지난 달, 한 통신장비 제조사에서 답답한 문제로 저희에게 연락을 해왔습니다. 광섬유 시스템을 통해 새로 배포된 L-대역 RF는 주파수에 따라 크게 달라지는 불규칙한 성능-신호 강도를 보여 전체 설치를 신뢰할 수 없게 만들었습니다. 설정을 검토한 후 우리는 설계 단계에서 누구도 예상하지 못했던 2.4dB 게인 평탄도 문제가 원인임을 발견했습니다.
많은 시스템 통합업체는 여전히 광섬유 링크를 통한 RF의 중요한 측면, 즉 신호가 광 전송 체인을 통해 이동하면서 누적되는 불가피한 이득 변화를 간과하고 있습니다. 모두가 광섬유 길이와 광 전력 예산에 초점을 맞추고 있지만 레이저, 광검출기 및 광섬유 자체의 주파수- 의존적 동작은 조용히 시스템 성능을 저하시킵니다.
광 링크가 일관된 이득을 얻기 위해 애쓰는 이유
변이의 세 가지 원천
통신 산업이 RF 신호 분배를 위해 광섬유를 채택한 데는 그럴 만한 이유가 있습니다. 광섬유는 킬로미터당 0.3-0.5dB의 손실만 발생합니다. 이는 구리 케이블이 경험하는 손실의 일부입니다. 그러나 광 RF 전송에는 여러 변환 단계가 포함되며 각 단계는 다양한 주파수에 다르게 반응합니다.
RF 신호가 레이저 다이오드의 출력을 변조할 때 여정이 시작됩니다. 직접 변조된 레이저는 특정 주파수가 다른 주파수보다 더 많이 증폭되는 자연 공명인 "이완 진동"-을 나타냅니다. 일반적인 1310nm DFB 레이저에 대한 측정 결과 단 1GHz 대역폭에서 3~4dB의 응답 변화가 나타났습니다. 입력 전력이 일정하게 유지되는 경우에도 약 1GHz의 낮은 주파수는 2GHz의 신호보다 1.5dB 더 강하게 나타날 수 있습니다.
섬유 자체는 색분산을 통해 복잡성을 더합니다. 강도-변조된 신호가 유리 섬유를 통해 이동할 때 다양한 광 주파수 구성 요소가 약간 다른 속도로 전파됩니다. 몇 킬로미터 후에 이러한 구성 요소는 서로 강화되거나 상쇄되는 위상 관계를 가지고 도착합니다. 우리는 3.5ps/(nm·km)의 색분산을 갖는 10km의 표준 SMF-28 광섬유를 테스트했습니다. 이는 측정 가능한 RF 전력 변화(일부 주파수에서는 노치, 다른 주파수에서는 피크)를 생성합니다.
수신 측에서 PIN 포토다이오드는 접합 용량 및 캐리어 전송 시간으로 인해 대역폭 제한이 나타납니다. 수십 기가헤르츠 대역폭에 도달하는 최신 장치조차도 더 높은 주파수에서 처지는 응답을 보여줍니다. 트랜스임피던스 증폭기는 추가적인 필터링 효과를 추가합니다.
이러한 효과를 함께 캐스케이드하면-레이저 불규칙성, 광섬유 분산 및 감지기 응답-. 우리가 조사한 전체 L-대역 시스템은 1~2GHz에서 2.4dB 이득 변화를 보여주었습니다. 이는 특정 주파수를 사양 한계 밖으로 밀어내기에 충분합니다.
전통적인 수정과 그 문제점
엔지니어는 불규칙한 응답을 보상하기 위해 수동 이퀄라이저-주파수 종속 감쇠를 도입하는 회로-를 사용합니다. 광링크의 게인이 너무 높으면 감쇠를 더 많이 삽입하십시오. 처지는 곳에서는 감쇠를 줄입니다.
기존 설계에서는 특정 주파수 응답 형태를 생성하도록 배열된 RLC 네트워크-저항기, 인덕터 및 커패시터를 사용합니다. 그러나 커패시터, 특히 기가헤르츠 주파수에 적합한 커패시터는 상당한 회로 기판 공간을 차지합니다. 클라이언트의 광 송신기 모듈에 이퀄라이제이션을 통합하려고 시도했을 때 초기 RLC 설계에는 15mm × 8mm의 PCB 영역-가용 공간의 거의 1/4이 필요했습니다. 부품 배치는 3차원 퍼즐이 되었으며, 커패시터는 광학 결합 광학 장치 및 레이저 드라이버 회로와 공간을 두고 경쟁했습니다.
비용도 중요합니다. 저항기와 인덕터의 부피는 아주 저렴하지만 허용 오차가 엄격한 고주파 커패시터는 각각 몇 달러에 달합니다. 수천 명이 배포한 시스템의 경우 이러한 비용이 누적됩니다.
우리 팀의 통찰력: 성능 저하 없이 단순화하기
패턴 인식
L-대역 시스템의 여러 광 링크 주파수 응답 곡선을 분석한 후 우리 엔지니어링 팀은 일관된 패턴을 발견했습니다. 즉, 문제가 있는 이득 변동은 거의 항상 더 높은 주파수에 비해 과도한 이득이 있는 더 낮은 주파수를 나타냈습니다. 이는 레이저 변조 효율성, 광섬유 분산 및 광검출기 응답 롤오프의 결합된 물리학을 반영합니다-.
이로 인해 중요한 질문이 생겼습니다. 더 간단한 회로 토폴로지를 사용하여 이 특성 경사를 특별히 목표로 하는 이퀄라이저를 설계하면 어떨까요?
자연스러운 RL 동작 활용
표준 RL 회로는-저항기와 인덕터만 있고 커패시터는 없습니다.-자연스러운 고{2}통과 필터링을 나타냅니다. 주파수가 증가함에 따라 유도성 리액턴스는 비례적으로 증가합니다(XL=2πfL). 전달 함수는 자연스럽게 더 높은 주파수에서는 더 적은 감쇠를 제공하고 더 낮은 주파수에서는 더 많은 감쇠를 제공합니다. 이는 일반적인 광 링크에 필요한 것과 정반대입니다.
우리는 이 동작을 활용하여 2단계 RL 아키텍처를 개발했습니다-. 각 단계는 직렬 저항과 접지용 션트 인덕터로 구성됩니다. 첫 번째 단계에서는 광 링크 이득의 일반적인 하향 기울기를 해결하는 대략적인 균등화를 제공합니다. 두 번째 단계에서는 특정 불규칙성에 대한 미세 조정을 추가합니다.-
L-대역 애플리케이션의 경우 구성 요소 값은 저항기의 경우 약 22-33옴, 인덕턴스의 경우 3-5나노헨리로 설정되었습니다. 이는 표준 0402 또는 0603 표면 실장 부품을 사용하여 쉽게 구현됩니다. 완전한 2단계 이퀄라이저는 약 6mm × 4mm의 보드 공간에 적합하며, 동급 RLC 설계보다 60% 더 작습니다.
키사이트 ADS를 사용한 회로 시뮬레이션에서는 각 단계가 약 0.9dB 등화 범위에 기여할 것으로 예측되었으며, 이를 결합하면 거의 1.8dB에 가까운 총 보정이 이루어졌습니다. 삽입 손실은 대역 전체에서 평균 약 2.5dB로 적당한 수준을 유지했습니다.-허용 가능한 절충안-입니다.
전략적 배치: 양쪽 모두가 중요한 이유
흔히 저지르는 실수 중 하나는 이퀄라이제이션을 단일{0}}지점 수정으로 취급하는 것입니다. 우리의 경험에 따르면 듀얼-엔드 구현이 더 나은 결과를 낳는 것으로 나타났습니다.
송신기 입력에서의 사전{0} 보상은 광학 변환 이전의 레이저{1}}특정 문제를 해결합니다. 레이저를 변조하기 전에 전기 RF 신호를 균등화함으로써 레이저의 -평탄하지 않은 변조 효율성을 상쇄합니다.
수신기 출력에서의 사후 보상은 광케이블 전파와 광검출의 결합된 효과를 처리합니다. 광 신호가 전기 형태로 다시 변환된 후 수신기 이퀄라이저는 분산-으로 인한 변화와 광검출기 응답 불규칙성을 모두 수정합니다.
듀얼-엔드 캐스케이드 전략은 보상 작업 부하를 분산합니다. 하나의 이퀄라이저가 모든 변형을 수정하도록 강제하는 대신 각 이퀄라이저는 대략 절반을 처리합니다. L-밴드 광학 시스템의 경우 송신기{4}}측 이퀄라이저는 이득 변화를 2.4dB에서 약 1.5dB로 줄였습니다. 수신기 측 이퀄라이저를 추가하면 총 변화가 0.8dB로 낮아져 사양 내에서 편안하게 사용할 수 있습니다.
이러한 분산 접근 방식은 설계 유연성도 제공합니다. 다양한 광 송신기 모듈은 다양한 변조 응답 특성을 나타냅니다. 송신기 측 이퀄라이저만 조정함으로써 전체 시스템을 재설계하지 않고도 다양한 변형에 적응할 수 있습니다.
실제-세계 테스트 결과
테스트 구성 및 기준
실험실 검증에서는 상업용 광 트랜시버 모듈-2.5GHz 변조 대역폭 정격의 표준 1310nm DFB 레이저를 사용했으며, 10km의 Corning SMF-28 단일-모드 광섬유에 연결되었습니다. 수신기에는 일반적인 PIN 광다이오드(0.8 A/W 응답성)와 트랜스임피던스 증폭기 및 RF 사후 증폭이 통합되었습니다.- 우리는 Agilent E8361A 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 800MHz ~ 2.2GHz의 S-파라미터를 측정하여 전체 광 링크를 특성화했습니다.
초기 기준 측정에서는 L-대역 전반에 걸쳐 2.4dB 피크-대-피크 이득 변화가 확인되었습니다. 응답은 1.0{12}}1.2 GHz 부근에서 상대적으로 높은 이득을 보였으며, 광섬유 분산에 따른 진동 리플로 인해 2.0 GHz로 갈수록 점차 감소했습니다. 특정 측정: 1.0GHz에서 -12.3dB 변환 이득과 2.0GHz에서 -14.7dB(분산 유도 리플로 인해 ±0.3dB 변동 추가)
균등한 성능
우리는 50옴 임피던스를 유지하는 마이크로스트립 전송 라인을 사용하여 표준 PCB 프로세스를 사용하여 Rogers RO4003C 라미네이트에 2단계 회로를 제작했습니다. 각 이퀄라이저는 약 6mm × 4mm를 차지했습니다.
송신기{0}}측 이퀄라이저는 게인 변화를 2.4dB에서 1.5dB로 줄여-0.9dB 개선했습니다. 수신기측 이퀄라이저를 추가하면 총 1.6dB 향상됩니다. 최종 균등화된 시스템은 1.0dB 평탄도 사양 내에서 1-2GHz에 걸쳐 0.8dB 피크{10}}대{11}}변화를 나타냈습니다. 특정 측정: 1.0GHz에서 -13.9dB 변환 이득, 2.0GHz에서 -13.5dB, 분산 리플은 ±0.2dB로 감소.
1.6dB로 측정된 개선은 1.778dB-단지 10% 오류라는 시뮬레이션 예측과 거의 일치했습니다. 이는 설계 방법론을 검증합니다.
두 이퀄라이저의 삽입 손실은 평균 약 2.5dB였습니다. 전 대역에 걸쳐 반사 손실이 -12dB를 초과하여 우수한 임피던스 매칭을 확인했습니다. -20도에서 +70도까지의 환경 테스트에서 평탄도 변화가 0.3dB 미만인 것으로 나타났으며, 이는 수동형 설계가 온도에 민감한 능동 구성 요소 없이 안정적인 성능을 유지함을 보여줍니다.
실제 구현 고려 사항
제조 현실
PCB 레이아웃이 중요한 것으로 입증되었습니다. 기가헤르츠 주파수에서는 밀리미터-규모의 트레이스 길이도 성능에 영향을 미칩니다. Rogers RO4003C 기판 매개변수(두께 0.508mm)를 기반으로 트레이스 폭을 계산하면서 전체적으로 엄격한 50옴 마이크로스트립 형상을 유지했습니다.
접지면 연속성은 특별한 주의를 기울일 가치가 있습니다. 션트 인덕터는 접지에 연결되며 해당 접지 경로의 인덕턴스는 의도한 인덕터 값에 추가됩니다. 우리는 낮은 임피던스 접지 연결을 제공하기 위해 원형으로 배열된 다중 비아 스티칭-일반적으로 4{4}}6개의 비아를 사용했습니다-.
처음에는 0402 크기의 부품(1.0mm × 0.5mm)을 지정했지만 조립 팀에서는 배치 결함률이 더 높다고 보고했습니다. 0603 구성 요소(1.6mm × 0.8mm)로 전환하면 전기 성능에 미치는 영향을 무시하면서 제조 수율이 향상되었습니다.
생산 변동성 처리
생산 과정에서 레이저 모듈은 기기-별-변형을 보여줍니다. 우리의 솔루션에는 일반적으로 1.8dB만 필요한 경우 2.0dB 기능을 목표로 하여 일반적으로 필요한 것보다 약간 더 넓은 수정 범위를 갖는 이퀄라이저를 설계하는 것이 포함되었습니다.{3}} 이는 부품 공차 및 장치 변형을 수용할 수 있는 여유를 제공합니다. 50개 레이저 모듈에 대한 테스트에서는 동일한 이퀄라이저 설계로 모든 시스템이 1.0dB 평탄도 사양 내에서 유지되는 것으로 나타났습니다.
실제 배포를 통해 배운 내용
실험실 검증 외에도 현장 설치를 통해 실용적인 통찰력이 드러났습니다. 18개월에 걸쳐 우리는 세 고객 설치에 걸쳐 약 200개의 광 트랜시버 모듈에 RL 균등화 회로를 공급했습니다.
대형 스포츠 경기장에 서비스를 제공하는 분산 안테나 시스템의 광섬유 길이는 400미터에서 거의 3킬로미터에 이릅니다. 처음에는 다양한 광섬유 길이로 인해 다양한 분산 효과가 발생하여 안테나 섹터 전반에 걸쳐 성능이 일관되지 않았습니다. 이퀄라이저를 추가하면 주파수 응답이 표준화되어 네트워크 계획 팀이 모든 부문을 동등하게 처리할 수 있습니다. 예상치 못한 이점: 편평도가 향상되어 소프트웨어-기반의 채널별 전력 조정을 제거하여 시운전 시간을 약 30% 줄였습니다.-
15km 떨어진 곳에 레이더를 설치하면 온도 문제가 발생했습니다. 환경 조건은 겨울 -30도부터 여름 더위 +50까지 다양했습니다. 겨울철 현장 측정 결과 레이저 파장 온도 드리프트(섭씨 1도당 0.08nm)가 섬유 분산과 상호 작용하여 작은 주파수 응답 변화를 생성하는 것으로 나타났습니다. 우리는 계산 결과 1.9dB이면 충분할 때 2.2dB 기능을 제공하는 등화 범위를 과도하게 설계하여 이 문제를 해결했습니다.
제조 규모를 통해 부품 공차 스택에 대해 배울 수 있었습니다. 100+ 유닛을 생산하면 제안된 프로토타입보다 더 광범위한 성능 변화가 나타났습니다. 우리는 구성 요소 사양을 ±2% 인덕터 및 ±0.5% 저항기로 강화하여 비용을 15% 증가시켰지만 이퀄라이저의 95%가 허용 오차를 완화하여 ±0.35dB에 비해 목표 응답의 ±0.15dB 내에 들어가도록 했습니다.
경제를 작동시키다
2-스테이지 RL 이퀄라이저의 직접 구성 요소 비용은 1000+. 단위당 약 $0.85-1.20입니다. 이는 저항기의 경우 $0.30, 인덕터의 경우 $0.65, PCB 영역 할당의 경우 $0.15-0.25입니다.
이를 커패시터가 필요한 동급 RLC 설계와 비교해 보세요. RF 등급 커패시터(각 $0.80-1.50)로 인해 총 비용이 $2.50-3.50으로 증가합니다. $1.50-2.00의 비용 차이는 수천 대에 걸쳐 배가됩니다. 매년 5,000개의 광 트랜시버를 구축하는 시스템 통합업체의 경우 커패시터를 제거하면 직접 재료비에서 $7,500-10,000를 절약할 수 있습니다.
더 작은 설치 공간(약 24mm², RLC 동급의 경우 40mm²)은 패널당 약 5{3}}7% 더 많은 회로를 의미하며-단위당 보드 비용을 동일한 비율로 효과적으로 절감합니다. 커패시터 배치 작업을 없애면 조립 비용이 약 8% 감소합니다.
일부 고객은 처음에 2.5dB 삽입 손실을 추가하는 것을 거부합니다. 그러나 평탄도가 향상되면 시스템은 모든 주파수에서 최소 신호 강도를 유지하면서 더 낮은 평균 전력 수준에서 작동할 수 있습니다. 한 고객은 더 나은 전체 성능을 달성하면서 RF 증폭기 출력을 25dBm에서 23dBm으로 줄였습니다. 2dB 전력 감소는 증폭기 효율, 발열 및 전력 소비 측면에서 2.5dB 삽입 손실을 상쇄하는 것 이상입니다. 18개월 간의 배포 데이터를 기준으로 현장 실패율이 약 30% 감소했습니다.
시스템 설계자를 위한 주요 사항
광 링크가 평탄한 주파수 응답을 제공한다고 가정하지 마십시오. 전기-및 광-전기 변환 단계는 적당한 대역폭에서 종종 수 데시벨을 초과하는 주파수 선택성을 도입합니다. 설계 검증 중에는 항상 전체 링크 응답을 측정하십시오.
균등화를 임시방편으로 취급하기보다는 설계 주기 초기에 고려하세요.- 처음부터 균등화를 위해 몇 제곱밀리미터의 보드 공간과 적당한 링크 예산을 할당하는 것이 나중에 재설계하는 것보다 훨씬 저렴합니다.
생산 환경에서는 단순한 회로가 승리하는 경우가 많습니다. RL 토폴로지에서는 커패시터를 제거하여 비용, 크기 및 제조 복잡성을 줄입니다. 구성 요소 유형이 적다는 것은 재고 관리가 더 간단하고 조립이 더 쉬우며 잠재적인 품질 문제가 더 적다는 것을 의미합니다.
분산 보상-송신기와 수신기 모두의 이퀄라이저는-일반적으로 단일 지점 보정보다 성능이 뛰어납니다.{2}} 두 개의 이퀄라이저로 인해 복잡성이 추가되면서 전체 성능이 향상되고 설계 유연성이 향상되어 이점을 얻을 수 있습니다.
균등화 설계에 여유를 두십시오. 구성 요소 허용 오차, 온도 변화 및 기기-간-차이는 실제-성능이 공칭 값을 중심으로 분산된다는 것을 의미합니다. 계산 결과 1.8dB가 제안될 때 2.0dB 보정을 위해 설계하면 현장 문제를 방지할 수 있는 여유 공간이 제공됩니다.
