Să presupunem că sursa de radiație este difuză ca un LED și are o zonă radiantă. Se presupune că intensitatea radiației este constantă pentru toată lumina, care este colimată de lentila transmițătorului. Obiectivul are o deschidere efectivă și o distanță focală. Receptorul optic este situat la distanță. Deschiderea sa efectivă este egală și se presupune că toate luminile care apar pe ea sunt focalizate pe regiunea activă a fotodetectorului. Pentru a maximiza puterea recepționată, imaginea sursei de radiație trebuie să fie formată în planul deschiderii de primire. Folosind teoria elementară a unei lentile subțiri, se poate găsi distanța dintre sursa de radiație și centrul lentilei transmițătorului din relația:
iar aria imaginii sale este determinată de formula:
Puterea de radiație colectată de lentila transmițătorului:
Considerând că imaginea sursei umple diafragma. partea de putere. care ajunge la fotodetector, este pur și simplu egal cu. astfel încât puterea recepționată:
unde este luminozitatea energetică a sursei. Prin urmare, este clar că este necesară o sursă de radiație cu luminozitate ridicată a energiei și cu o deschidere mai mare. Să considerăm, de exemplu, un sistem în care un LED cu o luminozitate având o suprafață deschidere (35 mm diametru). La o distanță de 1 km, puterea incidentului de radiație de pe receptor. Cu toate că aceste calcule sunt făcute pentru un sistem de lentile perfectă, principalele concluzii se aplică și în cazul în care o oglindă sau un catadioptric utilizat (mixt și oglindă lentile) de sistem pentru a colecta și de radiații Colimati. În orice caz, datorită abaterilor, imaginile formate într-un sistem optic real sunt imperfecte.
Figura 4.8. Distribuția radială a densității de putere
Dacă sursa este prea mică, dimensiunea imaginii acesteia nu poate fi determinată de formula (4.15), ci trebuie găsită din difracția luminii pe diafragma lentilei transmițătorului. Este bine cunoscut faptul că modelul de difracție creat de o deschidere circulară iluminată uniform. constă din mai multe inele concentrice. Schimbarea radială a densității de putere are forma prezentată în figura 4.8.
Se poate spune că dimensiunea imaginii este difracție limitată, atunci când raza primului minim de intensitate, sau primul inel întunecat al modelului de difracție devine comparabil ca mărime cu diametrul unei imagini bine-concentrat, adică când relația
unde este diametrul sursei. Rezultă că
Lumina provenită de la sursa laser, fiind, prin natura ei, foarte collimată și coerentă, oferă, de obicei, o imagine limitată de difracție a sursei. În orice caz, intensitatea radiației din centrul modelului de difracție este determinată de expresie. unde este puterea totală radiată. În cazul unei surse punctuale, ea este determinată cu ajutorul (4.16), iar în alte cazuri ca aria deschiderii. Puterea totală a radiațiilor colectată de către o mică zonă de deschidere a receptorului. situat în centrul modelului de difracție, este în general determinată de formula
și în cazul unei surse punctuale cu intensitate de radiație
Ar trebui să se țină cont de faptul că formulele de mai sus oferă valori excesive de putere și că, în practică, vor exista pierderi suplimentare în sistemul optic ca urmare a aberațiilor.
Luați în considerare circumstanțele în care sistemul de comunicații optice descris mai sus, utilizând LED-ul (), poate deveni limitate difractiv. Să presupunem că distanța focală a lentilei transmițătorului. În acest caz, rezultă din relația că difracția va determina divergența fasciculului numai atunci când diametrul sursei. Astfel, LED-ul cu radiație frontală va asigura performanța sistemului limitat de difracție și cu suprafața radiantă - nr.
Pentru a reduce divergența de difracție a sursei de radiație laser, se poate folosi un expander de fascicule (figura 4.9).
Fig.4.9. Expansorul de fascicule utilizat pentru a reduce divergența sa datorită difracției
Ca rezultat, deschiderea pe care apare difracția crește. De exemplu, să presupunem că radiația unui laser semiconductor de 10 mW colimă și umple obiectivul expansorului de fascicul de 10 mm în diametru. Apoi, luând, ca și înainte, și găsiți că puterea de la distanță
În cazul în care divergența fasciculului este atât de mică încât să nu depășească 0,1mrad, precizia de indicare necesară va impune cerințe stricte la sistemul de control al fasciculului și stabilitatea mecanică a oricărui emițător portabil.
Expresiile (4.20) și (4.21) sunt valabile pentru iluminarea omogenă a diafragmei de transmisie. Un alt caz în care distribuția de putere în câmpul îndepărtat poate fi ușor calculată apare atunci când densitatea de putere din zona apropiată are o distribuție Gaussiană, așa cum se arată în figura 4.10. În practică, acest lucru este important, deoarece, conform teoriei, modul principal transversal al radiației laser de către un rezonator cilindric oferă doar o astfel de distribuție a puterii de ieșire și acest lucru este de fapt observat.
Acest sistem este cel mai bine descris cu ajutorul coordonatelor cilindrice cu originea în centrul deschiderii care cade. Vom presupune o sissetrie radială și, astfel, vom ignora coordonatele azimutale. Permiteți distribuția densității de putere în zona apropiată a diafragmei de transmisie să arate ca:
Apoi, în plan (presupunând că) distribuția densității de putere
Dacă diafragma receptoare este atât de mică (că termenul exponențial este peste tot aproximativ egal cu unitatea, atunci puterea recepționată
Este ușor să arătați că puterea totală radiată
Ceea ce este identic cu expresia (4.20), dacă luăm în considerare, este aria eficientă a diafragmei de transmisie.
Caracteristicile de directivitate ale sistemelor de antenă sunt descrise după cum urmează. Dacă nu utilizați o diafragmă mare a emițătorului. atunci puterea sursei ar fi radiată uniform în toate direcțiile. La distanță, ar fi distribuit în piață. Receptorul principal cu o antenă potrivită, absolut nedirecțională, furnizează radiația recepționată cu o zonă de deschidere efectivă egală cu. Apoi pierderile principale de transmisie fac parte din puterea radiațiilor izotropice, care poate fi acceptată de receptorul principal. De obicei, pierderile sunt exprimate în decibeli. Dacă o antenă direcțională cu o deschidere mare este utilizată pentru concentrația fasciculului transmis, atunci intensitatea fasciculului limitate de difracție crește cel mult. Valoarea este cunoscută drept "câștigul" antenei receptorului. Aceste relații dezvăluie existența principiului reversibilității între antenele receptorului și transmițător, ceea ce este justificat atunci când vine vorba de frecvențele radio. Cu toate acestea, acestea nu au un loc în practică în domeniul optic. Pierderea totală de transmisie
Sau, luând în considerare (4.20)
În cazul în care. . și. principala pierdere de transmisie este. amplificarea antenă a transmițătorului. amplificarea antenă a receptorului. care dă pierderea totală de transmisie [13].
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: