RF על-גבי סיבים אופטיים - העברת אותות RF ממרחק של כמה מטרים ועד לקילומטרים עם סיבים אופטיים

בעולם יותר ויותר מחובר, הדרישה להעברת אותות במהירות גבוהה ובקיבולת גבוהה דוחפת את גבולות המערכות המסורתיות מבוססות כבלים קואקסיאליים. לאחרונה יש עניין גובר בתדרי רדיו על גבי סיבים אופטיים (RFoF), טכנולוגיה המשלבת את היתרונות של הפסדים נמוכים ורוחב פס גבוה של סיבים אופטיים עם הוורסאטיליות של תקשורת RF (איור 1). על ידי העברת אותות RF על-גבי סיב אופטי, מערכות RFoF מאפשרות העברת אותות למרחקים ארוכים וללא הפרעות במגוון רחב של יישומים - החל מתחנות קרקע ללוויינים ופריסת אנטנות מרוחקות ועד לתשתיות 3G-5G ומערכות הגנה. מאמר זה בוחן את יסודות תכנון מערכת RFoF.

איור 1: המאפיינים העיקריים של RFoF. (מקור התמונה: NuPhotonics‏)

הולכים למרחקים - עוצמת האותות

כבלים קואקסיאליים מציעים ביצועים משתנים בהתאם לתצורת הכבל. כבלי SMA דיאלקטרי טיפוסי מציעים הפסדי תחיבה של כ-dB/m‏ 0.25‏ (ב-GHz‏ 2‏) כבלים ממולאי אוויר משיגים ביצועים מעט טובים יותר, אך בעלות גבוהה יותר משמעותית. הפסדים גבוהים אלה הם הכוח המניע עבור השימוש ב-RFoF למרחקי העברה של מעל 50 מטרים. RFoF משתמש לרוב בשני אורכי גל: nm‏ 1,310‏ ו-nm‏ 1,550‏. הפסדי nm‏ 1,310‏ הם כ-dB/km‏ 0.35‏ של אותות אופטיים, הפסדי nm‏ 1,550‏ הם dB/km‏ 0.25‏ בלבד. כפי שניתן לראות, הפסדים אלה נמוכים יותר משמעותית לעומת כבלים קואקסיאליים.

DigiKey ו-NuPhotonics מאפשרות רכישת רכיבים בקלות

DigiKey היא מובילה עולמית באפשור איתור קל של רכיבים עיקריים. DigiKey משמשת חובבים, סטודנטים, אנשי מקצוע ותאגידים גדולים. כחברה מובילה בתעשיית ה-RF והאופטואלקטרוניקה, היה הגיוני ש-NuPhotonics ו-DigiKey ישתפו פעולה כדי לספק לתעשייה רכיבים קלים לשימוש ונגישים (איור 2).

איור 2: פוטו-דיודה פין FC/APC‏ Pigtail‏ 10G‏. (מקור התמונה: NuPhotonics)

ישנם כמה פתרונות זמינים מסחרית, אך לעיתים הם אינם הגיוניים מבחינה כלכלית. מאמר זה יעסוק בתכנים סטנדרטיים שיאפשרו למשתמשים לפתח פתרונות ייעודיים בעלות נמוכה עם חלקי NuPhotonics. המוצרים והפתרונות הנדונים כאן זמינים ב-DigiKey בתהליך הזמנה קל.

תכנון משדר RFoF‏ - לייזר DFB‏ 10G‏

החלק הראשון בתכנון מערכת RFoF הוא פיתוח המשדר. עבור ארכיטקטורת RFoF, אות RF נושא-נתונים מופעל על אות Lightwave‏ לפני שהוא מועבר דרך הקישור המקומי. לייזר משוב מבוזר (Distributed Feedback Laser‏ - DFB‏) יכול להיות מווסת ישירות על ידי אות RF, מה שהופך אותו לרכיב אידיאלי להמרת אות RF חשמלי לאות אופטי. ניתן לראות תרשים בסיסי באיור 3. מכיוון שממתח הלייזר הוא בצד האנודה, זוהי גם הכניסה עבור תדר ה-RF. עבור בטיחות המערכת, המעגל משלב קבל חסימת DC‏ (C2‏). הערך של C2 יכוונן לפי נקודת הקיטעון הרצויה בתדר הנמוך יותר. הנגד R1 במעגל משמש עבור תיאום אימפדנסים של הלייזר DFB‏ של Ω‏ 10‏ למערכת של Ω‏ 50‏. ככל שערך R1 גבוה יותר, כך תיאום הקישור הוא טוב יותר עם ההשפעה השלילית של הגדלת הפסדי התחיבה של הקישור האופטי. זה מאפשר בקרת רמה מדויקת עבור תיאום אימפדנסים והפסדי תחיבה רצויים. הנגד R2 במעגל הוא התנגדות מגבילת זרם המשמשת להגבלת הזרם ללייזר. משרן L משמש כנתיב אימפדנס גבוה עבור אות ה-RF, ובו בזמן משמש כנתיב זרם בעל התנגדות מינימלית עבור ממתח DC‏ של הלייזר. קבל C1 אופציונלי הוא קיבוליות סינון המשמשת לסינון רעשי ספק-הכוח על ממתח (Bias‏) T‏.

איור 3: לייזר DFB‏ 10G‏ עם Bias-T‏ ותיאום אימפדנסים. (מקור התמונה: NuPhotonics‏)

תכנון מקלט RFoF - פוטו-דיודה פין 10G

יש להמיר את האור האופטי בסיב לאות חשמלי שהוא יותר בר-שימוש. לשם כך משתמשים בפוטו-דיודה. כאשר פוטונים בעלי אנרגיה מספקת פוגעים בדיודה, הם יוצרים זוג של אלקטרון-חור. מנגנון זה ידוע גם בשם האפקט הפוטואלקטרי הפנימי. חורים אלה נעים לכיוון האנודה (+) והאלקטרונים נעים לכיוון הקתודה (-). אפקט זה מייצר זרם פוטואלקטרי. מכיוון שהמעגל עוסק בפעולה בפס-רחב, הפוטו-דיודה פועלת בממתח אחורני. עם ממתח אחורני, זרם יזרום דרך הפוטו-דיודה רק כאשר אור פוגע יוצר זרם פוטונים. יש לכך גם יתרון נוסף של הגברת הלינאריות של הפוטו-דיודה. זמן התגובה של ממתח אחורני מופחת על ידי הגדלת גודל שכבת המיחסור (Depletion‏). רוחב מוגבר זה מפחית את קיבוליות הצומת ומגביר את מהירות הסחיפה של הנשאים בפוטו-דיודה. זמן המעבר של הנשאים מתקצר תוך שיפור זמן התגובה.

איור 4 מייצג את המעגל הבסיסי להפעלת הפוטו-דיודה. ניתן לראות קווי דמיון בין מעגל הפוטו-דיודה לבין מעגל הלייזר. קבל C הוא קבל חוסם DC‏ המגן על נקודת-חיבור ה-RF. משרן L הוא נתיב DC עם אימפדנס נמוך להארקה, ומאפשר לזרם לזרום מפין ממתח DC‏ להארקה מכיוון שקבל C‏ חוסם DC לא יאפשר נתיב ישיר להארקה. הרכיבים R1 ו-C1 נבחרו כדי לסייע בשיפור תיאום אימפדנסים בתדר גבוה.

איור 4: פוטו-דיודה פין 10G עם Bias-T ותיאום אימפדנסים. (מקור התמונה: NuPhotonics)

פרישת ה-PCB - שיקולי תכנון RF

תכנון PCBs‏ עבור יישומי RF כרוך בהרבה יותר מאשר ניתוב אותות ומיקום רכיבים, זהו תחום שבו ההתנהגות האלקטרומגנטית שולטת ובחירות פרישה יכולות לשפר או לקלקל את הביצועים. כדי להשיג את הביצועים הרצויים, יש להקדיש תשומת לב רבה לבקרת האימפדנס ולנתיבי ההחזרה להארקה על מנת להבטיח שלא תהיינה תהודות. הצעד הראשון יהיה בחירת חומר ה-PCB‏. במקרה זה, חומר דיאלקטרי בעל εr ~ 3 ו-tan-δ <0.01 מבטיח שאות ה-RF לא יונחת עקב הפסדים דיאלקטריים של ה-PCB. לאחר בחירת החומר, יש לתכנן את הפסים המוליכים. עבור תכנון פסים מוליכים RF, ישנן מספר גישות. עדיף להשתמש במוליך-גל קופלנרי (CPW‏) מכיוון שהוא יציע בידוד טוב יותר, הגבלה טובה יותר של השדה האלקטרומגנטי, כמו גם נתיבי החזרה להארקה קצרים יותר כדי לסייע בהבטחת תהודות מינימליות. באיור 5 ניתן לראות פרישת מעגלים בסיסית של המעגלים שבאיורים 3 ו-4. משתמשים ב-CPW עם שפע של VIAs הארקה כדי להבטיח נתיבי חזרה מינימליים עבור אות ה-RF. ה-DKRed‏ של DigiKey יהיה אופציה נהדרת עבור תכנון PCBs מהיר כדי להתחיל בבדיקת המעגל.

איור 5: לוח לייזר DFB‏ 10G‏ ולוח פוטו-דיודה פין 10G‏. (מקור התמונה: NuPhotonics‏)

הרכבת ה-PCB

לייזר TO-56‏ ופוטו-דיודה מולחמים בקלות ישירות ל-PCB‏. זה מאפשר לשלב בקלות את התקני NuPhotonics ב-PCBs‏ סטנדרטיים והופך אותם לבחירה רצויה הן עבור חובבים והן עבור אנשי מקצוע בתעשייה. איור 6 מציג את ה-PCBs‏ המורכבים מאיור 5.

איור 6: לוח PCB מורכב של פוטו-דיודה ולייזר. (מקור התמונה: NuPhotonics)

תוצאות RF - קישור RFoF

כאשר ההתקנים מורכבים על גבי ה-PCBs‏, ניתן לחבר אותם בקלות באמצעות מחברי SMA, כך שניתן יהיה למדוד את ביצועי ההתקן. בדיקות RF בוצעו על גבי נתח רשת וקטורי. הבדיקות שבוצעו יבחנו ספציפית את פרמטרי S‏ _11‏S‏ ו-_21‏S‏. _11‏S‏ יראה עד כמה לייזר DFB מתואם היטב. ה-nm‏ 1,550‏ הוא התקן טורי Ω‏ 10‏, כך שתיאום פס-רחב להתקן מהווה אתגר. _21‏S‏ הוא כמות ההפסדים או הניחות הנראים בקישור. המשמעות של _21‏S‏ מתחת ל-dB‏ 0‏ היא שהקישור מאבד חלק מהאות ומעל dB‏ 0‏ שהקישור מוסיף הגבר לאות RF‏ כניסה. איור 7A מציג את _21‏S‏ של הקישורשבו ניתן לראות שלמערכת הכוללת יש היענות שטוחה עד GHz‏ 3‏ ורוחב-פס dB‏ 3‏ ב-GHz‏ +6‏. איורים 7B ו-7C מראים את תיאום _11‏S‏ של הפוטו-דיודה והלייזר, בהתאמה. הגבר הקישור הכולל הוא dB‏ 2‏- על פני כל פס התדרים GHz‏ 6‏. התוצאות מראות ששיטה זו היא גישה קלה להעברת אותות חשמליים על פני מרחקים ארוכים עם כבלי סיבים אופטיים. מוצרי NuPhotonics מספקים פתרון קל להרכבה על PCB שגם חובבים וגם אנשי מקצוע בתעשייה יכולים לשלב במערכות שלהם.

איור 7A‏: _21‏‏S‏ (dB‏) של הקישור. מקור התמונה: NuPhotonics‏)

איור 7B‏: _11‏‏S‏ (dB‏) של הפוטו-דיודה. מקור התמונה: NuPhotonics‏)

איור 7C‏: תיאום _11‏S‏ (dB‏) של הלייזר. (מקור התמונה: NuPhotonics‏)

סיכום

מאמר זה מדגיש עד כמה קל יכול להיות תכנון קישור RFoF עם מוצרי NuPhotonics‏ הזמינים בקלות מ-DigiKey עבור בניית אב-טיפוס, תוך שהוא רק מגרד את פני השטח של תכנון קישורי RFoF. RFoF מאפשר אינטגרציה חלקה של מערכות תדר רדיו עם היתרונות של סיב אופטי בעל הפסדים נמוכים, רוחב-פס רחב וחסינות להפרעות. מכיוון שרשתות אלחוטיות, קישורי לוויין ויישומי הגנה וביטחון דורשים תדרים גבוהים יותר, רוחבי-פס רחבים יותר וטווח הגעה ארוך יותר, RFoF מציע פתרון מידרגי ומובטח-עתיד. מחקר מתמיד מבטיח ששיפורים בלינאריות, ביצועי רעש וחסכון בעלות הם גורמים עיקריים לניצול מלוא הפוטנציאל של 5G, 6G, ראדאר מתקדם ומערכות תקשורת של הדור-הבא.