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          紫外無(wú)線通信系統(tǒng)關(guān)鍵光器件選型方案研究

          作者: 時(shí)間:2016-10-10 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘要:紫外無(wú)線通信是一種新型通信方式,為實(shí)現(xiàn)紫外關(guān)鍵的目的,依據(jù)日盲紫外光的傳播特性,合理搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中需要的采用工作原理、特性分析對(duì)比等方法,實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)紫外光源、紫外探測(cè)器及紫外濾波片三種關(guān)鍵的合理選擇。日盲紫外光器件的為紫外整體實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。
          關(guān)鍵詞:紫外無(wú)線通信;日盲紫外光;紫外光源;紫外探測(cè)器;紫外濾光片

          隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展,無(wú)線通信保密性較差以及有線通信投資大、難以建設(shè)、易于受破壞的缺點(diǎn)日益凸顯,自由空間光通信也因可靠性較差而在應(yīng)用上有一定局限性。近年來(lái),日盲區(qū)紫外通信因其低竊聽(tīng)、全方位、低位辨以及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)成為業(yè)界研究方向之一,文介紹了日盲紫外的基本框架,重點(diǎn)分析了該系統(tǒng)關(guān)鍵光器件的。

          1 紫外無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
          波長(zhǎng)位于200~280 nm譜段的太陽(yáng)輻射被臭氧層強(qiáng)烈吸收,因此這個(gè)譜段的紫外輻射在海平面附近幾乎衰減為零,通常將該波段稱為“日盲區(qū)”。紫外無(wú)線通信基本原理就是利用日盲區(qū)紫外光進(jìn)行通信不會(huì)受到太陽(yáng)紫外光干擾這一特性。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/306550.htm

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          紫外無(wú)線通信系統(tǒng)是以日盲區(qū)紫外光為載波,信息經(jīng)電信號(hào)調(diào)制后加載到紫外光上,然后大氣作為信道來(lái)傳輸信息的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比,最根本的特點(diǎn)是傳輸媒質(zhì)用紫外光代替了無(wú)線電,這就導(dǎo)致其調(diào)制和解調(diào)的方式與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)有著較大區(qū)別,系統(tǒng)一般采用OOK調(diào)制方式。如圖1為紫外無(wú)線通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。中,紫外無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)送端用調(diào)制后的電信號(hào)通過(guò)紫外光源激發(fā)出紫外光信號(hào),接收端濾光片接收日盲紫外信號(hào)并濾除非日盲波段的干擾,紫外探測(cè)器進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換,再將電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理。

          2 發(fā)射端光器件選型
          紫外光源是發(fā)射端關(guān)鍵的光器件,其特性決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。紫外光源的選擇一般需要考慮:選取紫外光源的類型;是否便于系統(tǒng)接收部分對(duì)光信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)、捕獲和跟蹤;紫外光源應(yīng)與發(fā)送端光調(diào)制部分聯(lián)系在一起綜合考慮;是否易于攜帶性、其易碎性、響應(yīng)速度、功耗、對(duì)人體的輻射以及價(jià)格等因素。目前,常用的日盲區(qū)紫外光源有3大類:紫外光燈、紫外激光器和紫外發(fā)光二級(jí)管(紫外LED)。
          2.1 紫外光燈
          普通充氣汞燈利用汞蒸氣放電產(chǎn)生紫外輻射,根據(jù)汞蒸氣的氣壓高低,將充氣汞燈分為低壓充氣汞燈和高壓充氣汞燈。低壓充氣汞燈的光源容易獲得,它的輸出功率小,紫外光能量集中在254 nm。這種燈不但可以制成不同的形狀和大小,而且還可在燈管內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置反光鏡,通過(guò)增強(qiáng)特定方向上光源亮度實(shí)現(xiàn)定向輻射,使其發(fā)射功率高達(dá)幾十瓦甚至上萬(wàn)瓦。但是,它需要高壓鎮(zhèn)流器并在設(shè)置反光鏡,方能實(shí)
          現(xiàn)定向輻射。
          與低壓充氣汞燈相比,高壓充氣汞燈的特點(diǎn)是功率密度大,功率高且范圍寬,發(fā)射光譜能量的分布位于中、長(zhǎng)波紫外及可見(jiàn)光范圍。作為紫外無(wú)線通信的光源,高壓充氣汞燈的缺點(diǎn)不容忽視:如易碎、壽命較短、高壓驅(qū)動(dòng)、難以實(shí)現(xiàn)高速率時(shí)OOK直接調(diào)制、會(huì)產(chǎn)生附加譜線、波長(zhǎng)254nm時(shí)轉(zhuǎn)換效率太低。
          氣體紫外燈的特點(diǎn)可總結(jié)為:價(jià)格相對(duì)便宜、發(fā)射功率大、激發(fā)電壓高、不易高速驅(qū)動(dòng)、體積大且易碎、壽命短。適用于小型基站式的紫外無(wú)線通信構(gòu)架。
          2.2 紫外激光器
          紫外激光器具有堅(jiān)固耐用的顯著優(yōu)點(diǎn),但由于激光的方向性好,激光的能量集中在一處,對(duì)人體的輻射相當(dāng)嚴(yán)重,同時(shí)功率轉(zhuǎn)換效率很低,電源龐大,不易攜帶、價(jià)格昂貴、使用壽命短等缺點(diǎn)也非常明顯。因此它并不適用于低成本、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合,因而在局域無(wú)線非視距通信方面的應(yīng)用受到較大限制。
          2.3 紫外發(fā)光二極管
          紫外發(fā)光二極管(紫外LED)克服了前兩者作為紫外通信光源的缺點(diǎn),具有易于驅(qū)動(dòng)、響應(yīng)速度快、功耗低、不易碎、體積小、重量輕、經(jīng)濟(jì)耐用等優(yōu)點(diǎn)。盡管目前已研制出的單個(gè)紫外LED的輸出功率偏小,但采用紫外LED陣列可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。
          在綜合分析了紫外光源選擇原則、各種紫外光源特點(diǎn)以及實(shí)用性的基礎(chǔ)上,考慮到波長(zhǎng)在250 nm附近的紫外LED作為本方案的光源比較合適,據(jù)了解,目前只有美國(guó)SET公司生產(chǎn)出了商用的UV-C波段(即日盲波段)LED。該公司UV TOP LED是一系列的紫外和深紫外LED,它們的波長(zhǎng)位于240~400 mm范圍、功率在1.50 mW左右,紫外光功率為數(shù)百微瓦量級(jí)。
          根據(jù)鏡面形狀,UV TOP LED一般分3類:平窗鏡面型、球形鏡面型和橢球鏡型。平窗鏡面型散射性好,球形鏡面型匯聚性好,橢球鏡型散射介于二者之間。為了有效利用LED的匯聚性,提高光源的功率利用率,延長(zhǎng)通信距離,本方案選用球型鏡面型LED。同時(shí),由于單個(gè)LED功率偏小,無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的功率要求,本方案可采用LED陣列彌補(bǔ)不足。
          根據(jù)UV TOP LED的光電、頻譜及溫度特性,本方案選用紫外UV TOP TOP255系列中的TO39 BL。該型號(hào)LED在T=25℃、前相電流I=20 mA時(shí),直流功耗為150 mW、正向直流為30 mA、反向電壓6 V、波長(zhǎng)范圍255~264 nm、輸出光功率300 μW、正向電壓6.5 V。

          3 接收端光器件的選型
          3.1 紫外探測(cè)器
          在接收端,紫外探測(cè)器將接收到的紫外光轉(zhuǎn)換成所要求的電流或電壓波形。在日盲紫外通信中,理想的紫外探測(cè)器應(yīng)有較大的探測(cè)面積,高的透過(guò)率、極低的暗電流密度和日盲功能。目前,日肓區(qū)紫外探測(cè)器主要有雪崩光電二極管(APD)、通道光電倍增管(CPM)和光電倍增管(PMT)3種。
          3.1.1 雪崩光電二極管
          雪崩二極管APD的增益是通過(guò)碰撞電離實(shí)現(xiàn)的,碰撞電離導(dǎo)致光載流子成倍增加。它是具有高增益、高速度的光電探測(cè)半導(dǎo)體器件。與PMT相比,APD有較高的量子效率,但暗電流要高5—6個(gè)數(shù)量級(jí)。
          3.1.2 通道光電倍增管
          通道光電倍增管CPM是一種新型的光探測(cè)器,它通過(guò)在端窗式光窗口內(nèi)表面安裝一個(gè)半透明的光電陰極,將接收到的非常微弱的入射光轉(zhuǎn)換成光電子,然后光電子從陰極穿過(guò)一個(gè)狹窄且彎曲的半導(dǎo)體通道到達(dá)陽(yáng)極,光電子通過(guò)多次撞擊彎曲通道的內(nèi)表面而產(chǎn)生類似于PMT的雪崩效應(yīng),發(fā)射出倍增的二次電子。彎曲的玻璃管形狀可使增益達(dá)到108。
          CPM具有超高靈敏度,其陽(yáng)極靈敏度與通用的光電倍增管相比提高一個(gè)數(shù)量級(jí),暗電流降低兩個(gè)數(shù)量級(jí),動(dòng)態(tài)范圍大,噪聲電平極端穩(wěn)定。適用于高性能的場(chǎng)合。與APD和PMT相比,盡管CPM性能卓越,但其產(chǎn)量較小、價(jià)格昂貴,因而大大限制了它的適用范圍。
          3.1.3 光電倍增管
          光電倍增管PMT通過(guò)對(duì)分立光子產(chǎn)生的電脈沖來(lái)進(jìn)行光量測(cè)量。其二次發(fā)射增益可以達(dá)到,尤其對(duì)單個(gè)光子的能量比較靈敏,響應(yīng)速度極高,通過(guò)借助電子計(jì)數(shù)方法可檢測(cè)到入射光子數(shù)目,從而實(shí)現(xiàn)極弱光強(qiáng)和通量的測(cè)量,其在微弱光信號(hào)探測(cè)和快速脈沖弱光信號(hào)探測(cè)方面起著顯著作用。
          目前,日盲型紫外PMT的光電陰極為碲化銫和碘化銫,這兩種材料對(duì)太陽(yáng)和地表輻射不敏感,在紫外區(qū)響應(yīng)范圍為100~280 nm,但普通PMT在波長(zhǎng)大于280 nm外的陰極靈敏度仍較高。為此,日本濱松生產(chǎn)的改進(jìn)型日盲紫外PMT在日盲區(qū)外量子效率下降了一半,帶外靈敏度是普通PMT的1%,對(duì)日盲區(qū)和可見(jiàn)光的陰級(jí)靈敏度相差3個(gè)數(shù)量級(jí),比較適合紫外無(wú)線通信使用。
          在綜合考慮APD、CPN、PMT的器件效率、功耗和成本等因素的基礎(chǔ)上,不難看出PMT具有明顯優(yōu)勢(shì),本方案選用濱松生產(chǎn)的PMT,因其在日盲區(qū)具有良好的量子效率和陰級(jí)靈敏度,且在日盲區(qū)外靈敏度和量子效率下降極快,滿足日盲紫外無(wú)線通信系統(tǒng)的需要。
          3.2 紫外濾光片的選擇
          紫外無(wú)線通信在進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和接收時(shí),為了減小各種弧光放電干擾源產(chǎn)生的紫外輻射干擾,提高有用光信號(hào)信噪比,應(yīng)采取相應(yīng)措施對(duì)于擾源進(jìn)行屏蔽。由于日盲紫外濾光片具有良好的透過(guò)率,本方案選用基于干涉原理的窄帶日盲紫外濾光片,將其安裝在紫外探測(cè)器前濾除日盲紫外波段以外其它波段的干擾,以降低背景噪聲,提高系統(tǒng)接收信噪比。目前商用的日盲紫外濾光片,其通帶多位于200~300 nm之間,這對(duì)其他波長(zhǎng)紫外干擾可起到很好的濾除作用。另外還可采用日盲材料的光學(xué)主鏡進(jìn)行組合式濾光來(lái)提高系統(tǒng)的濾光性能。
          實(shí)際應(yīng)用中,選擇濾光片應(yīng)綜合考慮的因素主要有:接收端接收信號(hào)的波長(zhǎng)范圍;發(fā)射端紫外光源的光譜輻射能量分布;其他紫外輻射源干擾,同時(shí)還應(yīng)考慮到由于紫外濾光片在通帶的能量透過(guò)率低,使得由提高光學(xué)系統(tǒng)主鏡口徑帶來(lái)的光學(xué)增益下降,而大口徑的光學(xué)系統(tǒng)因?yàn)榧休^大能量,導(dǎo)致后級(jí)窄帶濾光片溫度上升,以至損壞等因素。
          紫外濾光片根據(jù)工作原理的不同分為兩類:干涉紫外濾光片和吸收紫外濾光片。干涉紫外濾光片利用多層介質(zhì)膜中光的干涉作用,得到信號(hào)光的高透過(guò)和背景光的高截止。吸收紫外濾光片由一系列具有特殊吸收光譜特性的無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)染料和有色玻璃結(jié)合透紫外基底構(gòu)成,它對(duì)信號(hào)光波段幾乎全透過(guò),而對(duì)背景光的某個(gè)波段強(qiáng)吸收。通過(guò)對(duì)兩種濾光片的性能對(duì)比分析,干涉紫外濾光片信號(hào)透過(guò)率較高,但背景透過(guò)率遠(yuǎn)大于吸收濾光片,因此只能符合短距離通信要求;而吸收紫外濾光片則符合較長(zhǎng)距離的通信要求,可以達(dá)到真正日盲條件,滿足大氣光散射通信全天候工作的需求。
          以色列OFIL公司生產(chǎn)的日盲紫外濾光片SB—AF在日盲頻段透過(guò)率良好,SB—AF在256 nm左右的透光性能最強(qiáng),而帶外濾光性能非常好,這可減少其它光源的干擾,提高接收信噪比,滿足方案要求。

          4 結(jié)束語(yǔ)
          本文介紹了日盲紫外光無(wú)線通信的基本原理及紫外光無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu),然后在分析紫外光燈、紫外激光器以及紫外LED的特性的基礎(chǔ)上,完成了接收端日盲紫外光源的選型,接收端光器件包含紫外探測(cè)器和濾光片,結(jié)合紫外通信系統(tǒng)的需求,通過(guò)分析對(duì)比,完成了接收端光器件的選型。日盲紫外光器件的選型為紫外無(wú)線通信系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。



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