Í síðasta mánuði hafði framleiðandi fjarskiptabúnaðar samband við okkur með pirrandi vandamál. Nýlega útfært L-band RF yfir ljósleiðarakerfi þeirra sýndi óstöðugan árangur-merkjastyrks var mjög mismunandi eftir tíðnum, sem gerði alla uppsetninguna óáreiðanlega. Eftir að hafa skoðað uppsetningu þeirra uppgötvuðum við sökudólginn: 2,4 dB flatneskjuvandamál sem enginn hafði búist við á hönnunarstiginu.
Margir kerfissamþættir líta enn framhjá mikilvægum þáttum RF yfir ljósleiðaratengla: óumflýjanlega ávinningsbreytingar sem safnast upp þegar merki ferðast í gegnum ljósleiðarakeðjuna. Þó allir einbeiti sér að lengd ljósleiðarans og kostnaðarhámarki ljósleiðara, grefur tíðni-háð hegðun leysis, ljósnema og trefja sjálfra hljóðlega undan afköstum kerfisins.
Af hverju optískir tenglar eiga í erfiðleikum með stöðugan ávinning
Hinar þrjár uppsprettur tilbrigða
Fjarskiptaiðnaðurinn hefur tekið ljósleiðara fyrir RF merkjadreifingu með góðri ástæðu. Ljósleiðari skilar aðeins 0,3-0,5 dB tapi á kílómetra - brot af því sem koparkaplar upplifa. En sjón RF sending felur í sér mörg umbreytingarstig og hver bregst öðruvísi við mismunandi tíðni.
Ferðin hefst þegar RF merki mótar úttak leysidíóðu. Beint stilltir leysir sýna „slökunarsveiflu“-eðlilega ómun þar sem ákveðnar tíðnir magnast meira en aðrar. Mælingar okkar á dæmigerðum 1310 nm DFB leysum sýna svörunarafbrigði upp á 3-4 dB yfir aðeins 1 GHz bandbreidd. Lægri tíðni í kringum 1 GHz gæti komið fram 1,5 dB sterkari en merki á 2 GHz, jafnvel þegar inntaksstyrkur er stöðugur.
Trefjarnar sjálfir bæta við margbreytileika með litdreifingu. Þegar styrkleika-mótað merki fer í gegnum glertrefjar, dreifast mismunandi ljóstíðnihlutir á aðeins mismunandi hraða. Eftir nokkra kílómetra koma þessir þættir með fasatengslum sem ýmist styrkja eða hætta við hvern annan. Við prófuðum 10 km af stöðluðum SMF-28 trefjum með litadreifingu upp á 3,5 ps/(nm·km), sem skapar mælanleg RF aflbreytileika - hak á sumum tíðnum, toppa á öðrum.
Í móttökuendanum sýna PIN ljósdíóða takmarkanir á bandbreidd frá rýmd tengis og flutningstíma flutningsaðila. Jafnvel nútíma tæki sem ná tugum gígahertz bandbreiddar sýna svörun sem lækkar á hærri tíðni. Transimpedance magnarinn bætir við viðbótar síunaráhrifum.
Fylgdu þessum áhrifum saman-leysisóreglur, trefjadreifingu og skynjarasvörun-og allt L-bandskerfið sem við skoðuðum sýndi 2,4 dB ávinningsbreytingu á 1-2 GHz. Það er nóg til að ýta ákveðnum tíðnum út fyrir forskriftarmörk.
Hin hefðbundna lagfæring og vandamál hennar
Verkfræðingar nota óvirka tónjafnara-rásir sem kynna tíðni-deyfingu til að vega upp á móti óreglulegri svörun. Þar sem sjóntengillinn hefur of mikinn ávinning, settu inn meiri dempun; þar sem það sígur, draga úr dempun.
Hefðbundin hönnun notar RLC net-viðnám, spólur og þétta sem er raðað til að búa til ákveðin tíðnisvarsform. En þéttar, sérstaklega þeir sem henta fyrir gígahertz tíðni, taka umtalsverðar fasteignir á rafrásum. Þegar við reyndum að samþætta jöfnun í optíska sendieiningu viðskiptavinar krafðist upphafleg RLC hönnun 15 mm × 8 mm af PCB flatarmáli-næstum fjórðungi af lausu plássi. Staðsetning íhluta varð að þrívíddarpúsluspili, þar sem þéttar kepptu um pláss með ljóstengdum ljósfræði og leysidrifrásum.
Kostnaður skiptir líka máli. Þó að viðnám og inductors kosta smáaura í rúmmáli, þá hlaupa hátíðniþéttar með þéttum vikmörkum nokkra dollara hver. Fyrir kerfi sem eru notuð af þúsundum safnast þessi kostnaður upp.
Innsýn liðsins okkar: Að einfalda án þess að fórna frammistöðu
Að þekkja mynstrið
Eftir að hafa greint marga sjónræna tengingu tíðniviðbragðsferla frá L-bandskerfum, tók verkfræðingateymið okkar eftir stöðugu mynstri: vandræðaleg breytileiki í ávinningi sýndu næstum alltaf lægri tíðni með umframaukningu miðað við hærri tíðni. Þetta endurspeglar sameinaða eðlisfræði skilvirkni leysismótunar, trefjadreifingar og ljósnemaviðbragðsrofs-af.
Þetta leiddi til lykilspurningar: hvað ef við hönnuðum tónjafnara sem miða sérstaklega að þessari einkennandi halla með því að nota einfaldari hringrásaruppbyggingu?
Að nýta náttúrulega RL hegðun
Staðlaðar RL hringrásir-bara viðnám og spólar, engir þéttar-sýna náttúrulega há-passasíu. Þegar tíðnin eykst vex inductive reactive hlutfallslega (XL=2πfL). Flutningsaðgerðin veitir náttúrulega minni dempun við hærri tíðni og meira við lægri tíðni-nákvæmlega andstæða þess sem dæmigerðir sjóntenglar þurfa.
Við þróuðum tveggja-þrep RL arkitektúr sem nýtti þessa hegðun. Hvert þrep samanstendur af raðviðnámi sem fylgt er eftir af shunt inductor til jarðar. Fyrsta stigið veitir grófa jöfnun sem tekur á almennri halla niður á við í sjóntengistyrk. Annað stigið bætir við fínstillingu- fyrir sérstakar óreglur.
Fyrir L-bandsforrit settust íhlutagildi í kringum 22-33 ohm fyrir viðnám og 3-5 nanóþenningar fyrir inductances. Þetta er auðveldlega útfært með því að nota staðlaða 0402 eða 0603 yfirborðsfesta íhluti. Fullkominn tveggja þrepa tónjafnari passar innan um það bil 6 mm × 4 mm af borðrými - 60% minna en samsvarandi RLC hönnun.
Hringrásarlíkingar með Keysight ADS spáðu fyrir um að hvert þrep myndi leggja til um það bil 0,9 dB jöfnunarsvið, samanlagt fyrir næstum 1,8 dB heildarleiðréttingu. Innsetningartap hélst hóflegt, um 2,5 dB að meðaltali yfir bandið-sem er ásættanlegt skipti-.
Stefnumótuð staðsetning: Hvers vegna skipta báðir endar máli
Ein algeng mistök er að meðhöndla jöfnun sem eina-punktsleiðréttingu. Reynsla okkar bendir til þess að tvöfaldur-útfærsla skili betri árangri.
For-uppbót við inntak sendisins tekur á leysis-sértækum vandamálum fyrir sjónbreytingu. Með því að jafna rafstraumsmerkið áður en það mótar leysirinn, vinnum við á móti skilvirkni leysisins sem er ekki -flat mótað.
Eftir-bætur við úttak móttakara takast á við sameinuð áhrif trefjaútbreiðslu og ljósgreiningar. Eftir að ljósmerkið breytist aftur í rafmagnsform, leiðréttir móttakarajafnari fyrir bæði dreifingu-afbrigði og óreglur í svörun ljósnema.
Tvífalda-enda straumaðferðin dreifir bótavinnuálaginu. Frekar en að neyða einn tónjafnara til að leiðrétta öll afbrigði, höndlar hver um það bil helming. Fyrir L-band sjónkerfi okkar minnkaði sendandi-hliðarjafnari ávinningsbreytileika úr 2,4 dB í um það bil 1,5 dB. Með því að bæta við móttakara-hliðarjafnara færði heildarbreytingin niður í 0,8 dB, þægilega innan forskriftarinnar.
Þessi dreifða nálgun býður einnig upp á sveigjanleika í hönnun. Mismunandi sjónsendareiningar sýna mismunandi mótunarviðbragðareiginleika. Með því að stilla aðeins sendandann-hliðarjafnara aðlögumst við afbrigði án þess að endurhanna allt kerfið.
Raunverulegar-heimsprófanir
Prófunarstillingar og grunnlína
Við sannprófun á rannsóknarstofu voru notaðar ljósrænar sendingareiningar í verslunum-staðlaðs 1310 nm DFB leysir sem er metinn fyrir 2,5 GHz mótunarbandbreidd, tengdur við 10 kílómetra af Corning SMF-28 stakri-stillingu trefjum. Móttakarinn var með dæmigerða PIN-ljósdíóða (0,8 A/W svörun) á eftir með transimpedans magnara og RF eftir-mögnun. Við einkenndum allan sjóntengilinn með því að nota Agilent E8361A vektornetgreiningartæki, sem mældi S-breytur frá 800 MHz til 2,2 GHz.
Upphaflegar grunnlínumælingar staðfestu 2,4 dB hámarks-til-hámarksávinningsbreytingu yfir L-band. Svarið sýndi tiltölulega meiri ávinning í kringum 1,0-1,2 GHz, minnkandi smám saman í átt að 2,0 GHz með sveiflugára frá trefjadreifingu. Sértækar mælingar: -12,3 dB umbreytingaraukning við 1,0 GHz á móti -14,7 dB við 2,0 GHz, með dreifingarvöldum gára sem bætir við ±0,3 dB afbrigði.
Jöfnuð frammistaða
Við framleiddum tvær-þrepsrásirnar á Rogers RO4003C lagskiptum með stöðluðum PCB ferlum, með microstrip flutningslínum sem viðhalda 50 ohm viðnám. Hver tónjafnari tók um það bil 6 mm × 4 mm.
Sendandi-hliðarjafnari minnkaði ávinningsbreytingu úr 2,4 dB í 1,5 dB-sem er 0,9 dB framför. Með því að bæta við móttakara-hliðarjafnara var heildarbatinn upp í 1,6 dB. Lokajafnaða kerfið sýndi 0,8 dB hámarks-til-hámarksbreytileika yfir 1-2 GHz innan 1,0 dB flatness forskriftarinnar. Sérstakar mælingar: -13,9 dB umbreytingaraukning við 1,0 GHz og -13,5 dB við 2,0 GHz, með dreifingargára minnkað í ±0,2 dB.
1,6 dB mæld framför samsvaraði náið uppgerð spá okkar um 1,778 dB -bara 10% villu. Þetta staðfestir hönnunaraðferðina.
Innsetningartap frá báðum tónjafnara var samtals um 2,5 dB að meðaltali. Skilatap fór yfir -12 dB yfir allt bandið, sem staðfestir framúrskarandi viðnámssamsvörun. Umhverfisprófanir yfir -20 gráður til +70 gráður leiddu í ljós minna en 0,3 dB flatneskjubreytingar, sem sýnir að óvirk hönnun heldur stöðugri frammistöðu án hitanæma virkra íhluta.
Hagnýtar útfærslusjónarmið
Framleiðsluveruleiki
PCB skipulag reyndist mikilvægt. Á gígahertz tíðnum hafa jafnvel millimetra-kvarðaskífulengd áhrif á frammistöðu. Við héldum strangri 50-ohm örlaga rúmfræði í gegn og reiknuðum snefilbreidd út frá Rogers RO4003C undirlagsbreytum (0,508 mm þykkt).
Samfella jarðvegsflugvélar verðskuldar sérstaka athygli. Skurðspólarnir tengjast jörðu og öll spóla í þeirri jarðbraut eykur við fyrirhugað spólgildi. Við notuðum margar gegnumsaumanir-venjulega 4-6 gegnum sem raðað er hringlaga-til að veita lágviðnám jarðtengingar.
Við tilgreindum upphaflega 0402-stærð íhluti (1,0 mm × 0,5 mm), en samsetningarteymið tilkynnti um hærri fjölda galla í staðsetningu. Að skipta yfir í 0603 íhluti (1,6 mm × 0,8 mm) bætti framleiðslugetu með hverfandi áhrifum á rafafköstum.
Meðhöndlun framleiðslubreytileika
Í framleiðslu sýna leysieiningar afbrigði-til-tækis. Lausnin okkar fól í sér að hanna tónjafnarann með aðeins meira leiðréttingarsvið en venjulega þarf-miðað við 2,0 dB getu þegar aðeins 1,8 dB er venjulega krafist. Þetta veitir svigrúm til að mæta vikmörkum íhluta og afbrigðum tækja. Prófanir á 50 leysieiningum sýndu að sama tónjafnarahönnun hélt öllum kerfum innan 1,0 dB flatness forskrift.
Það sem við lærðum af raunverulegum dreifingum
Fyrir utan staðfestingu á rannsóknarstofu sýndu uppsetningar á vettvangi hagnýta innsýn. Á átján mánuðum höfum við útvegað RL jöfnunarrásir fyrir um það bil 200 sjónrænar senditæki í þremur uppsetningum viðskiptavina.
Dreift loftnetskerfi sem þjónaði stórum íþróttaleikvangi var með ljósleiðara frá 400 metrum upp í tæpa 3 kílómetra. Upphaflega skapaði mismunandi trefjalengd mismunandi dreifingaráhrif, sem olli ósamræmi í geirum loftneta. Bætir við stöðluðu tíðnisviðbrögðum tónjafnara, sem gerir netskipulagateyminu kleift að meðhöndla alla geira jafnt. Óvæntur ávinningur: aukin flatleiki minnkaði gangsetningartíma um u.þ.b. 30% með því að útrýma hugbúnaði-sem byggir á aflstillingum á hverja-rás.
Ratsjáruppsetning í 15 kílómetra fjarlægð leiddi til hitaáskorana. Umhverfisaðstæður voru mismunandi frá -30 gráðu vetrarhita til +50 gráðu sumarhita. Vetrarmælingar á veturna leiddu í ljós að leysibylgjulengdarhitastig (0,08 nm á gráðu á Celsíus) hafði víxlverkun við trefjadreifingu til að búa til litlar tíðnisvarsbreytingar. Við brugðumst við þessu með því að of-hanna jöfnunarsvið sem gefur 2,2 dB getu þegar útreikningar gáfu til kynna að 1,9 dB myndi duga.
Framleiðslukvarðinn kenndi okkur um þolstöflur íhluta. Framleiðsla á 100+ einingum leiddi í ljós víðtækari breytileika í frammistöðu en frumgerðir gáfu til kynna. Við hertum íhlutaforskriftir við ±2% spóla og ±0,5% viðnám, auknum kostnaði um 15% en tryggðum að 95% tónjafnara féllu innan ±0,15 dB frá marksvörun á móti ±0,35 dB með lausari vikmörkum.
Að láta hagfræðina virka
Beinn íhlutakostnaður fyrir tveggja-þrepa RL tónjafnarann keyrir um það bil $0,85-1,20 á hverja einingu í magni af 1000+. Þetta skiptist niður í $0,30 fyrir viðnám, $0,65 fyrir inductors og $0,15-0,25 fyrir PCB svæðisúthlutun.
Berðu þetta saman við jafngilda RLC hönnun sem krefst þétta: heildarkostnaður hækkar í $2,50-3,50 vegna RF-þétta ($0,80-1,50 hvor). Kostnaðarmunurinn á $1,50-2,00 margfaldast yfir þúsundir eininga. Fyrir kerfissamþættara sem smíðar 5000 sjónræna senditæki árlega sparar það að útrýma þéttum $7.500-10.000 í beinum efniskostnaði.
Minni fótspor (u.þ.b. 24 mm² á móti 40 mm² fyrir RLC jafngildi) þýðir um það bil 5-7% fleiri rafrásir á hverja spjaldið-sem lækkar í raun og veru á töflukostnaði á hverja einingu um sama hlutfall. Samsetningarkostnaður lækkar um það bil 8% frá því að útrýma aðgerðum fyrir staðsetningu þétta.
Sumir viðskiptavinir standast upphaflega að bæta við 2,5 dB innsetningartapi. Hins vegar, bætt flatleiki gerir kerfum kleift að starfa á lægri meðalafli á meðan viðhalda lágmarksmerkjastyrk á öllum tíðnum. Einn viðskiptavinur minnkaði úttak RF magnara úr 25 dBm í 23 dBm á meðan hann náði betri heildarafköstum. 2 dB aflminnkunin vegur meira en upp á móti 2,5 dB innsetningartapi hvað varðar skilvirkni magnara, hitamyndun og orkunotkun. Bilanatíðni á vettvangi lækkaði um áætlað 30% miðað við átján mánaða dreifingargögn.
Lykilatriði fyrir kerfishönnuði
Ekki gera ráð fyrir að sjóntenglar veiti flata tíðni svörun. Raf-ljósmynda- og opto-rafskiptaþrepin kynna tíðnival sem fer oft yfir nokkra desíbel á hóflegum bandbreiddum. Mældu alltaf heildarsvörun tengla við hönnunarprófun.
Íhugaðu jöfnun snemma í hönnunarferlinu frekar en að meðhöndla það sem-hjálparefni. Að úthluta nokkrum fermillímetrum af borðplássi og hóflegu tengingarfjármagni til jöfnunar frá upphafi kostar mun minna en að endurhanna síðar.
Einfaldari hringrásir vinna oft í framleiðsluumhverfi. Útrýming þétta RL svæðisfræðinnar dregur úr kostnaði, stærð og flókinni framleiðslu. Færri íhlutagerðir þýða einfaldari birgðastjórnun, auðveldari samsetningu og færri hugsanleg gæðavandamál.
Dreifð bóta-jafnari bæði á sendanda og móttakara-barar almennt betur úr stakri-punktaleiðréttingu. Aukinn margbreytileiki tveggja tónjafnara skilar sér í gegnum betri heildarafköst og meiri sveigjanleika í hönnun.
Skildu eftir framlegð í jöfnunarhönnun. Frávik íhluta, hitastigsbreytingar og munur á-til-tækjum þýðir raunverulegt-afköst í heiminum í kringum nafngildi. Hönnun fyrir 2,0 dB leiðréttingu þegar útreikningar benda til 1,8 dB gefur öndunarrými sem kemur í veg fyrir vandamál á sviði.
Greinar sem mælt er með
Heildar leiðbeiningar um ljósleiðaraskerðingu
Lág-kostnaður rauntíma-innbrotsskynjunarkerfi fyrir ljósleiðara
Alhliða greining á umframlengd í ljósleiðarabúðarrörum