光纤无線(xiàn)技术的PCB设计

2020-04-13

光纤无線(xiàn)電(diàn)技术可(kě)能(néng)是光纤電(diàn)信网络中讨论最少的方面之一。但是，它是将宽带无線(xiàn)接入带到偏遠(yuǎn)地區(qū)的電(diàn)信基础设施的众多(duō)部分(fēn)之一。对于无法实现标准无線(xiàn)回传或成本过高的农村地區(qū)的未来5G基础设施，此方法可(kě)能(néng)会发挥重要作用(yòng)。

就像任何其他(tā)電(diàn)子系统一样，光纤无線(xiàn)電(diàn)链路也需要PCB。光纤无線(xiàn)電(diàn)是专為(wèi)无源光网络而设计的，其中提取的RF信号无需有(yǒu)源電(diàn)子组件即可(kě)直接到达目的地。这為(wèi)電(diàn)信网络中的更快的数据传输提供了一种极其快速的解决方案。它也可(kě)以扩展到THz频率。研究界的许多(duō)工程师都在关注此技术的光源和基本基础结构，但電(diàn)路板设计人员还应发挥作用(yòng)，以确保通过光纤无線(xiàn)链路的Tx / Rx端进行准确的信号提取和路由。

什么是光纤无線(xiàn)電(diàn)？

光纤无線(xiàn)電(diàn)是一种在无源光网络中将RF信号传输到遠(yuǎn)距离接收机的方法。在光纤无線(xiàn)電(diàn)中，无線(xiàn)電(diàn)信号用(yòng)于对来自红外激光二极管的光信号进行幅度调制。然后，可(kě)以通过标准单模光纤发送此光信号，可(kě)达20 km。

光纤无線(xiàn)電(diàn)技术的主要优点是，它不会像同轴電(diàn)缆一样遭受衰减问题，从而可(kě)以达到传统无線(xiàn)回程无法达到的更長(cháng)距离。与现有(yǒu)的光學(xué)解决方案相比，该技术可(kě)提供更大的带宽，而无需数模转换（DAC）。这消除了有(yǒu)源组件中出现的延迟问题，因為(wèi)延迟是由PCB上无線(xiàn)電(diàn)信号的传播延迟有(yǒu)效确定的。

在接收端，光電(diàn)二极管用(yòng)于接收光信号，全光或GHz包络检波器用(yòng)于提取编码的微波信号。这允许提取GHz模拟信号，该信号可(kě)以与各种幅度调制方案（例如，针对LTE，WiFi或其他(tā)RF协议的数字化QAM）一起使用(yòng)。下面显示了光纤无線(xiàn)電(diàn)传输中使用(yòng)的體(tǐ)系结构的概述。

上面显示的體(tǐ)系结构也可(kě)以与BBU（Tx端）中的DWDM一起使用(yòng)。阵列波長(cháng)光栅单元可(kě)用(yòng)于分(fēn)离不同的载波，并将其路由到不同的Rx端。这提供了一种简单的方法来将模拟光纤无線(xiàn)信号路由到无源光网络中的多(duō)个接收器。

Tx侧面布局挑战

光纤无線(xiàn)電(diàn)链路的Tx侧的布局挑战取决于传输方法。在过去的许多(duō)论文(wén)中都使用(yòng)了激光二极管，但是模式梳正成為(wèi)一种有(yǒu)希望的光纤无線(xiàn)電(diàn)传输方法。在较早的光纤无線(xiàn)電(diàn)研究和开发中，激光二极管的输出用(yòng)所需的RF信号调制，并且二极管的输出使用(yòng)标准收发器耦合到光纤。由于大多(duō)数激光二极管和光電(diàn)二极管接收器的开启和恢复时间，该方法的局限性在于可(kě)发送的频率被限制在WiFi频率附近。

在即将到来的应用(yòng)中，较低的RF频率面临的布局挑战在于将RF信号路由至调制器。在发送方面，关键的挑战包括正确设计電(diàn)路板，并在射频和光學(xué)部分(fēn)之间建立足够的隔离。传输線(xiàn)设计仍将限制在WiFi频率范围内，这得益于带有(yǒu)集成電(diàn)磁场求解器的路由工具的大力支持。真正的布局挑战始于Rx端，尤其是当我们研究高GHz和THz體(tǐ)制时。

Rx侧面布局挑战

如果对单个激光二极管进行调制，则可(kě)能(néng)会在Rx端使用(yòng)相同的技术。在Tx端更好的解决方案是使用(yòng)两个自由运行的激光器，这允许長(cháng)距离发射的RF频率达到GHz甚至THz级别。使这些激光器的输出克服杂散，从而产生调幅输出。可(kě)调谐垂直腔表面发射激光器（VCSEL）当前用(yòng)于探测从5G频率到THz频率的任何位置。

由于这可(kě)以使信号行為(wèi)达到THz频率，因此该區(qū)域对于业内绝大多(duō)数设计人员来说仍是未知的领域。學(xué)术界一直致力于PCB的THz互连设计和建模，并且在这一领域有(yǒu)很(hěn)多(duō)创新(xīn)。小(xiǎo)号ubstrate集成波导路由被提出作為(wèi)一个更好的选择，以共面波导在PCB上的路由，但在介電(diàn)色散会限制系统的带宽。这些系统需要在整个所需带宽内进行无可(kě)挑剔的阻抗控制，这可(kě)能(néng)会由于介電(diàn)基片中的分(fēn)散而变得复杂。

Rx端的匹配网络和放大器也需要仔细设计，尤其是在高GHz和THz频段。这些系统中的匹配可(kě)能(néng)非常复杂，并且需要精心设计信号链，以防止信号损失，反射和功率通过设