Σε έναν όλο και πιο διασυνδεδεμένο κόσμο, η ζήτηση για μετάδοση σήματος υψηλής ταχύτητας και υψηλής χωρητικότητας αμφισβητεί τα όρια των παραδοσιακών συστημάτων ομοαξονικών καλωδίων. Πρόσφατα, το ενδιαφέρον των ανθρώπων για τη μετάδοση ραδιοσυχνοτήτων με οπτικές ίνες (RFoF) αυξάνεται μέρα με τη μέρα. Αυτή η τεχνολογία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα χαμηλής απώλειας και υψηλού εύρους ζώνης των οπτικών ινών με την πολυλειτουργικότητα της επικοινωνίας ραδιοσυχνοτήτων (Εικόνα 1). Το σύστημα RFoF μεταδίδει σήματα ραδιοσυχνοτήτων μέσω οπτικών ινών, επιτυγχάνοντας μετάδοση σήματος σε μεγάλες αποστάσεις, χωρίς παρεμβολές σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών από δορυφορικούς επίγειους σταθμούς, απομακρυσμένες αναπτύξεις κεραιών έως υποδομές 3G-5G και αμυντικά συστήματα. Αυτό το άρθρο διερευνά τις βασικές αρχές του σχεδιασμού συστήματος RFoF.
Οι κύριες λειτουργίες του RFoF
Εικόνα 1: Κύρια χαρακτηριστικά του RFoF. (Πηγή εικόνας: NuPhotonics)
Μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις - ισχύς σήματος
Η απόδοση των ομοαξονικών καλωδίων ποικίλλει ανάλογα με τη διαμόρφωση του καλωδίου. Η απώλεια εισαγωγής ενός τυπικού διηλεκτρικού καλωδίου SMA είναι περίπου 0,25 dB/m (στα 2 GHz). Η απόδοση των φουσκωτών καλωδίων είναι ελαφρώς καλύτερη, αλλά το κόστος είναι πολύ υψηλότερο. Είναι ακριβώς αυτό το χαρακτηριστικό υψηλής απώλειας που κάνει την τεχνολογία RFoF εφαρμόσιμη για αποστάσεις μετάδοσης άνω των 50 μέτρων. Στην τεχνολογία RFoF, τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα μήκη κύματος είναι 1310 nm και 1550 nm. Η απώλεια σε μήκος κύματος 1310 nm είναι περίπου 0,35 dB/km, ενώ η απώλεια σε μήκος κύματος 1550 nm είναι μόνο 0,25 dB/km. Μπορεί να φανεί ότι η απώλεια αυτής της τεχνολογίας είναι σημαντικά μικρότερη από αυτή των ομοαξονικών καλωδίων.
Το DigiKey και το NuPhotonics απλοποιούν τη διαδικασία προμήθειας εξαρτημάτων
Η DigiKey πρωτοστατεί παγκοσμίως στην απλοποίηση της διαδικασίας προμήθειας κρίσιμων εξαρτημάτων. Ερασιτέχνες ενθουσιώδεις, φοιτητές, επαγγελματίες και μεγάλες εταιρείες αγοράζουν όλα εξαρτήματα μέσω του DigiKey. Ως κορυφαίος κατασκευαστής στη βιομηχανία ραδιοσυχνοτήτων και οπτοηλεκτρονικών συσκευών, η NuPhotonics συνεργάστηκε με την DigiKey για να παρέχει εύχρηστα και εύκολα προσβάσιμα προϊόντα εξαρτημάτων για τη βιομηχανία, κάτι που είναι μια φυσική εξέλιξη (βλ. Εικόνα 2).
NuPhotonics 10G PIN φωτοδίοδος ουράς ίνας FC/APC
Εικόνα 2: NuPhotonics10G PIN ουράς ίνας φωτοδιόδου FC/APC. (Πηγή εικόνας: NuPhotonics)
Αν και υπάρχουν επί του παρόντος ορισμένες εμπορικές λύσεις διαθέσιμες, συχνά δεν έχουν οικονομικά οφέλη. Αυτό το άρθρο θα εισαγάγει την τυπική σχεδίαση, δίνοντας τη δυνατότητα στους χρήστες να αναπτύξουν εξειδικευμένες λύσεις χαμηλού κόστους χρησιμοποιώντας εξαρτήματα NuPhotonics. Τα προϊόντα και οι λύσεις που αναφέρονται σε αυτό το άρθρο μπορούν εύκολα να αγοραστούν από το DigiKey.
Σχεδιασμός πομπού RFoF -λέιζερ 10G DFB
Το πρώτο μέρος του σχεδιασμού ενός συστήματος RFoF είναι η ανάπτυξη του πομπού. Για την αρχιτεκτονική RFoF, είναι απαραίτητο να διαμορφώσετε το σήμα RF δεδομένων σε ένα οπτικό σήμα φορέα και στη συνέχεια να το μεταδώσετε μέσω μιας οπτικής ζεύξης. Τα λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης (DFB) μπορούν να διαμορφωθούν απευθείας από σήματα ραδιοσυχνοτήτων, καθιστώντας τα ιδανική συσκευή για τη μετατροπή των ηλεκτρικών σημάτων ραδιοσυχνοτήτων σε οπτικά σήματα. Η βασική αρχή φαίνεται στο Σχήμα 3. Λόγω της μεθόδου πόλωσης από την πλευρά της ανόδου που χρησιμοποιείται στο λέιζερ, είναι επίσης ένα τερματικό εισόδου για τη συχνότητα RF. Για να διασφαλιστεί η ασφάλεια του συστήματος, το κύκλωμα περιλαμβάνει έναν πυκνωτή μπλοκαρίσματος DC (C2). Η τιμή του C2 θα ρυθμιστεί με ακρίβεια σύμφωνα με το επιθυμητό σημείο αποκοπής χαμηλής συχνότητας. Η αντίσταση R1 στο κύκλωμα χρησιμοποιείται για την αντιστοίχιση της σύνθετης αντίστασης του λέιζερ 10 Ω DFB με το σύστημα 50 Ω. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή R1, τόσο καλύτερη είναι η αντιστοίχιση με τη σύνδεση, αλλά το μειονέκτημα είναι ότι θα αυξήσει την απώλεια εισαγωγής της οπτικής ζεύξης. Αυτό μπορεί να επιτύχει ακριβή έλεγχο στάθμης για την επίτευξη των απαιτούμενων ενδείξεων αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης και απώλειας εισαγωγής. Η αντίσταση R2 στο κύκλωμα είναι μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος που χρησιμοποιείται για τον περιορισμό του ρεύματος του λέιζερ. Ο επαγωγέας L είναι μια διαδρομή υψηλής σύνθετης αντίστασης για σήματα ραδιοσυχνοτήτων και επίσης η διαδρομή ρεύματος ελάχιστης σύνθετης αντίστασης για πόλωση DC λέιζερ. Ο πυκνωτής C1 είναι μια προαιρετική συσκευή που χρησιμοποιείται ως πυκνωτής φιλτραρίσματος για το φιλτράρισμα του θορύβου τροφοδοσίας σε πολωμένους πυκνωτές τύπου Τ.
Λέιζερ 10G DFB με πόλωση Τ-junction και κύκλωμα αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης
Εικόνα 3: Λέιζερ 10G DFB με πόλωση Τ-junction και κύκλωμα αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης. (Πηγή εικόνας: NuPhotonics)
Σχεδιασμός RFoF Receiver -10G PIN Photodiode
Το φως στις οπτικές ίνες πρέπει να μετατραπεί σε πιο χρήσιμα ηλεκτρικά σήματα. Για αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν φωτοδίοδοι. Όταν τα φωτόνια με επαρκή ενέργεια συγκρούονται με μια δίοδο, δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων οπών. Αυτός ο μηχανισμός είναι επίσης γνωστός ως εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Αυτές οι οπές κινούνται προς την άνοδο (+) και τα ηλεκτρόνια κινούνται προς την κάθοδο (-). Αυτό το εφέ θα δημιουργήσει φωτορεύμα. Λόγω της εμπλοκής της ευρυζωνικής λειτουργίας στο κύκλωμα, οι φωτοδίοδοι θα λειτουργούν υπό αντίστροφη πόλωση. Όταν γίνεται αντίστροφη πόλωση, το ρεύμα θα διέρχεται μόνο από τη φωτοδίοδο υπό την προϋπόθεση ότι το προσπίπτον φως δημιουργεί φωτορεύμα. Αυτή η μέθοδος προκατάληψης έχει επίσης ένα άλλο πλεονέκτημα, το οποίο είναι η βελτίωση της γραμμικότητας της φωτοδιόδου. Αυξάνοντας το μέγεθος του στρώματος εξάντλησης, ο χρόνος απόκρισης αντίστροφης πόλωσης μπορεί να συντομευτεί. Η αύξηση στο πλάτος του στρώματος εξάντλησης θα μειώσει τη χωρητικότητα της διασταύρωσης και θα αυξήσει την ταχύτητα μετατόπισης των φορέων φόρτισης στη φωτοδίοδο. Ο χρόνος διέλευσης των φορέων φόρτισης μειώνεται και ο χρόνος απόκρισης θα μειωθεί επίσης ανάλογα.
Το σχήμα 4 δείχνει το βασικό κύκλωμα οδήγησης μιας φωτοδιόδου. Υπάρχουν ομοιότητες μεταξύ των κυκλωμάτων φωτοδιόδου και των κυκλωμάτων λέιζερ. Ο πυκνωτής C είναι ένας πυκνωτής μπλοκαρίσματος DC που χρησιμοποιείται για την προστασία των θυρών RF. Ο επαγωγέας L είναι μια διαδρομή γείωσης DC χαμηλής σύνθετης αντίστασης που επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει από τον πείρο πόλωσης DC προς τη γείωση, καθώς ο πυκνωτής μπλοκαρίσματος DC C δεν έχει άμεση διαδρομή γείωσης. Η σωστή επιλογή των R1 και C1 μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση της αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης υψηλής συχνότητας.