RF su fibra per la trasmissione di segnali RF su lunghe distanze

In un mondo sempre più connesso, la domanda di trasmissioni di segnali ad alta capacità e alta velocità sta superando i limiti dei sistemi tradizionali basati su cavi coassiali. Negli ultimi tempi è cresciuto l'interesse per la radiofrequenza su fibra (o RFoF), una tecnologia che unisce i vantaggi della fibra ottica ad alta larghezza di banda e bassa perdita con la versatilità della comunicazione RF (Figura 1). Trasmettendo segnali RF su fibra ottica, i sistemi RFoF consentono l'invio di segnali a lunga distanza senza interferenze in un'ampia gamma di applicazioni, dalle stazioni terrestri satellitari e dalle installazioni remote di antenne alle infrastrutture 3G-5G e ai sistemi di difesa. Questo articolo esplora i fondamenti della progettazione dei sistemi RFoF.

Figura 1: Caratteristiche principali della tecnologia RFoF. (Immagine per gentile concessione di NuPhotonics)

La potenza del segnale per coprire le distanze

I cavi coassiali offrono vari livelli di prestazioni in base alla configurazione del cavo. I cavi SMA con dielettrici tipici offrono una perdita di inserzione di circa 0,25 dB/m (a 2 GHz). I cavi riempiti di aria ottengono prestazioni leggermente migliori, ma a un costo nettamente superiore. Questa alta perdita è ciò che spinge a utilizzare la tecnologia RFoF per distanze di trasmissione superiori a 50 metri. Questa tecnologia utilizza principalmente due lunghezze d'onda: 1310 nm e 1550 nm. La perdita di segnale ottico è di circa 0,35 dB/km a 1310 nm e di appena 0,25 dB/km a 1550 nm. Come si può notare, questo valore è nettamente inferiore a quello dei cavi coassiali.

DigiKey e NuPhotonics semplificano l'approvvigionamento dei componenti

DigiKey è leader mondiale nel consentire la facile reperibilità di componenti chiave. È utilizzata da hobbisti, studenti, professionisti e grandi aziende. In qualità di leader nel settore dei dispositivi optoelettronici ed RF, era logico che NuPhotonics e DigiKey iniziassero a collaborare per fornire al settore componenti facili da usare e da ottenere (Figura 2).

Figura 2: NuPhotonics offre il componente FC/APC con spiralina a fotodiodo PIN da 10G. (Immagine per gentile concessione di NuPhotonics)

Esistono varie soluzioni disponibili in commercio, che però spesso non sono praticabili dal punto di vista economico. Questo articolo illustra la progettazione standard che consente agli utenti di sviluppare soluzioni specializzate a basso costo utilizzando i componenti di NuPhotonics. I prodotti e le soluzioni qui illustrati sono disponibili presso DigiKey, da cui possono essere comodamente ordinati.

Progettazione del trasmettitore RFoF - Laser DFB da 10G

La prima parte della progettazione di un sistema RFoF consiste nello sviluppo del trasmettitore. Per l'architettura RFoF, un segnale RF che trasporta i dati viene imposto su un segnale a onde luminose prima di essere trasportato sul collegamento ottico. Un laser a retroazione distribuita (DFB) può essere modulato direttamente dal segnale RF, caratteristica che lo rende un componente ideale per trasformare il segnale RF elettrico in un segnale ottico. La Figura 3 mostra uno schema di base. Poiché il laser è polarizzato sul lato dell'anodo, questo è anche l'ingresso per la frequenza RF. Per la sicurezza del sistema, il circuito incorpora un condensatore di blocco c.c. (C2). Il valore di C2 sarà regolato con precisione in base al punto del limite di frequenza inferiore desiderato. Il resistore R1 nel circuito viene utilizzato per l'adattamento di impedenza del laser DFB da 10 Ω a un sistema a 50 Ω. Più alto è il valore di R1, migliore è l'adattamento del collegamento, con l'effetto negativo di aumentare la perdita di inserzione del collegamento ottico. Ciò consente un controllo preciso del livello per ottenere l'adattamento di impedenza e la perdita di inserzione desiderati. Il resistore R2 nel circuito è la resistenza di limitazione della corrente utilizzata per limitare la corrente al laser. L'induttore L funge da percorso ad alta impedenza per il segnale RF e al contempo da percorso di corrente a resistenza minima per la polarizzazione c.c. del laser. Il condensatore C1 è una capacità di filtraggio opzionale utilizzata per filtrare il rumore di alimentazione sulla T di polarizzazione.

Figura 3: Laser DFB da 10G con T di polarizzazione e adattamento di impedenza. (Immagine per gentile concessione di NuPhotonics)

Progettazione del ricevitore RFoF - Fotodiodo PIN da 10G

La luce ottica nella fibra deve essere convertita in un segnale elettrico, più utilizzabile. A tal fine, viene utilizzato un fotodiodo. Quando i fotoni di energia sufficiente colpiscono il diodo, si crea una coppia elettrone-lacuna. Questo meccanismo è noto anche come effetto fotoelettrico interno. Le lacune si muovono verso l'anodo (+) e gli elettroni verso il catodo (-). Questo effetto produce una fotocorrente. Poiché il circuito si occupa del funzionamento a banda larga, il fotodiodo viene fatto funzionare in polarizzazione inversa. In caso di polarizzazione inversa, la corrente fluisce attraverso il fotodiodo solo con la luce incidente, creando una fotocorrente. Questo ha anche il vantaggio di aumentare la linearità del fotodiodo. Il tempo di risposta alla polarizzazione inversa si riduce aumentando le dimensioni dello strato di svuotamento. Questa maggiore larghezza riduce la capacità di giunzione e aumenta la velocità di deriva dei portatori di carica nel fotodiodo. Il tempo di transito dei portatori di carica si riduce, migliorando il tempo di risposta.

La Figura 4 rappresenta il circuito di base per il funzionamento del fotodiodo. Si possono osservare delle somiglianze tra il circuito del fotodiodo e il circuito del laser. Il condensatore C è il condensatore di blocco c.c. che protegge la porta RF. L'induttore L è un percorso c.c. a bassa impedenza verso terra e consente il passaggio della corrente dal pin di polarizzazione c.c. verso terra, poiché il condensatore di blocco c.c. C non consente un percorso diretto verso terra. I componenti R1 e C1 sono stati selezionati per migliorare l'adattamento di impedenza ad alta frequenza.

Figura 4: Fotodiodo pin da 10G con T di polarizzazione e adattamento di impedenza. (Immagine per gentile concessione di NuPhotonics)

Layout della scheda - Considerazioni sulla progettazione RF

La progettazione di circuiti stampati per applicazioni RF non si limita all'instradamento dei segnali e al posizionamento dei componenti; è una disciplina in cui domina il comportamento elettromagnetico e le piccole scelte relative al layout sono determinanti per il successo o il fallimento delle prestazioni. Per ottenere le prestazioni desiderate, è necessario prestare molta attenzione al controllo dell'impedenza e ai percorsi di ritorno di massa per garantire l'assenza di risonanze. Il primo passo sarà quello di selezionare il materiale della PCB. In questo caso, un materiale dielettrico con εr ~ 3 e tan-δ <0,01 garantisce che il segnale RF non venga attenuato a causa delle perdite dielettriche della PCB. Una volta scelto il materiale, è necessario progettare le tracce. Per la progettazione delle tracce RF, esistono vari approcci. È preferibile utilizzare una guida complanare (CPW) in quanto offre migliore isolamento, migliore confinamento del campo elettromagnetico e percorsi di ritorno di massa più brevi per garantire risonanze minime. Nella Figura 5 si può vedere il layout di base dei circuiti delle Figure 3 e 4. È stata utilizzata una guida CPW con numerosi fori di via di terra per garantire percorsi di ritorno minimi per il segnale RF. Il servizio DKRed di DigiKey è un ottimo modo per assicurarsi la rapida consegna di PCB per iniziare a testare il circuito.

Figura 5: Scheda laser DFB da 10G e scheda fotodiodo PIN 10G. (Immagine per gentile concessione di NuPhotonics)

Assemblaggio della PCB

Il fotodiodo e il laser TO-56 possono essere facilmente saldati direttamente sulla PCB. Ciò rende i dispositivi di NuPhotonics facilmente integrabili in PCB standard e li rende una scelta valida sia per gli hobbisti che per i professionisti del settore. La Figura 6 mostra le PCB della Figura 5 assemblate.

Figura 6: PCB con laser e fotodiodi assemblate. (Immagine per gentile concessione di NuPhotonics)

Risultati RF - Collegamento RFoF

Con i dispositivi montati sulle PCB che consentono il facile collegamento con i connettori SMA, è possibile misurare le prestazioni del dispositivo. I test RF sono stati eseguiti su un analizzatore di rete vettoriale. I test eseguiti riguardano in particolare i parametri S S₁₁ e S₂₁. S₁₁ mostra l'efficacia dell'adattamento del laser DFB. Il dispositivo a 1550 nm fa parte della serie a 10 Ω, quindi l'adattamento alla banda larga rappresenta una sfida. S₂₁ è la quantità di perdita o attenuazione rilevata nel collegamento. Un valore di S₂₁ inferiore a 0 dB significa che il collegamento sta perdendo un po' di segnale, mentre un valore superiore a 0 dB indica che il collegamento sta aggiungendo guadagno al segnale RF in ingresso. La Figura 7A mostra il parametro S₂₁ del collegamento, dove si può notare che il sistema complessivo ha una risposta piatta fino a 3 GHz e una larghezza di banda a 3 dB di oltre 6 GHz. Le figure 7B e 7C mostrano l'adattamento S₁₁ rispettivamente del fotodiodo e del laser. Il guadagno complessivo del collegamento è di -2 dB sull'intera banda di frequenza di 6 GHz. I risultati dimostrano che questo metodo è un approccio semplice alla trasmissione di segnali elettrici su lunghe distanze con cavi in fibra ottica. I prodotti di NuPhotonics offrono una soluzione per montaggio su scheda che tanto gli hobbisti quanto i professionisti del settore possono agevolmente incorporare nei loro sistemi.

Figura 7A: Parametro S₂₁ del collegamento (dB). (Immagine per gentile concessione di NuPhotonics)

Figura 7B: Adattamento S₁₁ del fotodiodo (dB). (Immagine per gentile concessione di NuPhotonics)

Figure 7C: Adattamento S₁₁ (dB) del laser. (Immagine per gentile concessione di NuPhotonics)

Conclusione

Senza scendere nei dettagli più tecnici, questo articolo evidenzia quanto sia semplice la progettazione di collegamenti RFoF con i prodotti di NuPhotonics, comodamente disponibili presso DigiKey per la prototipazione. La tecnologia RFoF consente di integrare senza soluzione di continuità i sistemi a radiofrequenza con i vantaggi in termini di bassa perdita, alta larghezza di banda e resistenza alle interferenze offerti dalla fibra ottica. Poiché le reti wireless, i collegamenti satellitari e le applicazioni di difesa richiedono frequenze più elevate, larghezze di banda più ampie e una portata maggiore, la tecnologia RFoF rappresenta una soluzione scalabile e a prova di futuro. La ricerca in atto garantisce miglioramenti in termini di linearità, prestazioni di rumore e rapporto costi/benefici, fattori chiave per sfruttare appieno il potenziale del 5G, del 6G, dei radar avanzati e dei sistemi di comunicazione di prossima generazione.