در دنیایی که به طور فزاینده ای به هم متصل می شود، تقاضا برای انتقال سیگنال با سرعت و ظرفیت بالا محدودیت های سیستم های کابل کواکسیال سنتی را به چالش می کشد. اخیراً علاقه مردم به انتقال فرکانس رادیویی فیبر نوری (RFoF) روز به روز افزایش یافته است. این فناوری مزایای کم تلفات و پهنای باند بالا فیبر نوری را با چندکاره بودن ارتباطات فرکانس رادیویی ترکیب می کند (شکل 1). سیستم RFoF سیگنالهای RF را از طریق فیبرهای نوری ارسال میکند و به انتقال سیگنال بدون تداخل در مسافتهای طولانی در طیف وسیعی از کاربردها از ایستگاههای زمینی ماهوارهای، استقرار آنتن از راه دور تا زیرساختهای 3G-5G و سیستمهای دفاعی دست مییابد. این مقاله به بررسی اصول اولیه طراحی سیستم RFoF می پردازد.
توابع اصلی RFoF
شکل 1: ویژگی های اصلی RFoF. (منبع تصویر: NuPhotonics)
انتقال از راه دور - قدرت سیگنال
عملکرد کابل های کواکسیال بسته به پیکربندی کابل متفاوت است. تلفات درج یک کابل SMA معمولی دی الکتریک تقریباً 0.25 دسی بل بر متر (در 2 گیگاهرتز) است. عملکرد کابل های بادی کمی بهتر است، اما هزینه آن بسیار بالاتر است. دقیقاً همین ویژگی تلفات زیاد است که باعث می شود فناوری RFoF برای فواصل انتقال بیش از 50 متر قابل استفاده باشد. در فناوری RFoF، متداول ترین طول موج های مورد استفاده 1310 نانومتر و 1550 نانومتر است. تلفات در طول موج 1310 نانومتر تقریباً 0.35 دسی بل بر کیلومتر است، در حالی که تلفات در طول موج 1550 نانومتر تنها 0.25 دسی بل در کیلومتر است. مشاهده می شود که تلفات این فناوری به طور قابل توجهی کمتر از کابل های کواکسیال است.
DigiKey و NuPhotonics فرآیند تهیه کامپوننت را ساده می کنند
DigiKey در ساده سازی فرآیند تدارکات اجزای حیاتی در جهان پیشرو بوده است. علاقه مندان آماتور، دانشجویان، متخصصان و شرکت های بزرگ همگی قطعات را از طریق DigiKey خریداری می کنند. NuPhotonics به عنوان یک تولید کننده پیشرو در صنایع RF و دستگاه های الکترونیکی نوری، با DigiKey همکاری کرده است تا محصولات اجزایی با کاربری آسان و در دسترس را برای صنعت ارائه دهد که یک پیشرفت طبیعی است (شکل 2 را ببینید).
NuPhotonics 10G پین فوتودیود دم فیبر FC/APC
شکل 2: فیبر دم فوتودیود پین NuPhotonics10G FC/APC. (منبع تصویر: NuPhotonics)
اگرچه در حال حاضر برخی از راه حل های تجاری در دسترس هستند، اما اغلب فاقد مزایای اقتصادی هستند. این مقاله طراحی استاندارد را معرفی میکند و کاربران را قادر میسازد تا راهحلهای تخصصی کمهزینه را با استفاده از اجزای NuPhotonics توسعه دهند. محصولات و راه حل های مورد بحث در این مقاله را می توانید به راحتی از دیجی کی خریداری کنید.
طراحی فرستنده RFoF - لیزر 10G DFB
بخش اول طراحی یک سیستم RFoF توسعه فرستنده است. برای معماری RFoF، لازم است سیگنال RF داده را بر روی یک سیگنال حامل نوری مدوله کنیم و سپس آن را از طریق یک پیوند نوری منتقل کنیم. لیزرهای بازخورد توزیع شده (DFB) را می توان مستقیماً توسط سیگنال های فرکانس رادیویی مدوله کرد و آنها را به وسیله ای ایده آل برای تبدیل سیگنال های الکتریکی فرکانس رادیویی به سیگنال های نوری تبدیل کرد. اصل اساسی در شکل 3 نشان داده شده است. با توجه به روش بایاس سمت آند استفاده شده در لیزر، آن همچنین یک ترمینال ورودی برای فرکانس RF است. برای اطمینان از ایمنی سیستم، مدار شامل یک خازن مسدود کننده DC (C2) است. مقدار C2 با توجه به نقطه قطع فرکانس پایین مورد نظر تنظیم می شود. مقاومت R1 در مدار برای تطبیق امپدانس لیزر 10 Ω DFB با سیستم 50 Ω استفاده می شود. هرچه مقدار R1 بزرگتر باشد، تطابق بهتری با پیوند دارد، اما نقطه ضعف آن این است که از دست دادن پیوند نوری را افزایش می دهد. این می تواند به کنترل دقیق سطح برای دستیابی به تطابق امپدانس مورد نیاز و نشانگرهای افت درج دست یابد. مقاومت R2 در مدار یک مقاومت محدود کننده جریان است که برای محدود کردن جریان لیزر استفاده می شود. سلف L یک مسیر امپدانس بالا برای سیگنال های RF و همچنین حداقل مسیر جریان امپدانس برای بایاس لیزر DC است. خازن C1 یک دستگاه اختیاری است که به عنوان خازن فیلتر برای فیلتر کردن صدای منبع تغذیه در خازن های بایاس نوع T استفاده می شود.
لیزر 10G DFB با بایاس اتصال T و مدار تطبیق امپدانس
شکل 3: لیزر 10G DFB با بایاس اتصال T و مدار تطبیق امپدانس. (منبع تصویر: NuPhotonics)
طراحی گیرنده RFoF - فتودیود پین 10G
نور موجود در فیبرهای نوری باید به سیگنال های الکتریکی مفیدتری تبدیل شود. برای این کار می توان از فتودیودها استفاده کرد. هنگامی که فوتون های با انرژی کافی با دیود برخورد می کنند، جفت حفره های الکترونی ایجاد می شود. این مکانیسم به عنوان اثر فوتوالکتریک داخلی نیز شناخته می شود. این سوراخ ها به سمت آند (+) و الکترون ها به سمت کاتد (-) حرکت می کنند. این افکت باعث تولید جریان نوری می شود. به دلیل درگیر بودن عملیات پهنای باند در مدار، فتودیودها تحت بایاس معکوس کار خواهند کرد. هنگامی که بایاس معکوس شود، جریان تنها در شرایطی از فتودیود عبور می کند که نور فرودی جریان نوری ایجاد کند. این روش بایاس مزیت دیگری نیز دارد و آن بهبود خطی بودن فتودیود است. با افزایش اندازه لایه تخلیه، زمان پاسخ بایاس معکوس را می توان کوتاه کرد. افزایش عرض لایه تخلیه ظرفیت اتصال را کاهش می دهد و سرعت رانش حامل های بار در فتودیود را افزایش می دهد. زمان عبور حامل های شارژ کوتاه شده است و زمان پاسخ نیز بر این اساس کوتاه خواهد شد.
شکل 4 مدار اصلی یک فتودیود را نشان می دهد. شباهت هایی بین مدارهای فوتودیود و مدارهای لیزری وجود دارد. خازن C یک خازن مسدود کننده DC است که برای محافظت از پورت های RF استفاده می شود. سلف L یک مسیر زمین DC با امپدانس کم است که اجازه می دهد تا جریان از پایه بایاس DC به زمین جریان یابد، زیرا خازن مسدود کننده DC C مسیر مستقیم زمین ندارد. انتخاب صحیح R1 و C1 می تواند به بهبود تطبیق امپدانس فرکانس بالا کمک کند.