RF sobre fibra: Llevar las señales de RF de unos metros a kilómetros con fibra óptica

En un mundo cada vez más conectado, la demanda de transmisión de señales de alta velocidad y capacidad está superando los límites de los sistemas tradicionales basados en cable coaxial. Últimamente ha crecido el interés por la radiofrecuencia sobre fibra (RFoF), una tecnología que fusiona las ventajas de baja pérdida y gran ancho de banda de la fibra óptica con la versatilidad de la comunicación por radiofrecuencia (figura 1). Al transmitir señales de radiofrecuencia a través de fibra óptica, los sistemas RFoF permiten la entrega de señales a larga distancia y sin interferencias en una amplia gama de aplicaciones, desde estaciones terrestres de satélites e implementaciones de antenas remotas hasta infraestructuras 3G-5G y sistemas de defensa. Este artículo explora los fundamentos del diseño de sistemas RFoF.

Figura 1: Características clave de la RFoF. (Fuente de la imagen: NuPhotonics)

Recorrer la distancia: Intensidad de la señal

Los cables coaxiales ofrecen un rendimiento variable en función de la configuración del cable. Los cables SMA dieléctricos típicos ofrecen una pérdida de inserción de 0.25 dB/m (a 2 GHz) aproximadamente. Los cables rellenos de aire consiguen un rendimiento ligeramente mejor, pero a un costo drásticamente superior. Esta elevada pérdida es la fuerza motriz para utilizar la RFoF en distancias de transmisión superiores a 50 metros. La RFoF suele utilizar dos longitudes de onda, 1310 nm y 1550 nm. Las 1310 nm pierden alrededor de 0.35 dB/km de señal óptica, los 1550 nm solo 0.25 dB/km. Como puede observarse, este valor es drásticamente inferior al de los cables coaxiales.

DigiKey y NuPhotonics facilitan el suministro de componentes

DigiKey ha sido un líder mundial en permitir que los componentes clave se puedan obtener fácilmente. DigiKey es utilizado por aficionados, estudiantes, profesionales y grandes empresas. Como líder en la industria de dispositivos optoelectrónicos y de RF, tenía sentido que NuPhotonics y DigiKey se asociaran para ayudar a suministrar a la industria componentes fáciles de usar y de fácil acceso (Figura 2).

Figura 2: Flexible de conexión de fotodiodo 10G FC/APC de NuPhotonics. (Fuente de la imagen: NuPhotonics)

Existen algunas soluciones comerciales, pero a menudo no tienen sentido desde el punto de vista financiero. Este artículo repasará el diseño estándar que permitirá a los usuarios desarrollar soluciones especializadas de bajo costo con las piezas de NuPhotonics. Los productos y soluciones que aquí se comentan están disponibles en DigiKey para facilitar su pedido.

Diseño del transmisor RFoF: Láser DFB 10G

La primera parte del diseño de un sistema RFoF es el desarrollo del transmisor. En la arquitectura RFoF, una señal de radiofrecuencia portadora de datos se impone a una señal de onda ligera antes de ser transportada por el enlace óptico. Un láser de realimentación distribuida (DFB) puede ser modulado directamente por la señal de radiofrecuencia, lo que lo convierte en un componente ideal para transformar la señal eléctrica de radiofrecuencia en una señal óptica. En la figura 3 puede verse un diagrama básico. Dado que el láser está polarizado en el lado del ánodo, ésta es también la entrada para la frecuencia de radiofrecuencia. Por seguridad del sistema, el circuito incorpora un capacitor de bloqueo de CC (C2). El valor de C2 se afinará en función del punto de corte de frecuencia inferior deseado. La resistencia R1 del circuito se utiliza para adaptar la impedancia del láser DFB de 10 Ω a un sistema de 50 Ω. Cuanto mayor sea el valor de R1, mejor será la adaptación del enlace con el efecto adverso de aumentar la pérdida de inserción del enlace óptico. Esto permite un control preciso del nivel para obtener la adaptación de impedancia y la pérdida de inserción deseadas. La resistencia R2 del circuito es la resistencia limitadora de corriente utilizada para limitar la corriente que llega al láser. El inductor L actúa como una vía de alta impedancia para la señal de RF al tiempo que actúa como una vía de corriente de resistencia mínima para la polarización de CC del láser. El capacitor C1 es una capacitancia de filtrado opcional que se utiliza para filtrar el ruido de la fuente de alimentación en la T de polarización.

Figura 3: Láser DFB de 10G con Bias-T y adaptación de impedancia. (Fuente de la imagen: NuPhotonics)

Diseño del receptor RFoF: Fotodiodo de pines 10G

La luz óptica de la fibra debe convertirse en una señal eléctrica más utilizable. Para ello, se utiliza un fotodiodo. Cuando los fotones de energía suficiente inciden en el diodo, se crea un par electrón-hueco. Este mecanismo también se conoce como efecto fotoeléctrico interno. Estos huecos se desplazan hacia el ánodo (+) y los electrones hacia el cátodo (-). Este efecto produce una fotocorriente. Dado que el circuito se ocupa del funcionamiento en banda ancha, el fotodiodo funcionará en polarización inversa. En polarización inversa, la corriente sólo fluirá a través del fotodiodo con la luz incidente, creando una fotocorriente. Esto también tiene la ventaja añadida de aumentar la linealidad del fotodiodo. El tiempo de respuesta de polarización inversa se reduce aumentando el tamaño de la capa de agotamiento. Este mayor ancho reduce la capacidad de unión y aumenta la velocidad de deriva de los portadores en el fotodiodo. El tiempo de tránsito de los portadores se reduce, mejorando el tiempo de respuesta.

La figura 4 representa el circuito básico para hacer funcionar el fotodiodo. Se pueden observar similitudes entre el circuito del fotodiodo y el del láser. El condensador C es el capacitor de bloqueo de CC que protege el puerto de RF. El inductor L es un camino de CC de baja impedancia a tierra y permite que la corriente fluya desde el pin de polarización de CC a tierra, ya que el capacitor C de bloqueo de CC no permite un camino directo a tierra. Los componentes R1 y C1 se seleccionan para ayudar a mejorar la adaptación de la impedancia de alta frecuencia.

Figura 4: Fotodiodo de pin 10G con Bias-T y adaptación de impedancia. (Fuente de la imagen: NuPhotonics)

Disposición de la placa de circuito impreso: Consideraciones sobre el diseño de RF

El diseño de placas de circuito impreso para aplicaciones de radiofrecuencia implica mucho más que el enrutamiento de señales y la colocación de componentes; es una disciplina en la que predomina el comportamiento electromagnético y en la que pequeñas elecciones de disposición pueden marcar o romper el rendimiento. Para lograr el rendimiento deseado, hay que prestar mucha atención al control de la impedancia y a las vías de retorno a tierra para garantizar que no haya resonancias. El primer paso será seleccionar un material para la placa de circuito impreso. En este caso, un material dieléctrico que tenga un εr ~ 3 y un tan-δ <0.01 garantiza que la señal de radiofrecuencia no se atenúe debido a las pérdidas dieléctricas de la placa de circuito impreso. Una vez seleccionado el material, hay que diseñar las trazas. Para el diseño de trazas de RF, existen algunos enfoques. Es preferible utilizar una guía de ondas coplanar (CPW), ya que ofrecerá un mejor aislamiento, un mejor confinamiento del campo electromagnético, así como caminos de retorno a tierra más pequeños para ayudar a garantizar resonancias mínimas. En la figura 5 puede verse un esquema básico de los circuitos de las figuras 3 y 4. Se utilizó un CPW con abundantes VIA de tierra para garantizar unas pasos de retorno mínimos para la señal de RF. El DKRed de DigiKey sería una gran opción para placas de circuito impreso de giro rápido para empezar a probar el circuito.

Figura 5: Placa de láser DFB 10G y placa de fotodiodo PIN 10G. (Fuente de la imagen: NuPhotonics)

Montaje de placas de circuito impreso

El láser TO-56 y el fotodiodo se sueldan fácilmente directamente a la placa de circuito impreso. Esto hace que los dispositivos de NuPhotonics sean fáciles de incorporar en placas de circuito impreso estándar y los convierte en una opción deseable tanto para aficionados como para profesionales de la industria. La figura 6 muestra las placas de circuito impreso ensambladas de la figura 5.

Figura 6: Placa de circuito impreso ensamblada del fotodiodo y láser. (Fuente de la imagen : NuPhotonics)

Resultados RF: Enlace RFoF

Con los dispositivos montados en las placas de circuito impreso que permiten una fácil conexión con conectores SMA, se puede medir el rendimiento del dispositivo. Las pruebas de RF se realizaron en un analizador vectorial de redes. Las pruebas realizadas se centrarán específicamente en los parámetros S_S11 y_S21. _S11 mostrará lo bien adaptado que está el láser DFB. El de 1550 nm es un dispositivo en serie de 10 Ω, por lo que su adaptación a la banda ancha es todo un reto. _S21 es la cantidad de pérdida o atenuación observada en el enlace. Por debajo de 0 dB del _S21 significa que el enlace está perdiendo algo de señal y por encima de 0 dB que el enlace está añadiendo ganancia a la señal de RF de entrada. La figura 7A muestra la _S21 del enlace, donde puede verse que el sistema global tiene una respuesta plana hasta 3 GHz y un ancho de banda de 3 dB de más de 6 GHz. Las figuras 7B y 7C muestran la adaptación _S11 del fotodiodo y el láser respectivamente. La ganancia global del enlace es de -2 dB en toda la banda de frecuencias de 6 GHz. Los resultados muestran que este método es un enfoque sencillo para transmitir señales eléctricas a largas distancias con cables de fibra óptica. Los productos de NuPhotonics proporcionan una solución fácil de montar en la placa CI que desde aficionados hasta profesionales de la industria pueden incorporar a sus sistemas.

Figura 7A: Enlace _S21 (dB). (Fuente de la imagen: NuPhotonics)

Figura 7B: Adaptación del fotodiodo _S11 (dB). (Fuente de la imagen: NuPhotonics)

Figura 7C: Adaptación del láser _S11 (dB). (Fuente de la imagen: NuPhotonics)

Conclusión

Este artículo destaca lo fácil que puede ser el diseño de enlaces RFoF con los productos de NuPhotonics que están fácilmente disponibles en DigiKey para la creación de prototipos y que sólo arañan la superficie del diseño de enlaces RFoF. La RFoF permite la integración perfecta de los sistemas de radiofrecuencia con las ventajas de baja pérdida, gran ancho de banda y resistencia a las interferencias de la fibra óptica. A medida que las redes inalámbricas, los enlaces por satélite y las aplicaciones de defensa exigen frecuencias más altas, anchos de banda más amplios y mayor alcance, la RFoF ofrece una solución escalable y preparada para el futuro. Las investigaciones en curso garantizan mejoras en la linealidad, el rendimiento acústico y la rentabilidad, factores clave para liberar todo el potencial de los sistemas 5G, 6G, de radar avanzado y de comunicación de próxima generación.