광섬유를 통한 RF 전송 - 광섬유를 사용하여 수 미터에서 수 킬로미터까지 RF 신호 전송

연결성이 더욱 강화되는 세상에서, 고속 대량 신호 전송에 대한 수요는 기존 동축 케이블 기반 시스템의 한계를 시험하고 있습니다. 최근 광섬유의 저손실 및 고대역폭 이점과 RF 통신의 다목적성을 결합하는 기술인 RFoF(광섬유를 통한 무선 주파수 전송)에 대한 관심이 계속적으로 증가하고 있습니다. 광섬유를 통해 RF 신호를 전송함으로써 RFoF 시스템은 위성 지상국 및 원격 안테나 배치부터 3G-5G 인프라 및 방위 시스템에 이르는 광범위한 응용 분야에서 장거리에 걸쳐 간섭 없이 신호를 전달할 수 있습니다. 이 기사에서는 RFoF 시스템 설계의 기본 사항을 살펴보겠습니다.

그림 1: RFoF 주요 특징(이미지 출처: NuPhotonics)

장거리에서도 유지되는 신호 강도

동축 케이블은 케이블 구성에 따라 다양한 성능을 제공합니다. 일반적인 유전체 SMA 케이블은 약 0.25dB/m 삽입 손실(2GHz 기준)을 제공합니다. 공기 충진 케이블은 약간 더 향상된 성능을 제공하지만 비용이 상당히 올라갑니다. 이러한 높은 손실은 50미터 이상의 전송 거리에서 RFoF를 사용하게 하는 주요 원동력입니다. RFoF는 대부분 1310nm 및 1550nm의 두 파장을 사용합니다. 1310nm 파장에서는 약 0.35dB/km의 광 신호 손실이 발생하고, 1550nm 파장에서는 0.25dB/km만 손실됩니다. 보시다시피, 이는 동축 케이블에 비해 현저히 낮은 값입니다.

손쉬운 부품 소싱을 지원하는 DigiKey와 NuPhotonics

DigiKey는 주요 부품의 손쉬운 조달을 지원하는 글로벌 리더로 많은 취미 사용자, 학생, 전문가, 대기업 등이 찾고 있습니다. RF 및 광전자 장치 산업의 선도업체인 NuPhotonics와 DigiKey는 손쉽게 사용 및 접근할 수 있는 부품을 업계에 공급하기 위해 파트너십을 맺게 되었습니다(그림 2).

그림 2: NuPhotonics 10G 핀 광 다이오드 피그테일 FC/APC(이미지 출처: NuPhotonics)

상업적으로 이용 가능한 솔루션이 몇 가지 있지만 경제적으로 합리적이지 않은 경우가 많습니다. 이 기사에서는 사용자가 NuPhotonics 부품을 사용하여 저렴한 비용으로 특화된 솔루션을 개발할 수 있는 표준 설계에 대해 설명합니다. 여기에서 설명하는 제품 및 솔루션은 DigiKey에서 쉽게 주문할 수 있습니다.

RFoF 송신기 설계 - 10G DFB 레이저

RFoF 시스템 설계의 첫 단계는 송신기를 개발하는 것입니다. RFoF 아키텍처의 경우, 광 링크를 통해 전송되기 전에, 데이터를 운반하는 RF 신호가 광파 신호에 중첩됩니다. DFB(분산 피드백) 레이저는 RF 신호에 의해 직접 변조될 수 있으므로 전기 RF 신호를 광학 신호로 변환하는 데 이상적인 부품입니다. 그림 3에서 기본 다이어그램을 확인할 수 있습니다. 레이저가 양극 쪽에서 바이어스되므로 RF 주파수에 대한 입력이기도 합니다. 시스템 안전을 위해 이 회로는 DC 차단 커패시터(C2)를 포함하고 있습니다. C2의 값은 원하는 더 낮은 주파수 차단 지점에 따라 미세 조정됩니다. 회로의 저항기 R1은 50Ω 시스템에 대한 10Ω DFB 레이저의 임피던스 정합에 사용됩니다. R1 값이 높을수록 링크의 정합이 개선되지만 광 링크 삽입 손실이 증가하는 역효과가 발생합니다. 이를 통해 원하는 임피던스 정합 및 삽입 손실에 대한 정밀한 레벨 제어가 가능합니다. 회로의 저항기 R2는 레이저의 전류를 제한하는 데 사용되는 전류 제한 저항입니다. 인덕터 L은 RF 신호에 대한 높은 임피던스 경로 역할을 하는 동시에 레이저의 DC 바이어스에 대한 최소한의 저항 전류 경로 역할을 합니다. 커패시터 C1은 바이어스 T에서 전원 공급 장치 잡음을 필터링하는 데 사용되는 선택적 필터링 정전 용량입니다.

그림 3: 바이어스-T 및 임피던스 정합을 지원하는 10G DFB 레이저(이미지 출처: NuPhotonics)

RFoF 수신기 설계 - 10G 핀 광 다이오드

광섬유의 광학 광은 사용이 더 쉬운 전기 신호로 변환되어야 합니다. 이를 위해 광 다이오드가 사용됩니다. 충분한 에너지의 광자가 다이오드에 부딪히면 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 이 메커니즘을 내부 광전 효과라고도 합니다. 이 정공은 양극(+) 쪽으로, 전자는 음극(-) 쪽으로 이동합니다. 이 효과로 광전류가 생성됩니다. 이 회로는 광대역 작동을 다루기 때문에 광 다이오드는 역 바이어스로 작동합니다. 역 바이어스 상태에서는, 입사광이 광 전류를 생성할 때만 광 다이오드에 전류가 흐릅니다. 이는 광 다이오드의 선형성을 증가시키는 추가적인 이점도 제공합니다. 공핍층의 크기를 증가시켜 역 바이어스 응답 시간을 줄일 수 있습니다. 이렇게 증가된 폭은 접합 용량을 줄이고 광 다이오드 내 캐리어의 드리프트 속도를 증가시킵니다. 또한 캐리어 이동 시간이 단축되어 응답 시간이 향상됩니다.

그림 4는 광 다이오드를 작동시키는 기본 회로를 나타냅니다. 광 다이오드 회로와 레이저 회로 사이에는 유사점이 있습니다. 커패시터 C는 RF 포트를 보호하는 DC 차단 커패시터입니다. 인덕터 L은 접지에 대한 낮은 임피던스의 DC 경로이며, DC 차단 커패시터 C가 접지로의 직접 경로를 허용하지 않으므로 전류가 DC 바이어스 핀에서 접지로 흐르도록 합니다. 고주파 임피던스 정합을 개선하기 위해 부품 R1과 C1이 선택됩니다.

그림 4: 바이어스-T 및 임피던스 정합을 갖춘 10G 핀 광 다이오드(이미지 출처: NuPhotonics)

PCB 레이아웃 – RF 설계 고려 사항

RF 응용 분야를 위한 PCB 설계에는 신호 라우팅과 부품 배치 그 이상의 작업이 수반되며, 전자기적 동작이 지배적이고 작은 레이아웃 선택에 의해 성능이 좌우될 수 있습니다. 원하는 성능을 얻으려면, 공진이 발생하지 않도록 임피던스 제어와 접지 귀환 경로에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 첫 번째 단계는 PCB 재료를 선택하는 것입니다. 이 경우 εr ~ 3, tan-δ <0.01의 유전체 재료는 PCB 유전체 손실로 인해 RF 신호가 감쇠되지 않도록 보장합니다. 재료를 선택했으면 트레이스를 설계해야 합니다. RF 트레이스 설계에는 몇 가지 접근 방식이 있습니다. CPW(동평면 도파관)를 사용하면 절연 특성이 향상되고 전자기장이 보다 효과적으로 제한되며, 접지 귀환 경로가 짧아져 공진을 최소화할 수 있습니다. 그림 5에서는 그림 3과 4의 회로에 대한 기본 회로 레이아웃을 볼 수 있습니다. RF 신호의 귀환 경로를 최소화하기 위해 많은 접지 VIA와 함께 CPW가 사용되었습니다. DigiKey의 DKRed는 회로 테스트를 시작하기 위한 신속 제작 PCB에 적합한 옵션입니다.

그림 5: 10G DFB 레이저 기판 및 10G PIN 광 다이오드 기판(이미지 출처: NuPhotonics)

PCB 조립

TO-56 레이저와 광 다이오드는 PCB에 직접 쉽게 납땜할 수 있습니다. 따라서 NuPhotonics 장치는 표준 PCB에 쉽게 통합할 수 있으며, 취미 사용자부터 업계 전문가까지 모두에게 바람직한 선택지가 될 수 있습니다. 그림 6은 그림 5에서 조립된 PCB를 보여줍니다.

그림 6: 조립된 광 다이오드 및 레이저 PCB(이미지 출처: NuPhotonics)

RF 결과 - RFoF 링크

PCB에 장치가 실장되어 있어 SMA 커넥터로 쉽게 연결할 수 있으므로 장치의 성능을 측정할 수 있습니다. RF 테스트는 벡터 네트워크 분석기에서 수행되었습니다. 수행되는 테스트에서는 S-파라미터인 S₁₁ 및 S₂₁을 중점적으로 살펴봅니다. S₁₁은 DFB 레이저가 얼마나 잘 정합되는지 보여줍니다. 1550nm는 10Ω 계열 장치이므로 광대역 정합이 어렵습니다. S₂₁은 링크에서 발생하는 손실 또는 감쇠의 크기입니다. S₂₁이 0dB 미만이면 링크에서 일부 신호가 손실되고 있고, 0dB 이상이면 링크가 입력 RF 신호에 이득을 추가하고 있음을 의미합니다. 그림 7A는 링크의 S₂₁을 보여 주며, 전체 시스템이 최대 3GHz까지 평탄한 응답과 6+GHz의 3dB 대역폭을 가지고 있음을 알 수 있습니다. 그림 7B와 7C는 각각 광 다이오드와 레이저의 S₁₁ 정합을 보여줍니다. 총 링크 이득은 전체 6GHz 주파수 대역에 걸쳐 -2dB입니다. 이러한 결과를 통해 이 방법이 광섬유 케이블로 장거리 전기 신호를 전송하는 쉬운 접근 방식임을 알 수 있습니다. NuPhotonics 제품은 취미 사용자부터 업계 전문가까지 시스템에 통합할 수 있는 간편한 PCB 실장형 솔루션을 제공합니다.

그림 7A: 링크 S₂₁(dB)(이미지 출처: NuPhotonics)

그림 7B: 광 다이오드 S₁₁(dB) 정합(이미지 출처: NuPhotonics)

그림 7C: 레이저 S₁₁(dB) 정합(이미지 출처: NuPhotonics)

결론

이 기사에서는 RFoF 링크 설계의 표면적인 부분만 다루면서 시제품 제작을 위해 DigiKey에서 쉽게 구할 수 있는 NuPhotonics 제품을 통해 RFoF 링크를 얼마나 쉽게 설계할 수 있는지 중점적으로 살펴보았습니다. RFoF를 사용하면 무선 주파수 시스템과 광섬유의 저손실, 고대역폭 및 간섭 방지 이점을 원활하게 통합할 수 있습니다. 무선 네트워크, 위성 링크, 방위 응용 분야에서 더 높은 주파수, 더 넓은 대역폭, 더 긴 도달 범위를 요구함에 따라 RFoF는 확장 가능하고 미래에도 사용할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 지속적인 연구를 통해 선형성, 잡음 성능, 비용 효율성을 개선하는 것이 5G, 6G, 첨단 레이더 및 차세대 통신 시스템의 잠재력을 최대한 발휘하기 위한 핵심 요소임을 확인했습니다.