RF和微波光纤设计指引

1、 毕业设计(论文)英文翻译译文rf和微波光纤设计指引院 （系）： 通信与信息工程系 专 业： 电子信息工程 rf和微波光纤设计指引介绍大概二十年以前，agere系统公司通过其前辈开始发展和生产激光和检测器线性光纤的联系。这些电子元件组成部分连续不断地为了进入各种各样要求高保真，高频率，或者长途模拟和数字的信号的运输的系统。由于这广泛传播的使用和发展，八十年代末，这些系列产品通常被认为是标准的rf和微波组成部分不同的应用。光纤的许多引人注意的优势使它被越来越广泛的应用。光纤设备的最主要的好处是其损失低。由于光的减弱的小于0.4 db每公里，光纤传送的信号几乎可以传输数十公里并且仍然保持原来的输入

2、的质量。对于最实际的系统低的纤维损失也是独立的频率。用激光和检测器加速到18 ghz，联系能以他们原来的形式发送高频信号，无须改变或者为了一个系统的传输部分使他们数字化。因此，信号转化设备便可以闲置或者干脆不用，这样便可以节省一部分费用。机械的灵活性节省了费用，同时，轻量级光纤电缆，大约只有1/25波导的重量的1/10coax。考虑到高的信号速率没有昂贵的建筑投资方面的支持。许多传播线能通过小的导管支持。光缆的布局更进一步被光纤的自然免疫性简化到电磁的干扰( emi )。 不仅数目大的纤维能用电源电缆严紧地捆扎，他们也提供了一个独一的安全和电气隔离的传输路径。纤维光学设备的巨大的优势首先使得他

3、们在长的拖曳数字电讯中的广泛传播中被使用。按光纤通信的最基本的形式，从一种半导体激光器发射的光或者发光二极管发射的光通过一种纤维发送数字编码的信息到一个光电二极管。通过比较，在线性的纤维光学系统中发展朗讯，光通过纤维发送的强度直接与输入的电流有关。然而这就对激光和光电二极管的质量有额外的要求，它在许多传送专断rf和微波信号应用中很重要。因此，目前有成千上万的agere系统的传输器在被使用。信息在这里提供检查基本的联系组成部分，与提供设计计算的一种综述与增益，带宽，噪音，动态的范围和失真有关。在光纤上的一段组成部分讨论一些主要参数，有波长，损失，弥散，反射，和极化和衰减。附加的信息评价光学隔离者

4、，分发反馈激光和fabry-perot激光，和短的和长的波长传输。线性的光纤的联系的主要的用法之一在传送或者收到电子设备和遥远的定位天线之间发送rf和微波信号。因为光纤链的灵活性，可能会为模拟或者数字的信号设计一些天线，包括军方和商业通信卫星，全球的定位卫星，遥感与追踪灯塔，或者无线细胞网络。另一种类型的链是光纤延迟线，装在一个包里的它包括一台传输器，一个接收器，和一个长的纤维。它可以提供长的延迟时间，高带宽，和低重量。这些更高频率的rf和微波产品已从使用线性的光纤设备电缆电视的狂潮中间接地获益。在这里，纤维扩展tv信号的传输距离，改进他们的质量和系统可靠性，而当仅仅只有电缆时，甚至与采用的系

5、统相比节省了费用。基本的线性链接组分在每个这样的应用中，还有许多其他的，agere系统的传输器和接收器包括一些链可以类似被对待为微波组成的标准部分。注意这些普通的组件，这个设计指南描述了一些必要的技术考虑和方程，可以让工程师选择最适宜他们的系统的组成部分。这些方程也在各种各样计划中被使用，这样一名agere 系统应用工程师就能通过它来为具体的联系应用提供一种分析。图1所示的是在一种光纤链中三个主要的组成部分： 一台光学的传输器，一个纤维光学电缆，和一个光学的接收器。 在传输器中，输入信号从一半导体激光二极管中输出，然后聚焦到一光缆中。光纤把调节的光学的信号载送到接收器，然后使光学的信号恢复为原

6、始的电子rf 信号。图1. 阻塞描述传输器，接收器，和光纤的一种基本的纤维光学链的图形基本的联系应用和组成部分光学传输器对于rf系统，分发反馈( dfb )激光用于对低噪音，高动态的范围应用，同时，fabry-perot激光不要求应用。这些激光的波长是1310纳米或者1550纳米。激光的光的强度被简化描述为图2中的光流( l-i)曲线。当激光二极管偏置电流比门限电流大时，ith，光学的输出电流增加。模拟链与dc利用在这线性的地区的中间的激光的点的行为操作相比有优势。明显的，这个偏置电流因为agere系统传输器把某一地方被放置为40 毫安和 90 ma之间。 门限电流在10 ma到30 ma之间

7、变化。图2.输入电流与输出电压激光把电流改变成为可利用的光的效率可以用li曲线的斜率表示，这被叫做调制增益。对于典型的agere系统激光，这直流调制增益根据模型的选择在0.02 w/a与a 0.3 w/a之间变化。带宽变化很大程度上因为是通往光纤的光不同的连接方法。调制增益有时也随着频率变化，因此它必须被指定是否是一种有特殊的价值的dc或者更高的频率增益。除激光二极管之外，传输器也包含各种各样的其它组成部分，根据具体应用或者综合标准的要求而定。最基本的激光模块包装包含激光芯片，光纤，和阻抗匹配的电气设备，它们被密封在如图3所示的容器里。模块也可能包含一个监控激光电源的光电二极管，一个电热调节器

8、，一台由温差产生电流( te )的冷却器监控和控制激光温度，和一个光学的隔离器用来减少从纤维返回到激光器的反射光的数量。图3. a1611a dfb激光模块基本的激光模块，作为一替代部件虽然可供使用，但通常集成到一台完整的传输器中诸如凸缘爬升和插入的包装如图4所示。这些传输器也可能包括直流电子来控制激光温度和偏置电流，放大器和其它电路系统预处理rf信号，和各种各样的指示器全面监控传输器的性能。由于模拟光纤传输器在一系列应用被使用，确切的执行这些产品的特点也在变化。图4.传输器包装风格:凸缘爬升(左边)和插入(右边)基本的联系应用和组成部分(继续)光学接收器在光纤链的另一端，光被接收器的pin光

9、电二极管检测，这把返回的光变为一种电流。光电二极管的性能反应曲线如图5所示。再强调一次，记住那反应是十分线性的。这曲线的斜率明显大于0.75ma/mw对于一个没有任何阻抗匹配光电二极管芯片。类似于激光二极管，光电二极管是包装在包含一阻抗的一种密封的模块中为匹配网络提供直流偏置和射频输出。然而，不同于激光，光电二极管对温度比较要不敏感所以不需要冷却器( tec )的。有一些特殊的防范措施被用来最大限度地减少从纤维返回的光的反射，否则能把一种链性能降级。图5.光电二极管线性的特性曲线这些光电二极管模块经常集成到中更多类似于flangemount的完全的接收器包装和传输器的插入品种。 在这些接收器中

10、，电路系统反转使二极管偏向从而增快反应速度。接收器也包含监视器和警报输出。 一些接收器可能包括一个邮局放大器，宽带电流变压器，和/或者阻抗匹配网络用来改进增益链。由于这样的电路系统，接收器的效率一般地不同于单一的光电二极管芯片。光缆一种光缆在一个线形光链中是第三个主要的组成部分。单一模式的纤维，与组合模式的纤维相反，它经常被agere 系统使用，因为它的分散低和损失小。 在波长为1310纳米时，纤维每公里减弱4db的信号； 在波长为1550纳米时，每公里减弱0.25db。典型的，纤维被灵活的装在3毫米直径管的粗糙的电缆里，并且通过可再度使用的光学连接器把传输器和接收器连接在一起。模块的性质可以

11、简化系统的物理建筑的设计，同时使一个宽的范围的设置成为可能。虽然agere系统不提供光纤，但在选择这些组成元件时应该有一些重要的东西要考虑。在名为对光纤组成部分的选择的第19页，很详细的描述了这些问题。链设计的计算当为了一种光纤链选择适当的组成部件时，有若干关键的数据需要被提前定义计算，任何rf或者微波通信链完成时。这段中的讨论的主题包括链增益，带宽，噪音，动态范围，和失真，同时，使用那信息作为一个典型的链的例子。在这段中的详尽的方程也已被结合到各种各样的设计计划中，一名agere 系统应用工程师能在具体应用中为预先算到的链的性能做准备。链设计计算(继续)增益一个光链的rf损失(或者增益)是四

12、个变量的一种功能，包括传输器效率，纤维损失，接收器效率，和输出和输入阻抗的比率。按其最基本的形式，链的电源增益能被写做用输入电流和输出电流表示的方程1:方程里面rout是接收器输出端的装载抵抗，那个rin是激光传输器的输入抵抗。( iout与iin )的关系可以由方程2所示：，rf是整个的传输器的效率，包括所有放大器和匹配网络，把高频输入电流改变成为光学的电源调制。，rf是把光学的电源调制改变成为rf输出电流的整个接收器的效率。(这rf价值不与dc光电二极管一样，如前面一段中所说的带宽，第8页)。，rf和，rf的单位分别是w/a和a/w。联系的纤维部分测量为：方程3:然后将方程2带入方程1可得

13、整个的链增益：方程4，rf和，rf有时通过减少20log改变为另一种形式更加类似于的传统的rf增益，这样4方程能被简化为：方程5tg是w/a的传输器增益，rg是w/a的接收器增益。 tg和rg中与单元有关的整个rf效率以w/a或者a/w表达如下：方程6方程7例如，结合带有75欧姆一tg的传输器在-1w/a，75欧姆带有+20 a/w的一rf的接收器和12db的光学的损失，将给一rf链的增益：如图6所示光学的损失和传输器的效果带有的一种效率的一个接收器的rf效率0.375 ma/mw (rg-8.51a/w )的rg，计算出来如方程4所示。附录，第28页，包含附加其它典型的传输器曲线和接收器的效

14、率的装置。图6.光学损失和传输器rf效率结果加倍光学的损失期间有趣味并且经常忽略的方面方程4是2 lo 方面。当这表明时，对于每一光学的损失的附加的db，有附加的2 db的高频损失。这怪事由于改变rf的光学的电源而发生。在这里，高频电流直接与光学的电源成正比，但是高频电压与高频电流成正比。当去掉log时，2的一个因素使其变到光损耗的前面。例如，当一对传输器和接收器有0db的光损耗时，会有-35 db的增益， 当他们有2db纤维损耗时，会有-39db的高频增益。匹配阻抗的组成部件 为了一个具体的链的计算整个的插入损耗，考虑到带宽的阻抗的匹配链如图7所示。在这种情况中，激光传输器包括激光二极管，5

15、欧姆的一典型的阻抗，和一个提高总输入阻抗电阻器，rin，到外部信号源的阻抗。光电二极管模块包括光电二极管，有典型的几千欧姆的阻抗，与输出阻抗rl匹配的电阻rpd。这样匹配的电阻器基本上把vswr链改进的超过了那个不匹配的链。由于这个额外的光电二极管电阻器，从接收器输出的电流，iout，将会比由光电二极管芯片产生的少，ipd。接收器的高频效率，rf，因此会比单一的光电二极管芯片小，rpd：方程8:对于50欧姆的一个与系统匹配的rpd和rout匹配因此将是大约50欧姆接收器的高频效率将是光电二极管芯片自己的一半。 这把整体的链增益减少了6db。对于一个阻抗匹配的光电二极管的接收器：方程9:传输器的

16、高频效率，另一方面，一个6 db由于事实上匹配电阻不是并联而是串联在一起的所以不经理那样一过程。因此，在一台传输器的带宽之内，其高频效率大约等于直流激光二极管的调制增益。就如下例所示，考虑到带有一种直流调制的一台传输器0.1 w/a的增益，一个接收器的带有0.75的匹配阻抗和带有光学的3 db损耗的一种纤维。对于第一个来说，传输器的高频效率将0.1 w/a和接收器的高频效率将是0.375a/w.如果传输器和接收器被匹配到50。，然后阻抗与方程4种下跌的期间匹配，不考虑rf大约的链增益：方程10:图7.匹配阻抗链链设计的计算(继续)匹配的链的反应为了克服这样一种损耗，许多链结合额外的放大器，这在

17、接收器的噪音一章中描述的很详细，第10页；大器的布局，第15页； 同时，这一章中还有例子，第15页。对于窄带系统来说，还有另外的办法，可以通过匹配阻抗来改进链增益，这样激光二极管和光电二极管就可以实现rout与rin 1的效果。在这样的链中采用这些匹配的电子设备主要是为了在不产生反应和弱的vswr的同时产生额外的增益。带宽超出光纤链所能传输的频率的范围将会被限制在传输器和接收器的带宽之间，同时被光纤的分散程度所限制。一个链的带宽限制一般地被定义为频率微波调制反应减少3 db。在大多数情况中，激光传输器的带宽限制于一种link?s的频率反应，因此，基本的激光二极管芯片的反应如图8前部分所示。正如

18、我们所看见的，芯片的频率反应随着偏置电流而变化，这样一个最佳点被选择以便平衡这频率反应和其它诸如噪音，线性，设备寿命等当前较敏感的参数。当激光芯片集成到一台完整的传输器时，其它组成部分诸如放大器或者匹配网络也能限制反应。接收器的带宽被电容限制同时，光电二极管芯片的负载出现短暂过路现象或者额外的电子设备如放大器和匹配网络。在大多数情况中，这些接收器中的速度要比其它那些链中的组件的速度快。在一些情况下，纤维本身可以抹去由于沿着一个纤维以不同的速度和波长传播而很快速变化的信号。为了避免这彩色的弥散，激光器沿着窄的光的带宽，如dfb激光器，有着低的分散率的和纤维一起被使用的激光器。在使用一1310纳米

19、dfb时，纤维在它们的分散性里有一个自然的最低值，过度的带宽可以达到15 ghz从而使纤维长达数十公里。在将分散性的那一段，第20页，这些纤维的描述更加充分。图8.激光器的频率反应随偏置电流而增长的功能曲线。链设计的计算(继续)噪声在链的带宽之内，从各组成部件产生的噪音的贡献也必须被考虑。当规定一个链的噪音时，应该使用相等物输入噪音趋势( ein )。ein被定义为在一个链的输入高频噪声的量那将是需要产生的噪声的量，在链的输出观察如果总数连系自己没有噪声。其单元能以mw/hz或者dbm/hz表示：方程11:一个衡量噪声的尺度是噪音图( nf )，在实际的噪音电源的db中是比率到被一种类似的设备

20、生产的量完美的噪音性能。它更进一步被定义这理想的设备的输入被被动终止在标准的温度290 k ( to )时。由于从这样一种装载而产生的可供使用的噪音电源：ein与nf有关：方程12:在同等方面噪声也能被指定为输入的温度，t，如下式：方程13:例如，有的一种输出噪音的一个链-85 dbm/hz ,-40 db和一增益将有一ein在-125dbm/hz，49db的一个nf，和一个2.3k的t。方程11和12要求那ein能超过1 hz 带宽。而这些条款被定义，四种主要的噪音源在一个光纤链中能被定义为：1.从传输器到放大器的噪音2.从激光二极管来的噪音3.把噪音射击到光电二极管4.从放大器和/或者接收

21、器上的匹配元件来的噪音自从光纤链典型的展品以来有意义信号损耗，来自传输器放大器的噪音一般比其它组成部分小甚至被忽略。这些计算结果 在这段的讨论中被总结如附录的第28页中的性能曲线所示。激光噪音激光噪音起源于光学的信号的强度的随机波动。这里有两种主要的贡献对于这种效果。首先是实际的波动在光的强度中被激光二极管产生时。第二在频率中的波动在光中，这纤维如果能具有分散性，就能把信号降级。这第二套结果将会在有关反映和interferometric噪音的段被更充分的讨论，第24页；极化模式弥散，第25页； 同时，分发反馈( dfb ) vs。 fabry-perot ( fp )激光，第25页。在传输器直

22、接被测量的激光噪音经常被称作相关的强度噪( rin )，如此命名是因为它是平均的广场的比率因为噪音波动的振幅的每单元带，对于直流的光源的平方，po：rinratio = /这价值与ein有关：方程14:idc在以ma表示的直流偏置电流的地方运用于激光二极管，ith是激光门限电流，rin激光输入直流阻抗，mdc是直流调制激光二极管的增益，和，rf是rf效率在一定频率的传输器中。作为一个例子，一种激光使在门限之上的60 ma偏向有了-153 db/hz的一rin输入阻抗50欧姆，和一种调制赢得比率mdc/，1的rf将有-130 dbm与h的一einlaser简言之，rin和ein随着偏置电流和频率

23、变化。链设计的计算(继续)射击噪音链噪音的第二个主要的贡献者来自于精细微妙的称为射击噪音的结果。射击噪音发生是因为光由一些叫做光子的离散的能量包组成，它不是通过平滑的能量流转化的信号，而是用很多无穷小的能量块。每一个随机出现的光子在电流中产生一种随机噪声光电二极管的输出：方程15:在上式中ishot是射击噪音的rms价值光电二极管芯片； 是1.6库仑； idc穿过光电二极管的直流电流，和bw决定测量通道或者带宽的标准。离开接收器的射击噪声的量，ishot，out将依赖于光电二极管的比率整个的接收器的再回复和效率。从射击噪音每单元带宽的贡献能够通过提交整个链的输入从而得到反馈：方程16:plas

24、er即光源会在激光之后马上开始启用纤维。例如，如果plaser是4 mw，r是50欧姆,，rf0.1 w与a，rpd是0.75a/w，而lopt，ratio是2 (即，3 db )那时：方程17:接收器噪声接收器也将从任何放大器增加噪音或者匹配阻抗的元件并入或者在接收器之后接收之后马上开始。由于是有必要的，在大多数形势中的这样放大器，它的细心的贡献也被认为是重要的。接收器噪音往回被提交给输入方程10，在第7页。接收器噪音经常被等价指定为噪音流。类似于ein，相等的噪音流正如光电二极管的理论上的rms流量那将被要求建立实际量观察离开光电二极管的噪音，想象接收器的所有其它组成部分没有噪声。方程18

25、:在上式中ienc是与rms相等的噪音流光电二极管和在中，输入，输出是实际的rms噪音接收器。如下例所示，考虑到50。 在第7页上的图7中的接收器的匹配阻抗。 一个热的噪音，在这里rpd，电阻器能被模拟作为一个当前的来源与一种rms的电流的电阻器并联:在图7中，这18 pa/hz一半将穿过匹配阻抗，rpd，和一半将穿过负载，输出噪音流将是9pa/hz (或者电源是-174 dbm/hz )使用方程17和从有关匹配阻抗的组成元件的段落中，第7页，/，rf = 2对于一个有匹配阻抗的接收器，相等的噪音阻抗匹配的电流50欧姆,接收器仅仅为18pa/hz。为了把这相等的噪音流改变为ein链的使用如下：

26、链设计的计算(继续)总的链噪音当激光噪音和光电二极管射击噪音与接收器热的噪音一道增加时如图9所示，每一噪音来源都尊重总数达到特定的系统的光损耗。特别地，激光ein保持经常，光电二极管ein成长与光损耗成正比，和接收器热ein成长与成正比光损耗(当然，实际热的广场噪音是经常的，但是自从它往回被提交给链输入其与输入信号有关的贡献成长作为链增加的损耗)。方程19:如图10所示所能取得的利益，当加以使用时使反应匹配。匹配反应的传输器减少所有三个组成部件的电平在噪声链中，这意味着那较低的增益平均每amps是需要的取得同样的信号到噪音比率。接收器的反应的匹配更进一步通过增加链增益来减少要求，但是它也专门降

27、低相关的贡献，在接收器热的噪音中，这经常将因素限制在较长的链中。附录，第28页包括一套更完全的ein曲线。highpower光电二极管也能改进噪音性能在一个链中因为他们一般不要求保护额外的光衰弱，这样光链的损耗更低。图9.累积的损耗结果，光电二极管射击噪音，和接收器在整个链性能上的热的噪音图10.传输器和接收器的反应的匹配所改进的噪音性能链设计的计算(继续)噪音图一旦一个光链的噪音贡献被计算同时，减少到单一的数量，einlink这噪音能用其它微波被瀑布似地落下成为系统中的组成部件。friis公式宣称如果带有nf1的一种噪音图的一个单一的组成件和g1的增益其后是另一个组成部件，那么nf2的一种噪

28、音图整个的噪音图将是：方程20:当计算代数时nf和g必须被表达作为比率friis公式也能被改变成为ein和t在上使用方程中的定义12和方程13第9页：方程21:方程22:无变化的噪音和snr噪音现象在以前的段中描述全都发生在不依赖于一个rf信号的存在；然而，有另一个类型的噪音时，在当前只有一个信号时发生的现象。这样噪音目前的频率这么低，一个信号，但是被翻译成为的邻近地区当光被调节时，如图11所示:这upconverted噪音可能把信号减少到下面的噪音比率( snr，c与n，或者cnr )将会在计算ein时被考虑。fabry-perot激光尤其容易受到这噪音的影响和这会在他们的snr说明中被反映

29、。对于一种fabry-perot激光，这种低频率的噪音会导致方式划分噪音的很大程度上，这带有纤维长度和调制频率的增加。对于dfb激光有仅仅一种光学的方式(或者波长)，因此这些结果并不很重要。余下dfb的低频噪声主要产生于在纤维上散开的rayleigh，这只会变成明显的链和对于20公里或者更多秩序的高snr。这些upconverted噪音来源在有关反映的段中更详细地描述同时，interferometric噪音，第24页，并且分发反馈( dfb ) vsfabry-perot ( fp )激光，第25页。图11. snr上的无变化的低频噪声的结果链设计的计算(继续)等效带宽链的snr不仅取决于rf

30、发出的信号电平及以上论述，而且是在噪音等效带宽。更宽的通道宽度将会包括更多的噪音电源从而减少snr。虽然链可能道过宽阔的带传递许多频道，接收器能被调节到单一的通道带。这单一通道带宽在确定snr的过程中是重要的；同时，在下一段中，动态的范围。方程23:动态的范围和扭曲当噪音地板确定最小的rf信号时为了一个特定的链从而发现，在非线性化激光和放大器中趋向于最大限度的限制被传送的rf信号。对于传送的单链有对它的小担忧的音调干涉用其它信号，一般地用1种db压缩点来规定动态的范围。对于链传送的大量信号，第三秩序拦截点经常地被用来计算spurfree动态的范围。两个定义在下面被讨论。1种db压缩点对电源的最直接了当的限制的输入信号是1种db压缩点，p1db。在这个rf输入电源中，输出信号少于1 db的会被小的信号的链增益预言。这限制定义1个db动态的范围，dr1db，如下：方程24:第三秩序拦截和刺激自由动态范围大量的载波