In een steeds meer onderling verbonden wereld daagt de vraag naar signaaloverdracht met hoge snelheid en hoge capaciteit de grenzen van traditionele coaxiale kabelsystemen uit. De laatste tijd is de belangstelling van mensen voor radiofrequentietransmissie via glasvezel (RFoF) met de dag toegenomen. Deze technologie combineert de lage verliezen en hoge bandbreedtevoordelen van glasvezel met de multifunctionaliteit van radiofrequentiecommunicatie (Figuur 1). Het RFoF-systeem verzendt RF-signalen via optische vezels, waardoor interferentievrije signaaloverdracht over lange afstanden wordt bereikt in een breed scala aan toepassingen, van satellietgrondstations, antenne-implementaties op afstand tot 3G-5G-infrastructuur en defensiesystemen. Dit artikel onderzoekt de basisprincipes van RFoF-systeemontwerp.
De belangrijkste functies van RFoF
Figuur 1: Belangrijkste kenmerken van RFoF. (Afbeeldingsbron: NuPhotonics)
Transmissie over lange afstanden - signaalsterkte
De prestaties van coaxkabels variëren afhankelijk van de kabelconfiguratie. Het invoegverlies van een typische diëlektrische SMA-kabel bedraagt ongeveer 0,25 dB/m (bij 2 GHz). De prestaties van opblaasbare kabels zijn iets beter, maar de kosten zijn veel hoger. Het is precies deze hoge verlieseigenschap die de RFoF-technologie toepasbaar maakt voor transmissieafstanden groter dan 50 meter. In de RFoF-technologie zijn de meest gebruikte golflengten 1310 nm en 1550 nm. Het verlies bij een golflengte van 1310 nm bedraagt ongeveer 0,35 dB/km, terwijl het verlies bij een golflengte van 1550 nm slechts 0,25 dB/km bedraagt. Het is duidelijk dat het verlies van deze technologie aanzienlijk lager is dan dat van coaxkabels.
DigiKey en NuPhotonics vereenvoudigen het inkoopproces van componenten
DigiKey is wereldwijd toonaangevend in het vereenvoudigen van het inkoopproces van cruciale componenten. Amateurliefhebbers, studenten, professionals en grote bedrijven kopen allemaal componenten via DigiKey. Als toonaangevende fabrikant in de RF- en opto-elektronische apparatenindustrie is NuPhotonics een partnerschap aangegaan met DigiKey om eenvoudig te gebruiken en gemakkelijk toegankelijke componentproducten voor de industrie te leveren, wat een natuurlijke ontwikkeling is (zie figuur 2).
NuPhotonics 10G PIN fotodiode staartvezel FC/APC
Figuur 2: NuPhotonics10G PIN fotodiode staartvezel FC/APC. (Afbeeldingsbron: NuPhotonics)
Hoewel er momenteel enkele commerciële oplossingen beschikbaar zijn, ontberen deze vaak economische voordelen. Dit artikel introduceert een standaardontwerp, waardoor gebruikers goedkope gespecialiseerde oplossingen kunnen ontwikkelen met behulp van NuPhotonics-componenten. De producten en oplossingen die in dit artikel worden besproken, kunnen eenvoudig worden gekocht bij DigiKey.
RFeF-zenderontwerp -10G DFB-laser
Het eerste deel van het ontwerpen van een RFoF-systeem is het ontwikkelen van de zender. Voor RFoF-architectuur is het noodzakelijk om het RF-gegevenssignaal te moduleren op een optisch draaggolfsignaal en dit vervolgens via een optische link te verzenden. Gedistribueerde feedbacklasers (DFB's) kunnen direct worden gemoduleerd door radiofrequentiesignalen, waardoor ze een ideaal apparaat zijn voor het omzetten van radiofrequentie-elektrische signalen in optische signalen. Het basisprincipe wordt weergegeven in figuur 3. Vanwege de anodezijdevoorspanningsmethode die in de laser wordt gebruikt, is deze ook een ingangsterminal voor de RF-frequentie. Om de systeemveiligheid te garanderen, is het circuit voorzien van een DC-blokkeercondensator (C2). De waarde van C2 wordt nauwkeurig afgestemd op basis van het gewenste laagfrequente afsnijpunt. De weerstand R1 in het circuit wordt gebruikt om de impedantie van de 10 Ω DFB-laser af te stemmen op het 50 Ω-systeem. Hoe groter de R1-waarde, hoe beter de matching met de link, maar het nadeel is dat dit het invoegverlies van de optische link vergroot. Hierdoor kan nauwkeurige niveauregeling worden bereikt om de vereiste impedantie-matching en invoegverliesindicatoren te bereiken. De weerstand R2 in het circuit is een stroombegrenzende weerstand die wordt gebruikt om de stroom van de laser te beperken. Inductor L is een pad met hoge impedantie voor RF-signalen en ook het stroompad met minimale impedantie voor DC-voorspanning van de laser. Condensator C1 is een optioneel apparaat dat wordt gebruikt als filtercondensator om voedingsruis op voorgespannen T-type condensatoren weg te filteren.
10G DFB-laser met bias-T-splitsing en impedantie-aanpassingscircuit
Figuur 3: 10G DFB-laser met bias-T-splitsing en impedantie-aanpassingscircuit. (Afbeeldingsbron: NuPhotonics)
RFeF-ontvangerontwerp -10G PIN-fotodiode
Het licht in optische vezels moet worden omgezet in nuttiger elektrische signalen. Hiervoor kunnen fotodiodes worden gebruikt. Wanneer fotonen met voldoende energie tegen een diode botsen, worden elektronengatparen gegenereerd. Dit mechanisme staat ook bekend als het interne foto-elektrische effect. Deze gaten bewegen richting de anode (+) en elektronen bewegen richting de kathode (-). Dit effect zal fotostroom genereren. Vanwege de betrokkenheid van breedbandwerking in het circuit, zullen fotodiodes onder omgekeerde voorspanning werken. Bij omgekeerde voorspanning zal de stroom alleen door de fotodiode gaan onder de voorwaarde dat invallend licht fotostroom genereert. Deze biasmethode heeft ook nog een ander voordeel, namelijk het verbeteren van de lineariteit van de fotodiode. Door de grootte van de uitputtingslaag te vergroten, kan de responstijd voor de tegengestelde bias worden verkort. De toename van de breedte van de uitputtingslaag zal de junctiecapaciteit verminderen en de driftsnelheid van ladingsdragers in de fotodiode verhogen. De transittijd van ladingdragers wordt verkort en de responstijd wordt dienovereenkomstig verkort.
Figuur 4 toont het basisstuurcircuit van een fotodiode. Er zijn overeenkomsten tussen fotodiodecircuits en lasercircuits. Condensator C is een DC-blokkeercondensator die wordt gebruikt om RF-poorten te beschermen. Inductor L is een DC-aardingspad met lage impedantie waardoor stroom van de DC-voorspanningspin naar aarde kan vloeien, aangezien DC-blokkeercondensator C geen direct aardpad heeft. Als u R1 en C1 correct kiest, kunt u de aanpassing van de hoogfrequente impedantie helpen verbeteren.