光纤射频传输 - 借助光纤将射频信号的传输距离从几米传扩大至几千米

在互联日益紧密的世界中，对高速大容量信号传输的需求正在挑战传统同轴电缆系统的极限。最近，人们对光纤射频传输 (RFoF) 的兴趣与日俱增，这种技术既有光纤的低损耗、高带宽优势，又有射频通信的多功能性（图 1）。RFoF 系统通过光纤传输射频信号，在从卫星地面站、远程天线部署，到 3G - 5G 基础设施和防御系统等广泛应用中，实现了长距离、无干扰信号传输。本文探讨 RFoF 系统设计的基本原理。

图 1：RFoF 的主要特性。(图片来源：NuPhotonics）

远距离传输——信号强度

同轴电缆的性能因电缆配置而异。典型介质 SMA 电缆的插入损耗约为 0.25 dB/m（2 GHz 时）。充气电缆的性能略好，但成本却高得多。正是这种高损耗特性，使得 RFoF 技术可用于超过 50 m 传输距离的动因。在 RFoF 技术中，最常用的波长为 1310 nm 和 1550 nm。1310 nm 波长时的损耗约为 0.35 dB/km，而 1550 nm 波长时的损耗仅为 0.25 dB/km。可以看出，这种技术的损耗大大低于同轴电缆。

DigiKey 和 NuPhotonics 简化了元器件采购流程

DigiKey 在简化关键元器件采购流程方面，一直领先全球。业余爱好者、学生、专业人士和大型企业都在通过 DigiKey 采购元器件。作为射频和光电器件行业的领先厂商，NuPhotonics 与 DigiKey 携手合作，为行业提供易用、易获取的元器件产品，此举实属水到渠成（见图 2）。

图 2：NuPhotonics10G PIN 光电二极管尾纤 FC/APC。(图片来源：NuPhotonics）

虽然目前有一些商业解决方案可用，但它们往往没有经济效益。本文将介绍标准设计，使用户能够使用 NuPhotonics 部件开发低成本的专用解决方案。本文讨论的产品和解决方案均可方便地从 DigiKey 购买。

RFoF 发射器设计 - 10G DFB 激光器

设计 RFoF 系统的第一部分是开发发射器。对于 RFoF 架构而言，需将数据射频信号调制到光载波信号上，再经光链路完成传输。分布式反馈激光器 (DFB) 可直接通过射频信号调制，因此是将射频电信号转换为光信号的理想器件。基本原理如图 3 所示。由于该激光器采用阳极侧偏置方式，因此也是射频频率的输入端。为确保系统安全，电路中包含一个隔直电容器 (C2)。C2 的值将根据所需的低频截止点进行微调。电路中的电阻器 R1 用于将 10 Ω DFB 激光器与 50 Ω 系统进行阻抗匹配。R1 值越大，与链路的匹配性越好，不利之处是会增加光链路的插入损耗。这样可实现精准的电平控制，以达到所需的阻抗匹配与插入损耗指标。电路中的电阻器 R2 是限流电阻器，用于限制激光器的电流。电感器 L 是射频信号的高阻抗通路，同时也是激光器 DC 偏置的最小阻抗电流通路。电容器 C1 是一个可选器件，用作滤波电容器，滤除偏置 T 型器上的电源噪声。

图 3：带偏置 T 型器和阻抗匹配电路的 10G DFB 激光器。(图片来源：NuPhotonics）

RFoF 接收器设计 - 10G PIN 光电二极管

光纤中的光需要转换成更有用的电信号。为此，可使用光电二极管。当足够能量的光子撞击二极管时，就会产生电子-空穴对。这种机制也被称为内光电效应。这些空穴向阳极 (+) 移动，电子向阴极 (-) 移动。这种效应会产生光电流。由于电路涉及宽带工作，光电二极管将在反向偏置下工作。当反向偏置时，只有在入射光产生光电流的条件下，才会有电流通过光电二极管。这种偏置方式还具有另一个优势，即提高光电二极管的线性度。通过增大耗尽层的尺寸，可以缩短反向偏置响应时间。耗尽层宽度的增加会减小结电容量，同时提高光电二极管中载流子的漂移速度。载流子的渡越时间缩短，响应时间也会随之缩短。

图 4 为光电二极管的基本驱动电路。光电二极管电路和激光电路之间有相似之处。电容器 C 是隔直电容器，用于保护射频端口。电感器 L 是一条低阻抗 DC 接地通路，允许电流从 DC 偏置引脚流向地，因为隔直电容器 C 无直接地通路。正确选择 R1 和 C1，有助于改善高频阻抗匹配。

图 4：带偏置 T 型器和阻抗匹配的 10G PIN 光电二极管。(图片来源：NuPhotonics）

PCB 布局——射频设计的考虑因素

为射频应用设计 PCB 所涉及的工作远不止信号布线和元器件放置，这是一门电磁特性占主导地位的学科，微小的布局选择就能决定性能好坏。为了达到理想性能，需要特别注意阻抗控制和地面返回路径，以确保不出现共振。第一步是选择 PCB 材料。在这种情况下，εr ~ 3 和 tan-δ<0.01 的介质材料可确保射频信号不会因 PCB 介质损耗而衰减。选定材料后，就需要设计迹线。针对射频迹线设计，目前有多种实现方法。最好的方法是采用共面波导 (CPW)，因为它能实现更好的隔离效果、更好的电磁场限制以及更短的地面返回路径，从而有助于确保将谐振降至最低。图 5 所示为图 3 与图 4 中电路的基本电路布局。采用布设了大量接地过孔 (VIA) 的共面波导 (CPW)，以确保射频信号的回流路径最短。DigiKey 的 DKRed 服务，是开展电路测试时进行 PCB 快速打样的理想之选。

图 5：10G DFB 激光器板和 10G PIN 光电二极管板。(图片来源：NuPhotonics）

PCB 组装

TO-56 激光器和光电二极管很容易直接焊接到 PCB 上。这使得 NuPhotonics 器件很容易集成到标准 PCB 中，成为业余爱好者和行业专业人士的理想选择。图 6 显示了图 5 中 PCB 组装好后的状态。

图 6：组装好的光电二极管和激光 PCB。(图片来源：NuPhotonics）

射频结果——RFoF 链接

由于这些器件安装在 PCB 上，可以方便地与 SMA 连接器连接，因此可以测试器件的性能。采用矢量网络分析仪进行射频测试。所进行的测试将特别关注 S 参数 S₁₁ 和 S₂₁。S₁₁ 将表明 DFB 激光器的匹配程度。1550 nm 是 10 Ω 系列器件，因此该器件的宽带匹配是一项挑战。S₂₁ 是链路中的损耗或衰减量。S₂₁ 低于 0 dB 表示链路损失了一些信号，高于 0 dB 表示链路增大了输入射频信号的增益。图 7A 显示了链路的 S₂₁，可以看出整个系统具有高达 3 GHz 的平坦响应和 6 GHz 以上的 3 dB 带宽。图 7B 和 7C 分别显示了光电二极管和激光器的 S₁₁ 匹配情况。在整个 6 GHz 频段内，整体链路增益为 -2 dB。结果表明，这是利用光缆长距离传输电信号的简便方法。NuPhotonics 产品提供了一种易于在 PCB 上安装的解决方案，从业余爱好者到行业专业人士都可以将其集成到自己的系统中。

图 7A：链路 S₂₁ (dB)（图片来源：NuPhotonics）

图 7B：光电二极管 S₁₁ (dB) 匹配。(图片来源：NuPhotonics）

图 7C：激光器 S₁₁ (dB) 匹配。(图片来源：NuPhotonics）

结语

本文重点介绍了采用 NuPhotonics 产品进行 RFoF 链路设计的简易性，这些产品可随时从 DigiKey 购买，用于原型开发，而这只是 RFoF 链路设计的冰山一角。RFoF 可实现射频系统与光纤的低损耗、高带宽和抗干扰优势的无缝集成。随着无线网络、卫星链路和国防应用要求更高的频率、更宽的带宽和更远的传输距离，RFoF 提供了一种面向未来的可扩展解决方案。正在进行的研究确保了线性度、噪声性能和成本效益的提升，这些都是释放 5G、6G、先进雷达和下一代通信系统全部潜力的关键因素。