面向微波光子雷达应用的激光驱动电路研制

摘 要：信号源是雷达发射机与接收机的关键组成部分，其性能直接影响着雷达的探测能力。基于电子技术的信号产生在信号载频、带宽等特性方面受到限制，难以满足未来高性能雷达的需求。新兴的微波光子技术能利用光子学手段产生高质量微波信号，在雷达信号产生领域具有广阔的应用前景。文章主要介绍了用于微波光子雷达技术中的半导体激光器驱动电路的研制，该恒流源电路采用功率晶体管作电流控制元件，运用负反馈原理稳定输出电流，半导体激光器的驱动电流0A～350mA连续可调。在TINA 环境下进行模拟，结果显示该驱动电路满足设计需求，对类似电路设计有很好的借鉴作用。

关键词：激光器驱动电路；微波光子雷达技术；研制

引言

雷达是20世纪人类在电子工程领域的伟大发明之一[1]，它利用无线电波在传播时遇到障碍物后反射的特性确定目标方位、距离、高度等信息，如今已经广泛应用于军用与民用的诸多领域，并发挥着重要作用。信号源是雷达发射机与接收机必须具备的模块，其性能决定着雷达的探测精度、距离等。尽管电子技术发展成熟，但随着下一代雷达对更高载波频率、更大工作带宽等的需求逐渐迫切，实现信号产生的电子器件在高频的工作带宽窄并且噪声特性差，这从源头上限制了雷达性能的提升。

近些年新兴的微波光子学，利用光子技术实现微波信号的产生与处理，具有高精度和大带宽等优势，可以直接实现毫米波频段的高稳定本振和任意波形产生，避免倍频及上变频操作引起的信号质量下降[2-4]。微波光子学赋予了雷达更加蓬勃的生命力，并有望改变雷达体制。作为微波光子雷达系统的关键性器件，半导体激光器具有体积小、重量轻、耗电省、结构简单、价格低等优点。目前半导体激光器光频调谐的主要方式是电流调制方式，其调制精度直接关系着光频调谐精度，最终关系到微波光子雷达的探测精度，因此设计出抗干扰能力强，恒流稳定的驱动电路十分重要。基于国内外的研究现状，文章设计了一款半导体激光器恒流源驱动电路，并通过TINA软件仿真和实验来验证电路的有效性。

1 恒流源驱动电路的工作原理

半导体激光器是一种在电流注入下能够发出相干辐射光的光电子器件，注入电流与输出光频在一定范围内呈线性关系[5]，因此注入电流的稳定性对半导体激光器的光频输出有直接影响。驱动电路的主要任务是为激光器提供一个低纹波的稳恒电流。文章利用电流负反馈的原理，设计了一款压控恒流源电路，可实现对激光器的恒流驱动，原理框图如图1所示。该恒流源驱动电路主要包括基准电压源、误差放大器、跨阻放大器、电流采样电阻和功率场效应管五个部分。

选用ADR440作为基准电压源，为误差放大器提供高精密度、低温漂、低噪声的电压参考。其工作电流为5mA，提供2.5V电压基准，然后通过电阻分压得到VF1送误差放大器MAX4475同相端，控制半导体激光器驱动电流的大小。

半导体激光器和采样电阻Rs相串联，作为负载串联在晶体管FZT651的发射极。采样电阻跨接在跨阻放大器INA118两个输入端，将流经半导体激光器的电流ILD转换成电压，通过增益电阻Rg放大后得到V0送入误差放大器MAX4475的反相输入端。同时，反相端电压V0跟随同向端VF1，形成闭环负反馈控制。最后，误差放大器的输出端驱动晶体管基极，使流经发射极的电流为一个稳恒电流。采样电阻应选择功率大，精密度高，阻值小的电阻，它决定着激光器驱动电流ILD的精度。在实际电路中，采样电阻为2.6Ω/10W。这样，就可以实现电压VF1对半导体激光器驱动电流的线性控制，如公式（1）所示。

VF1=V0=ILD*Rs*（1+50/Rg） （1）

2 电路原理图及仿真结果

在实际电路制作之前，利用TINA电路仿真软件对电路进行了搭建与仿真，仿真电路原理图如图2所示。根据实验选用的半导体激光的技术参数，选用了与此等效的发光二极管LD串联电阻R2（1Ω）进行了等效，由于仿真电路中的电源均为理想的电压源，故将实际电路中基准电压源直接用理想直流电压VREF2.05替代。VREF2.05通过电阻R5，R7分压得到VF1送误差放大器U1（MAX4475）同相端。设置R5，R7的分压比，使VF1=1.83V，仿真结果如图3（a）所示。此时，流经半导体激光器的电流ILD=306.71mA。仿真结果跟采用公式（1）理论计算得到的结果完全一致。根据公式（1）可知，当电阻参数不变时，半导体激光器输出电流与电压VF1值成正比，也就是说电流随着VF1的增大而线性增大。对恒流源驱动电路进行了直流扫描分析，仿真结果如图3（b）所示。从图3（b）可以看到，半导体激光器的驱动电流ILD0A～350mA连续可调；VF1和ILD之间呈线性关系，线性度达99.3%。

3 结束语

文章介绍了一种采用高功率晶体管作电流控制元件，运用负反馈原理，实现压控恒流源的半导体激光器驱动电路的设计。采用TINA电路仿真软件对恒流源电路进行了电流测试、直流扫描分析的仿真实验。仿真结果表明，电路的驱动电流与控制电压成线性关系，且线性度达到99.3%，实现了驱动电流ILD0A～350mA连续可调。文章为微波光子雷达技术中的半导体激光器驱动电路的研制提供了一定的参考价值。

参考文献

[1]Skolnik M I.Introduction to radar[M].New York：McGraw Hill Profassional， 1962：1-29.

[2]Capmany J，Novak D. Microwave photonics combines two world [J]. Nature Photinics， 2007，1（6）：319-330.

[3]Yao J. Microwave photonics[J].Journal of Lightwave Technology，2009，27（3）：314-335.

[4]Seeds A J，Williams K J， Microwave photonics [J].Journal of Lightwave Technology，2006，24（12）：4628-4641.

[5]朱茂华，黄德康，钟福艳.半导体激光器的电流调制特性研究[J]. 大学物理实验，2003，16（04）：14-15.