В мире, который становится все более взаимосвязанным, потребность в высокоскоростной передаче сигналов с высокой пропускной способностью бросает вызов ограничениям традиционных коаксиальных кабельных систем. В последнее время интерес людей к оптоволоконной радиочастотной передаче (RFoF) растет с каждым днем. Эта технология сочетает в себе преимущества оптоволокна с низкими потерями и высокой пропускной способностью с многофункциональностью радиочастотной связи (рис. 1). Система RFoF передает радиочастотные сигналы по оптическим волокнам, обеспечивая передачу сигналов без помех на большие расстояния в широком спектре приложений: от наземных спутниковых станций, удаленных антенн до инфраструктуры 3G-5G и оборонных систем. В этой статье исследуются основные принципы проектирования системы RFoF.
Основные функции RFoF
Рисунок 1: Основные характеристики RFoF. (Источник изображения: NuPhotonics)
Передача на большие расстояния – уровень сигнала
Характеристики коаксиальных кабелей различаются в зависимости от конфигурации кабеля. Вносимые потери типичного диэлектрического кабеля SMA составляют примерно 0,25 дБ/м (на частоте 2 ГГц). Характеристики надувных тросов немного лучше, но и стоимость значительно выше. Именно эта характеристика высоких потерь делает технологию RFoF применимой на расстояниях передачи, превышающих 50 метров. В технологии RFoF наиболее часто используемые длины волн — 1310 нм и 1550 нм. Потери на длине волны 1310 нм составляют примерно 0,35 дБ/км, тогда как потери на длине волны 1550 нм составляют всего 0,25 дБ/км. Видно, что потери по этой технологии существенно ниже, чем у коаксиальных кабелей.
DigiKey и NuPhotonics упрощают процесс закупки компонентов
DigiKey является мировым лидером в упрощении процесса закупок критически важных компонентов. Энтузиасты-любители, студенты, профессионалы и крупные корпорации приобретают компоненты через DigiKey. Являясь ведущим производителем в области радиочастотных и оптоэлектронных устройств, компания NuPhotonics заключила партнерское соглашение с DigiKey, чтобы предоставить отрасли простые в использовании и легкодоступные компоненты, что является естественным развитием (см. рисунок 2).
NuPhotonics 10G PIN-фотодиод, оптоволокно FC/APC
Рисунок 2: хвостовое волокно фотодиода NuPhotonics10G PIN FC/APC. (Источник изображения: NuPhotonics)
Хотя в настоящее время существуют некоторые коммерческие решения, они часто не имеют экономической выгоды. В этой статье будет представлен стандартный дизайн, позволяющий пользователям разрабатывать недорогие специализированные решения с использованием компонентов NuPhotonics. Продукты и решения, обсуждаемые в этой статье, можно легко приобрести у DigiKey.
Конструкция передатчика RFoF - лазер DFB 10G
Первой частью проектирования системы RFoF является разработка передатчика. Для архитектуры RFoF необходимо модулировать RF-сигнал данных оптическим несущим сигналом, а затем передавать его по оптической линии связи. Лазеры с распределенной обратной связью (DFB) могут напрямую модулировать радиочастотные сигналы, что делает их идеальным устройством для преобразования радиочастотных электрических сигналов в оптические сигналы. Основной принцип показан на рисунке 3. Благодаря методу смещения на стороне анода, используемому в лазере, он также является входным терминалом для радиочастотного сигнала. Для обеспечения безопасности системы в схему включен блокирующий конденсатор постоянного тока (C2). Значение C2 будет точно настроено в соответствии с желаемой точкой среза низких частот. Резистор R1 в схеме используется для согласования импеданса DFB-лазера сопротивлением 10 Ом с системой сопротивлением 50 Ом. Чем больше значение R1, тем лучше согласование с линией связи, но недостатком является то, что это увеличивает вносимые потери оптической линии связи. Это позволяет обеспечить точный контроль уровня для достижения требуемого согласования импеданса и показателей вносимых потерь. Резистор R2 в схеме представляет собой токоограничивающий резистор, используемый для ограничения тока лазера. Индуктор L представляет собой путь с высоким импедансом для радиочастотных сигналов, а также путь тока с минимальным импедансом для лазерного смещения постоянного тока. Конденсатор C1 — это дополнительное устройство, используемое в качестве фильтрующего конденсатора для фильтрации помех источника питания на смещенных конденсаторах Т-типа.
DFB-лазер 10G со смещением Т-образного перехода и схемой согласования импеданса
Рисунок 3: DFB-лазер 10G с Т-образным переходом смещения и схемой согласования импеданса. (Источник изображения: NuPhotonics)
Конструкция приемника RFoF - PIN-фотодиод 10G
Свет в оптических волокнах необходимо преобразовать в более полезные электрические сигналы. Для этого можно использовать фотодиоды. Когда фотоны с достаточной энергией сталкиваются с диодом, генерируются пары электронов и дырок. Этот механизм также известен как внутренний фотоэлектрический эффект. Эти дырки движутся к аноду (+), а электроны — к катоду (-). Этот эффект будет генерировать фототок. Благодаря задействованию в схеме широкополосного режима фотодиоды будут работать под обратным смещением. При обратном смещении ток будет проходить через фотодиод только при условии, что падающий свет генерирует фототок. Этот метод смещения также имеет еще одно преимущество, заключающееся в улучшении линейности фотодиода. Увеличивая размер обедненного слоя, можно сократить время реакции на обратное смещение. Увеличение ширины обедненного слоя приведет к уменьшению емкости перехода и увеличению скорости дрейфа носителей заряда в фотодиоде. Время прохождения носителей заряда сокращается, соответственно сокращается и время отклика.
На рисунке 4 показана базовая схема управления фотодиодом. Между схемами фотодиодов и лазерными схемами есть сходство. Конденсатор C — это блокирующий конденсатор постоянного тока, используемый для защиты радиочастотных портов. Индуктор L представляет собой заземляющий путь постоянного тока с низким импедансом, который позволяет току течь от контакта смещения постоянного тока к земле, поскольку блокирующий конденсатор постоянного тока C не имеет прямого пути заземления. Правильный выбор R1 и C1 может помочь улучшить согласование высокочастотных импедансов.