RF sur fibre – Transmission de signaux RF sur des distances de quelques mètres à plusieurs kilomètres via la fibre optique

Dans un monde de plus en plus connecté, la demande de transmission de signaux haute vitesse et haute capacité repousse les limites des systèmes basés sur des câbles coaxiaux traditionnels. Récemment, l'intérêt pour la technologie de radiofréquence sur fibre (Radio Frequency over Fiber, RFoF) n'a cessé de croître. Cette technologie combine les avantages de faible perte et de large bande passante de la fibre optique avec la polyvalence des communications RF (Figure 1). En transmettant des signaux RF sur fibre optique, les systèmes RFoF permettent une transmission de signaux sans interférences sur de longues distances pour une large gamme d'applications, s'étendant des stations terriennes de satellites et des déploiements d'antennes à distance aux infrastructures 3G-5G et aux systèmes de défense. Cet article explore les principes de base de la conception des systèmes RFoF.

Figure 1 : Fonctionnalités clés de la technologie RFoF. (Source de l'image : NuPhotonics)

Couvrir la distance - Force du signal

Les câbles coaxiaux présentent des performances variables en fonction de leur configuration. Les câbles SMA diélectriques typiques offrent une perte d'insertion d'environ 0,25 dB/m (à 2 GHz). Les câbles remplis d'air offrent des performances légèrement supérieures, mais à un coût nettement plus élevé. Cette perte élevée est le principal facteur qui motive l'utilisation de la technologie RFoF pour les distances de transmission supérieures à 50 mètres. La technologie RFoF utilise le plus souvent deux longueurs d'onde, 1310 nm et 1550 nm. La longueur d'onde de 1310 nm entraîne une perte d'environ 0,35 dB/km du signal optique, tandis que celle de 1550 nm n'est que de 0,25 dB/km. Comme on peut le constater, cette valeur est nettement inférieure à celle des câbles coaxiaux.

DigiKey et NuPhotonics facilitent l'approvisionnement en composants

DigiKey est un distributeur leader mondial qui facilite l'approvisionnement en composants clés. De nombreux bricoleurs, étudiants, professionnels et grandes entreprises font appel à DigiKey. En tant que leader dans l'industrie des dispositifs RF et optoélectroniques, il était logique que NuPhotonics s'associe à DigiKey pour faciliter l'approvisionnement en composants conviviaux et facilement accessibles (Figure 2).

Figure 2 : Fibre amorce de photodiode PIN 10G FC/APC de NuPhotonics. (Source de l'image : NuPhotonics)

Des solutions sont disponibles dans le commerce, mais elles ne sont souvent pas rentables. Cet article traite de la conception standard qui permet aux utilisateurs de développer des solutions spécialisées économiques à l'aide de composants de NuPhotonics. Les produits et solutions présentés ici sont disponibles chez DigiKey et peuvent être facilement commandés.

Conception d'émetteur RFoF – Laser DFB 10G

La première étape de conception d'un système RFoF consiste à développer l'émetteur. Dans l'architecture RFoF, un signal RF porteur de données est superposé à un signal d'onde lumineuse avant d'être transporté via la connexion optique. Un laser à rétroaction distribuée (DFB) peut être modulé directement par le signal RF, ce qui en fait un composant idéal pour transformer le signal RF électrique en un signal optique. Un schéma de base est présenté à la Figure 3. Étant donné que le laser est polarisé du côté de l'anode, il s'agit également de l'entrée pour la fréquence RF. Pour la sécurité du système, le circuit intègre un condensateur de blocage CC (C2). La valeur de C2 sera ajustée avec précision en fonction du point de coupure basse fréquence souhaité. La résistance R1 dans le circuit est utilisée pour l'adaptation d'impédance du laser DFB 10 Ω à un système 50 Ω. Plus la valeur de R1 est élevée, plus l'adaptation de la liaison est bonne, avec l'effet négatif d'augmenter la perte d'insertion de la liaison optique. Cela permet un contrôle de niveau précis pour l'adaptation d'impédance et la perte d'insertion souhaitées. La résistance R2 dans le circuit est la résistance de limitation de courant utilisée pour limiter le courant vers le laser. L'inductance L agit comme chemin à haute impédance pour le signal RF et, en même temps, de chemin de courant à résistance minimale pour la polarisation continue du laser. Le condensateur C1 est un condensateur de filtrage optionnel utilisé pour filtrer le bruit de l'alimentation au niveau de la polarisation T.

Figure 3 : Laser DFB 10G avec té de polarisation et adaptation d'impédance. (Source de l'image : NuPhotonics)

Conception de récepteur RFoF – Photodiode PIN 10G

La lumière optique dans la fibre doit être convertie en signal électrique plus exploitable. Pour ce faire, une photodiode est utilisée. Lorsque des photons d'énergie suffisante frappent la diode, cela crée une paire électron-trou. Ce mécanisme est également appelé effet photoélectrique interne. Ces trous se déplacent vers l'anode (+) et les électrons vers la cathode (-). Cet effet produit un photocourant. Étant donné que le circuit gère un fonctionnement à large bande, la photodiode fonctionne en polarisation inverse. En polarisation inverse, le courant ne circule dans la photodiode qu'avec la lumière incidente, générant un photocourant. Cela présente l'avantage d'augmenter la linéarité de la photodiode. Le temps de réponse de polarisation inverse est réduit en augmentant la taille de la couche de déplétion. Cette largeur accrue réduit la capacité de jonction et augmente la vitesse de dérive des porteurs dans la photodiode. Le temps de transit des porteurs est réduit, ce qui améliore le temps de réponse.

La Figure 4 illustre le circuit de base pour le fonctionnement de la photodiode. Des similitudes peuvent être observées entre le circuit de la photodiode et le circuit du laser. Le condensateur C est le condensateur de blocage CC qui protège le port RF. L'inductance L est un chemin CC à faible impédance vers la terre et permet au courant de circuler de la broche de polarisation continue vers la terre étant donné que le condensateur de blocage CC C ne permet pas un chemin direct vers la terre. Les composants R1 et C1 sont sélectionnés pour contribuer à améliorer l'adaptation d'impédance haute fréquence.

Figure 4 : Photodiode PIN 10G avec té de polarisation et adaptation d'impédance. (Source de l'image : NuPhotonics)

Configuration de circuit imprimé – Considérations de conception RF

La conception de circuits imprimés pour les applications RF va bien au-delà du routage des signaux et du placement des composants. Il s'agit d'une discipline où le comportement électromagnétique domine et où de petits choix de configuration peuvent faire toute la différence en termes de performances. Pour atteindre les performances souhaitées, il convient de porter une attention particulière au contrôle d'impédance et aux trajets de retour par la terre afin d'éviter toute résonance. La première étape consiste à sélectionner un matériau pour le circuit imprimé. Dans ce cas, un matériau diélectrique avec εr ~ 3 et tan-δ < 0,01 garantit que le signal RF n'est pas atténué en raison des pertes diélectriques du circuit imprimé. Une fois le matériau sélectionné, il faut concevoir les pistes. Pour la conception des pistes RF, il existe plusieurs approches. Il est préférable d'utiliser un guide d'ondes coplanaire (CPW) car il offre un meilleur isolement, un meilleur confinement du champ électromagnétique, ainsi que des trajets de retour par la terre plus petits, contribuant ainsi à minimiser les résonances. La Figure 5 présente une configuration de circuit de base pour les circuits des Figures 3 et 4. Un guide d'ondes coplanaire a été utilisé avec de nombreux vias de terre pour garantir des trajets de retour minimaux pour le signal RF. Le service DKRed de DigiKey constitue une excellente option pour obtenir rapidement des circuits imprimés et commencer les tests.

Figure 5 : Carte de laser DFB 10G et carte de photodiode PIN 10G. (Source de l'image : NuPhotonics)

Assemblage de circuit imprimé

La photodiode et le laser TO-56 peuvent être facilement soudés directement sur le circuit imprimé. Cela permet d'intégrer facilement les dispositifs NuPhotonics aux circuits imprimés standard et offre un excellent choix tant pour les amateurs que pour les professionnels. La Figure 6 présente les circuits imprimés assemblés de la Figure 5.

Figure 6 : Circuits imprimés assemblés de la photodiode et du laser. (Source de l'image : NuPhotonics)

Résultats RF – Liaison RFoF

Les dispositifs étant montés sur les circuits imprimés et pouvant être facilement connectés avec des connecteurs SMA, les performances des dispositifs peuvent être mesurées. Des tests RF ont été réalisés sur un analyseur de réseau vectoriel. Les tests effectués portent spécifiquement sur les paramètres S₁₁ et S₂₁. Le paramètre S₁₁ indique le degré d'adaptation du laser DFB. Le dispositif 1550 nm fait partie de la série 10 Ω, de sorte que l'adaptation large bande du composant représente un défi. Le paramètre S₂₁ représente le niveau de perte ou d'atténuation observé dans la liaison. Une valeur S₂₁ inférieure à 0 dB signifie que la liaison perd du signal, et une valeur supérieure à 0 dB signifie que la liaison ajoute du gain au signal RF d'entrée. La Figure 7A montre le paramètre S₂₁ de la liaison, où l'on peut voir que le système global a une réponse plate jusqu'à 3 GHz et une largeur de bande de 3 dB de 6+ GHz. Les Figures 7B et 7C montrent l'adaptation S₁₁ de la photodiode et du laser, respectivement. Le gain de liaison global est de -2 dB sur toute la bande de fréquences de 6 GHz. Les résultats montrent que cette méthode constitue une approche simple pour transmettre des signaux électriques sur de longues distances avec des câbles fibre optique. Les produits de NuPhotonics offrent une solution à montage sur carte que les amateurs et les professionnels peuvent facilement intégrer dans leurs systèmes.

Figure 7A : Liaison S₂₁ (dB). (Source de l'image : NuPhotonics)

Figure 7B : Adaptation de la photodiode S₁₁ (dB). (Source de l'image : NuPhotonics)

Figure 7C : Adaptation du laser S₁₁(dB). (Source de l'image : NuPhotonics)

Conclusion

Sans entrer dans les détails techniques, cet article met en lumière la simplicité de conception des liaisons RFoF grâce aux produits de NuPhotonics disponibles chez DigiKey pour le prototypage. La technologie RFoF permet l'intégration transparente des systèmes radiofréquences avec les avantages de la fibre optique en termes de faibles pertes, de large bande passante et de résistance aux interférences. Alors que les réseaux sans fil, les liaisons par satellite et les applications de défense exigent des fréquences plus élevées, des bandes passantes plus larges et une portée plus étendue, la technologie RFoF offre une solution évolutive et pérenne. Les recherches en cours permettent d'améliorer la linéarité, les performances de bruit et la rentabilité, qui sont des facteurs clés pour exploiter pleinement le potentiel de la 5G, de la 6G, des radars avancés et des systèmes de communication de nouvelle génération.