第二功分模块1-5。所述的第一功分模块1-1的输入端与射频输入信号端相连，第一级输出端与滤波器1-4的输入端相连，第二级输出端与所述的分频模块1-2的输入端相连；所述的分频模块1-2包含多级分频器，有3路输出信号；所述的分频模块1-2的3路输出端与所述的调理模块1-3的3路输入端相连；所述的调理模块1-3有3+1路输出端，其中3路输出端与所述的功分模块1-5的3路输入端相连，第4路输出端信号作为PADC系统后端电量化模块的参考信号与PADC系统直接相连；第3分频级的信号的功分模块有2²路输出端。

所述的调理模块1-3包含第一滤波器1-3-1、数控衰减器1-3-2、功率放大器1-3-3和第二滤波器1-3-4。所述的调理模块1-3中的3个第一滤波器1-3-1的输入端分别与第一分频模块的3个输出端相连，所述的调理模块1-3中的第一滤波器1-3-1的输出端与调理模块1-3中的数控衰减器1-3-2的输入端相连，所述的调理模块1-3中的数控衰减器1-3-2的输出端与调理模块1-3中的功率放大器1-3-3的输入端相连，其中功率放大器可根据实际需要多级相连，所述的调理模块1-3中的功率放大器1-3-3的输出端与调理模块1-3中的第二滤波器1-3-4的输入端相连。

参阅图3，所述的电源板2根据微波板1上芯片的需要摆放焊盘、接地孔、通孔、螺栓孔等，以完成供电和控制的功能。所述的微波板1和电源板2通过背靠背的方式嵌于封装壳3，电源板2在微波板1的有源芯片位置挖通孔并在附近摆放焊盘，以通孔的方式进行电气连接。电源板2的调理控制端输入有源芯片所需的电压；每个数控衰减器芯片对应位置有1条电源线3-1和6条控制线3-2，通过调理控制端3-3的控制线控制数控数控衰减器的衰减量。在电源板的空白处，大量铺设接地孔。

所述的封装壳包含主壳体(图4-a)、微波面外盖板(图4-b)、微波面内盖板(图4-c)、微波面垫块(图4-d)、电源面垫块(图4-d)和电源面盖板(图4-f)。封装壳3内先在正面嵌入微波板1，然后在反面嵌入电源板2。在封装壳体正面，微波板1上顺次放微波面垫块、微波面内盖板、微波面外盖板；在封装壳体反面，电源板2上顺次放电源面垫块和电源面盖板。主壳体上有一个射频输入端4-a-1、9个射频输出端4-a-2和一个调理控制端4-a-3，具体摆放位置如图示。

整个系统采用芯片或微带线集成于PCB板，通过PCB板与金属壳体装配，体积小，性能稳定，功能集成度高，对于减小系统尺寸、降低系统功耗，进一步推动PADC系统的集成化和小型化具有重要意义。