W coraz bardziej połączonym świecie zapotrzebowanie na szybką i wydajną transmisję sygnału stanowi wyzwanie dla tradycyjnych systemów kabli koncentrycznych. Ostatnio zainteresowanie ludzi światłowodową transmisją radiową (RFoF) rośnie z dnia na dzień. Technologia ta łączy w sobie zalety światłowodów o niskiej stracie i dużej przepustowości z wielofunkcyjnością komunikacji radiowej (rysunek 1). System RFoF przesyła sygnały RF za pośrednictwem włókien optycznych, zapewniając transmisję sygnału na duże odległości, pozbawioną zakłóceń w szerokim zakresie zastosowań, od satelitarnych stacji naziemnych, zdalnych rozmieszczeń anten, po infrastrukturę 3G-5G i systemy obronne. W tym artykule omówiono podstawowe zasady projektowania systemów RFoF.
Główne funkcje RFoF
Rysunek 1: Główna charakterystyka RFoF. (Źródło obrazu: NuPhotonics)
Transmisja na duże odległości – siła sygnału
Wydajność kabli koncentrycznych różni się w zależności od konfiguracji kabla. Tłumienność typowego dielektrycznego kabla SMA wynosi około 0,25 dB/m (przy 2 GHz). Wydajność nadmuchiwanych kabli jest nieco lepsza, ale koszt jest znacznie wyższy. To właśnie ta charakterystyka wysokich strat sprawia, że technologia RFoF ma zastosowanie w przypadku transmisji na odległość przekraczającą 50 metrów. W technologii RFoF najczęściej stosowanymi długościami fal są 1310 nm i 1550 nm. Strata przy długości fali 1310 nm wynosi około 0,35 dB/km, podczas gdy strata przy długości fali 1550 nm wynosi tylko 0,25 dB/km. Można zauważyć, że straty w tej technologii są znacznie mniejsze niż w przypadku kabli koncentrycznych.
DigiKey i NuPhotonics upraszczają proces zakupu komponentów
DigiKey jest światowym liderem w upraszczaniu procesu zakupu kluczowych komponentów. Entuzjaści-amatorzy, studenci, profesjonaliści i duże korporacje dokonują zakupów komponentów za pośrednictwem DigiKey. Jako wiodący producent w branży urządzeń RF i optoelektroniki, NuPhotonics nawiązał współpracę z DigiKey, aby zapewnić przemysłowi łatwe w użyciu i łatwo dostępne komponenty, co jest naturalnym postępem (patrz rysunek 2).
NuPhotonics 10G PIN ogon fotodiody FC/APC
Rysunek 2: Światłowód ogonowy fotodiody NuPhotonics 10G PIN FC/APC. (Źródło obrazu: NuPhotonics)
Chociaż obecnie dostępnych jest kilka rozwiązań komercyjnych, często brakuje im korzyści ekonomicznych. W tym artykule przedstawiono standardową konstrukcję, umożliwiającą użytkownikom tworzenie tanich, specjalistycznych rozwiązań przy użyciu komponentów NuPhotonics. Produkty i rozwiązania omówione w tym artykule można łatwo kupić w firmie DigiKey.
Konstrukcja nadajnika RFoF - laser DFB 10G
Pierwszą częścią projektowania systemu RFoF jest opracowanie nadajnika. W przypadku architektury RFoF konieczne jest modulowanie sygnału RF danych na optyczny sygnał nośny, a następnie przesyłanie go łączem optycznym. Lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB) można bezpośrednio modulować za pomocą sygnałów o częstotliwości radiowej, co czyni je idealnym urządzeniem do przekształcania sygnałów elektrycznych o częstotliwości radiowej na sygnały optyczne. Podstawową zasadę pokazano na rysunku 3. Ze względu na metodę polaryzacji strony anody stosowaną w laserze, jest on również terminalem wejściowym dla częstotliwości RF. Aby zapewnić bezpieczeństwo systemu, obwód zawiera kondensator blokujący prąd stały (C2). Wartość C2 zostanie precyzyjnie dostrojona zgodnie z pożądanym punktem odcięcia niskiej częstotliwości. Rezystor R1 w obwodzie służy do dopasowania impedancji lasera DFB 10 Ω do układu 50 Ω. Im większa wartość R1, tym lepsze dopasowanie do łącza, ale wadą jest to, że zwiększa to tłumienie wtrąceniowe łącza optycznego. Może to zapewnić precyzyjną kontrolę poziomu w celu osiągnięcia wymaganego dopasowania impedancji i wskaźników tłumienia wtrąceniowego. Rezystor R2 w obwodzie jest rezystorem ograniczającym prąd używanym do ograniczania prądu lasera. Cewka indukcyjna L to ścieżka o wysokiej impedancji dla sygnałów RF, a także ścieżka prądu o minimalnej impedancji dla polaryzacji prądu stałego lasera. Kondensator C1 to opcjonalne urządzenie używane jako kondensator filtrujący do filtrowania szumów zasilania w spolaryzowanych kondensatorach typu T.
Laser DFB 10G ze złączem T polaryzacji i obwodem dopasowującym impedancję
Rysunek 3: Laser DFB 10G ze złączem T polaryzacji i obwodem dopasowującym impedancję. (Źródło obrazu: NuPhotonics)
Konstrukcja odbiornika RFoF - Fotodioda 10G PIN
Światło w światłowodach należy przekształcić w bardziej przydatne sygnały elektryczne. W tym celu można zastosować fotodiody. Kiedy fotony o wystarczającej energii zderzają się z diodą, powstają pary dziur elektronowych. Mechanizm ten nazywany jest również wewnętrznym efektem fotoelektrycznym. Dziury te przesuwają się w stronę anody (+), a elektrony w stronę katody (-). Efekt ten wygeneruje fotoprąd. Ze względu na obecność w obwodzie łącza szerokopasmowego, fotodiody będą działać przy polaryzacji zaporowej. W przypadku polaryzacji zaporowej prąd przepływa przez fotodiodę tylko pod warunkiem, że padające światło generuje fotoprąd. Ta metoda polaryzacji ma jeszcze jedną zaletę, a mianowicie poprawę liniowości fotodiody. Zwiększając rozmiar warstwy zubożonej, można skrócić czas reakcji na odwrotne obciążenie. Zwiększenie szerokości warstwy zubożonej zmniejszy pojemność złącza i zwiększy prędkość dryfu nośników ładunku w fotodiodzie. Skróceniu ulegnie czas tranzytu nośników opłat, a także odpowiednio skrócony zostanie czas reakcji.
Rysunek 4 przedstawia podstawowy obwód sterujący fotodiody. Istnieją podobieństwa między obwodami fotodiod i obwodami laserowymi. Kondensator C to kondensator blokujący prąd stały używany do ochrony portów RF. Cewka indukcyjna L to ścieżka uziemienia prądu stałego o niskiej impedancji, która umożliwia przepływ prądu z kołka polaryzacji prądu stałego do masy, ponieważ kondensator blokujący prąd stały C nie ma bezpośredniej ścieżki uziemienia. Prawidłowy wybór R1 i C1 może pomóc w poprawie dopasowania impedancji wysokich częstotliwości.