光纖射頻傳輸：使用光纖將射頻訊號傳輸距離從數公尺延伸到數公里

現代世界的連線更加緊密，對高速、高容量訊號傳輸的需求正在挑戰傳統同軸纜線架構系統的極限。近期，人們對光纖射頻 (RFoF) 技術有更高興趣。此技術將光纖的低損耗、高頻寬優勢與射頻通訊的多功能相結合 (圖 1)。RFoF 系統透過光纖傳輸射頻訊號，可為各種應用達到遠距離、無干擾的訊號傳輸：從衛星地面站和遠端天線部署，到 3G 至 5G 基礎設施和國防系統。本文討論 RFoF 系統設計的基本原理。

圖 1：RFoF 主要特點。(圖片來源：NuPhotonics)

遠距離傳輸 - 訊號強度

同軸纜線的效能會因纜線配置方式而有所差異。典型的介電 SMA 纜線的插入損耗約為 0.25 dB/m (2 GHz 時)。充氣纜線的效能略佳，但成本卻高得多。這種高損耗是傳輸距離在超過 50 m 時，使用 RFoF 的主要因素。RFoF 最常使用 1310 nm 和 1550 nm 兩種波長。1310 nm 的光訊號損耗約為 0.35 dB/km，而 1550 nm 的光訊號損耗僅為 0.25 dB/km。 顯而易見，比同軸纜線低許多。

DigiKey 和 NuPhotonics 合作，簡化元件採購流程

DigiKey 是全球領導經銷商，致力於讓客戶輕鬆採購關鍵零件。DigiKey 的使用者包括業餘愛好者、學生、專業人士、大型企業。NuPhotonics 是射頻和光電子元件產業的領導廠商，與 DigiKey 完美合作，為業界供應容易使用及取得的元件 (圖 2)。

圖 2：NuPhotonics 的 10G PIN 光電二極體尾纖 FC/APC。(圖片來源NuPhotonics)

市面已有一些解決方案，但不合成本。本文介紹標準設計，讓使用者能夠運用 NuPhotonics 的零件，開發低成本的專用解決方案。本文討論的產品和解決方案均可從 DigiKey 輕鬆訂購。

RFoF 發射器設計 - 10G DFB 雷射

設計 RFoF 系統的第一步就是開發發射器。在 RFoF 架構上，承載數據的 RF 訊號會疊加在光波訊號上，然後透過光纖鏈路進行傳輸。分散式回饋雷射 (DFB) 可直接用 RF 訊號進行調變，使其成為將電氣 RF 訊號轉換成光訊號的理想元件。基本示意圖如圖 3 所示。由於雷射以陽極側作為偏壓端，此處亦為 RF 頻率的輸入端。為了系統安全，電路中加入了DC 阻隔電容 (C2)。C2 的數值將依據所需的較低頻率截止點進行微調。電路中的電阻 R1 會用於將 10 Ω 的 DFB 雷射阻抗匹配到 50 Ω 系統。R1 的值越高，鏈路能更佳因應對光學連結插入損耗增加所帶來的不利影響。如此便可達到精確的位準控制，以達成所需的阻抗匹配與插入損耗。電路中的電阻 R2 是用來限制雷射電流的限流電阻。電感 L 會當作 RF 訊號的高阻抗路徑，同時也是雷射的 DC 偏壓的最小阻抗電流路徑。電容 C1 是選用的濾波電容，可用於過濾偏壓 T 上的電源雜訊。

圖 3：採用 T 型偏壓器和阻抗匹配的 10G DFB 雷射。(圖片來源：NuPhotonics)

RFoF 接收器設計 - 10G PIN 光電二極體

光纖中的光訊號需要轉換成較實用的電訊號，因此需要使用光電二極體。當能量足夠的光子撞擊二極體時，會產生電子電洞對，這種機制也稱為內光電效應。這些電洞向陽極 (+) 移動，電子向陰極 (-) 移動，此效應會產生光電流。由於此電路採用寬頻操作，光電二極體將以反向偏壓狀態作業。反向偏壓時，只有入射光產生光電流時，電流才會流過光電二極體。額外優勢是可以提高光電二極體的線性度。增加空乏層尺寸，可以縮短反向偏壓的響應時間。寬度增加會降低結電容，並增加光電二極體中載子的漂移速度。傳輸時間縮短，反應時間就會加速。

圖 4 表示光電二極體的基本工作電路。圖中可見光電二極體電路和雷射電路的相似之處。電容 C 是直流阻隔電容，可保護射頻連接埠。電感 L 是一條低阻抗直流接地路徑，允許電流從直流偏壓引腳接地，因為直流阻隔電容 C 不允許直接接地。選擇元件 R1 和 C1 可改善高頻阻抗匹配。

圖 4：採用 T 型偏壓器電路和阻抗匹配的 10G PIN 光電二極體。(圖片來源：NuPhotonics)

PCB 佈局 - 射頻設計考量

射頻應用的 PCB 設計遠不止於佈線與擺放元件；這是一門以電磁行為為主導的學科，微小的佈局選擇便足以決定效能的成敗。若要達到預期效能，需要謹慎注意阻抗控制和接地迴流路徑，以確保不會產生諧振。第一步是選擇 PCB 材料。此處，具有 εr ~ 3 和 tan-δ <0.01 的介電材料可確保射頻訊號不會因 PCB 介電損耗而衰減。選定材料後，接下來需要設計走線。設計射頻走線有幾種方法。建議使用共面式波導 (CPW)，可提供更佳隔離及電磁場約束，以及更小的接地迴流路徑，有助於達到最小諧振。圖 5 顯示圖 3 和圖 4 中電路的基本電路佈局。採用 CPW 並搭配大量的接地導通孔，以確保射頻訊號的有極短的迴流路徑。推薦使用 DigiKey 的 DKRed，可轉化 PCB，開始測試電路。

圖 5：10G DFB 雷射板和10G PIN 光電二極體板。(圖片來源：NuPhotonics)

PCB 組裝

TO-56 雷射和光電二極體容易直接焊接到 PCB 上。如此可讓 NuPhotonics 元件輕鬆納入到標準 PCB 中，成為業餘愛好者和產業專業人士的理想選擇。圖 6 顯示圖 5 中組裝完成的 PCB。

圖 6：已組裝的光電二極體和雷射 PCB。(圖片來源：NuPhotonics)

射頻結果 – RFoF 鏈路

將元件安裝在 PCB 上，可以透過 SMA 連接器輕鬆連接，藉此測量元件的效能。使用向量網路分析儀進行射頻測試。此測試將專門研究 S 參數 S₁₁ 和 S₂₁。S₁₁ 顯示 DFB 雷射的匹配程度。1550 nm 是一個 10 Ω 串聯元件，其寬頻匹配是一大挑戰。S₂₁ 是在鏈路中的損耗或衰減。若 S₂₁ 低於 0 dB，表示鏈路正在損失部分訊號，若高於 0 dB，則表示鏈路增加增益至輸入射頻訊號。圖 7A 顯示鏈路的 S₂₁，可看出整體系統在 3 GHz 以下具有平坦的響應，3 dB 頻寬為 6+ GHz。圖 7B 和 7C 分別顯示光電二極體和雷射的 S₁₁ 匹配情況。在整個 6 GHz 頻帶內，鏈路總增益為 -2 dB。結果表明，這是一種使用光纖纜線遠距離傳輸電訊號的一種簡單的方法。NuPhotonics 產品解決方案容易安裝在 PCB 上，可由業餘愛好者和產業專業人士將其整合到系統中。

圖 7A：鏈路 S₂₁ (dB)。(圖片來源：NuPhotonics)

圖 7B：光電二極體 S₁₁ (dB) 匹配。(圖片來源：NuPhotonics)

圖 7C：雷射 S₁₁ (dB) 匹配。(圖片來源：NuPhotonics)

結論

本文主要說明使用 NuPhotonics 產品進行 RFoF 鏈路設計的簡易性。這些產品可從 DigiKey 立即購得，用於原型設計，但僅限於概述 RFoF 鏈路設計。RFoF 能夠無縫整合射頻系統與光纖的優點，包含低損耗、高頻寬、抗干擾。無線網路、衛星鏈路、國防應用等對頻率、頻寬、距離有更高需求，RFoF 提供可擴展且具有前瞻性的解決方案。將會有持續的研究，確保提升線性度、雜訊效能、成本效益，這是釋放 5G、6G、先進雷達、下一代通訊系統全部潛力的關鍵因素。