ในโลกที่เชื่อมต่อถึงกันมากขึ้น ความต้องการการส่งสัญญาณความเร็วสูงและความจุสูงกำลังท้าทายขีดจำกัดของระบบสายโคแอกเชียลแบบดั้งเดิม เมื่อเร็ว ๆ นี้ความสนใจของผู้คนเกี่ยวกับการส่งคลื่นความถี่วิทยุใยแก้วนำแสง (RFoF) เพิ่มขึ้นทุกวัน เทคโนโลยีนี้รวมข้อดีของการสูญเสียต่ำและแบนด์วิธสูงของไฟเบอร์ออปติกเข้ากับฟังก์ชันการสื่อสารด้วยคลื่นความถี่วิทยุแบบมัลติฟังก์ชั่น (รูปที่ 1) ระบบ RFoF ส่งสัญญาณ RF ผ่านใยแก้วนำแสง ทำให้สามารถส่งสัญญาณระยะไกลและปราศจากการรบกวนในการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่สถานีภาคพื้นดินผ่านดาวเทียม การใช้เสาอากาศระยะไกล ไปจนถึงโครงสร้างพื้นฐาน 3G-5G และระบบป้องกัน บทความนี้จะสำรวจหลักการพื้นฐานของการออกแบบระบบ RFoF
หน้าที่หลักของ RFoF
รูปที่ 1: ลักษณะสำคัญของ RFoF (แหล่งรูปภาพ: NuPhotonics)
การส่งสัญญาณทางไกล - ความแรงของสัญญาณ
ประสิทธิภาพของสายโคแอกเชียลจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าสายเคเบิล การสูญเสียการแทรกของสายเคเบิล SMA ที่เป็นฉนวนทั่วไปคือประมาณ 0.25 dB/m (ที่ 2 GHz) ประสิทธิภาพของสายเป่าลมนั้นดีขึ้นเล็กน้อย แต่ราคาก็สูงกว่ามาก คุณลักษณะการสูญเสียสูงนี้เองที่ทำให้เทคโนโลยี RFoF สามารถใช้ได้กับระยะการส่งข้อมูลที่เกิน 50 เมตร ในเทคโนโลยี RFoF ความยาวคลื่นที่ใช้กันมากที่สุดคือ 1310 นาโนเมตร และ 1550 นาโนเมตร การสูญเสียที่ความยาวคลื่น 1310 นาโนเมตรจะอยู่ที่ประมาณ 0.35 เดซิเบล/กม. ในขณะที่การสูญเสียที่ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรจะอยู่ที่ประมาณ 0.25 เดซิเบล/กม. จะเห็นได้ว่าการสูญเสียของเทคโนโลยีนี้ต่ำกว่าสายโคแอกเชียลอย่างมาก
DigiKey และ NuPhotonics ทำให้กระบวนการจัดซื้อส่วนประกอบง่ายขึ้น
DigiKey เป็นผู้นำระดับโลกในการทำให้กระบวนการจัดซื้อส่วนประกอบที่สำคัญง่ายขึ้น ผู้ที่ชื่นชอบมือสมัครเล่น นักเรียน มืออาชีพ และองค์กรขนาดใหญ่ต่างก็ซื้อส่วนประกอบผ่าน DigiKey ในฐานะผู้ผลิตชั้นนำในอุตสาหกรรม RF และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ NuPhotonics ได้ร่วมมือกับ DigiKey เพื่อจัดหาผลิตภัณฑ์ส่วนประกอบที่ใช้งานง่ายและเข้าถึงได้ง่ายสำหรับอุตสาหกรรม ซึ่งเป็นความก้าวหน้าตามธรรมชาติ (ดูรูปที่ 2)
NuPhotonics 10G PIN โฟโตไดโอดไฟเบอร์หาง FC/APC
รูปที่ 2: ไฟเบอร์โฟโตไดโอดหาง NuPhotonics10G PIN FC/APC (แหล่งรูปภาพ: NuPhotonics)
แม้ว่าในปัจจุบันจะมีโซลูชันเชิงพาณิชย์อยู่บ้าง แต่ก็มักจะขาดผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ บทความนี้จะแนะนำการออกแบบมาตรฐาน ช่วยให้ผู้ใช้สามารถพัฒนาโซลูชันพิเศษราคาประหยัดโดยใช้ส่วนประกอบของ NuPhotonics ผลิตภัณฑ์และโซลูชั่นที่กล่าวถึงในบทความนี้สามารถซื้อได้อย่างง่ายดายจาก DigiKey
การออกแบบเครื่องส่งสัญญาณ RFoF -10G DFB เลเซอร์
ส่วนแรกของการออกแบบระบบ RFoF คือการพัฒนาเครื่องส่งสัญญาณ สำหรับสถาปัตยกรรม RFoF จำเป็นต้องปรับสัญญาณ RF ข้อมูลไปยังสัญญาณพาหะแบบออปติคัล จากนั้นส่งสัญญาณผ่านลิงก์แบบออปติคอล เลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจาย (DFB) สามารถมอดูเลตได้โดยตรงด้วยสัญญาณความถี่วิทยุ ทำให้เป็นอุปกรณ์ที่เหมาะสำหรับการแปลงสัญญาณไฟฟ้าความถี่วิทยุเป็นสัญญาณแสง หลักการพื้นฐานแสดงไว้ในรูปที่ 3 เนื่องจากวิธีไบแอสด้านแอโนดที่ใช้ในเลเซอร์ จึงเป็นขั้วอินพุตสำหรับความถี่ RF เช่นกัน เพื่อให้มั่นใจถึงความปลอดภัยของระบบ วงจรจึงรวมตัวเก็บประจุบล็อกกระแสตรง (C2) ไว้ด้วย ค่าของ C2 จะถูกปรับอย่างละเอียดตามจุดตัดความถี่ต่ำที่ต้องการ ตัวต้านทาน R1 ในวงจรใช้เพื่ออิมพีแดนซ์จับคู่เลเซอร์ DFB 10 Ω กับระบบ 50 Ω ยิ่งค่า R1 มากเท่าไร การจับคู่กับลิงก์ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น แต่ข้อเสียคือมันจะเพิ่มการสูญเสียการแทรกของลิงก์แบบออปติคอล ซึ่งสามารถควบคุมระดับได้อย่างแม่นยำเพื่อให้ได้ตัวบ่งชี้การจับคู่อิมพีแดนซ์และการสูญเสียการแทรกที่ต้องการ ตัวต้านทาน R2 ในวงจรคือตัวต้านทานจำกัดกระแสที่ใช้เพื่อจำกัดกระแสของเลเซอร์ ตัวเหนี่ยวนำ L เป็นเส้นทางอิมพีแดนซ์สูงสำหรับสัญญาณ RF และยังเป็นเส้นทางกระแสอิมพีแดนซ์ขั้นต่ำสำหรับไบแอสเลเซอร์ DC ตัวเก็บประจุ C1 เป็นอุปกรณ์เสริมที่ใช้เป็นตัวเก็บประจุกรองเพื่อกรองสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟบนตัวเก็บประจุชนิด T แบบเอนเอียง
เลเซอร์ 10G DFB พร้อมทางแยกไบแอสและวงจรจับคู่อิมพีแดนซ์
รูปที่ 3: เลเซอร์ 10G DFB ที่มีอคติ T-junction และวงจรจับคู่อิมพีแดนซ์ (แหล่งรูปภาพ: NuPhotonics)
การออกแบบตัวรับ RFoF -โฟโตไดโอด PIN 10G
แสงในใยแก้วนำแสงจะต้องถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่มีประโยชน์มากกว่า สำหรับสิ่งนี้คุณสามารถใช้โฟโตไดโอดได้ เมื่อโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอชนกับไดโอด จะเกิดคู่รูอิเล็กตรอนขึ้น กลไกนี้เรียกอีกอย่างว่าเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายใน รูเหล่านี้จะเคลื่อนไปทางขั้วบวก (+) และอิเล็กตรอนเคลื่อนไปทางแคโทด (-) เอฟเฟกต์นี้จะสร้างกระแสแสง เนื่องจากการมีส่วนร่วมของการดำเนินการบรอดแบนด์ในวงจร โฟโตไดโอดจะทำงานภายใต้อคติย้อนกลับ เมื่อไบอัสแบบย้อนกลับ กระแสจะไหลผ่านโฟโตไดโอดเท่านั้นภายใต้เงื่อนไขที่แสงตกกระทบจะสร้างโฟโตปัจจุบัน วิธีไบอัสนี้ยังมีข้อดีอีกประการหนึ่ง ซึ่งก็คือการปรับปรุงความเป็นเส้นตรงของโฟโตไดโอด ด้วยการเพิ่มขนาดของชั้นพร่อง เวลาตอบสนองอคติย้อนกลับสามารถสั้นลงได้ การเพิ่มความกว้างของชั้นพร่องจะลดความสามารถในการเชื่อมต่อและเพิ่มความเร็วดริฟท์ของตัวพาประจุในโฟโตไดโอด ระยะเวลาขนส่งของผู้ให้บริการขนส่งจะสั้นลง และเวลาตอบสนองก็จะสั้นลงตามไปด้วย
รูปที่ 4 แสดงวงจรการขับขี่พื้นฐานของโฟโตไดโอด มีความคล้ายคลึงกันระหว่างวงจรโฟโตไดโอดและวงจรเลเซอร์ ตัวเก็บประจุ C เป็นตัวเก็บประจุบล็อก DC ที่ใช้เพื่อปกป้องพอร์ต RF ตัวเหนี่ยวนำ L เป็นเส้นทางกราวด์ DC อิมพีแดนซ์ต่ำที่ยอมให้กระแสไหลจากพินไบอัส DC ลงกราวด์ เนื่องจากตัวเก็บประจุปิดกั้น DC C ไม่มีเส้นทางกราวด์โดยตรง การเลือก R1 และ C1 อย่างถูกต้องสามารถช่วยปรับปรุงการจับคู่อิมพีแดนซ์ความถี่สูงได้