效率衰减

效率衰减（精选四篇）

效率衰减 篇1

LED(Light-emitting diode)是一种将电能直接转化成光能的固态半导体器件。相对于传统光源, LED具有体积小、使用寿命长、响应速度快、发光效率高的优点,加上其无热辐射、无频闪和环保耐用等优势,使LED成为当今备受瞩目的绿色新型光源,LED的主要应用也逐渐从电器指示、彩屏显示向LCD(Liquid-crystal display)背光源以及半导体照明领域发展。人们为提高GaN基LED发光效率和发光亮度,提出了众多技术,如采用图形化蓝宝石衬底(Patterned sa-pphire substrate,PSS)[1]、布拉格反射镜(Distributed Bragg reflector,DBR)技术[2]、粗化技术[3]等,但是大电流注入下LED发光效率衰减[4](Efficiency droop)的问题却没有得到有效解决,因而在一定程度上限制了大功率、高亮度LED的开发,也一直制约着LED在通用照明以及其他领域的发展。

1 提高发光亮度和抑制发光效率衰减的措施

发光效率衰减具体表现为:随着注入电流的增加,LED发光效率迅速上升至最大峰值,然后随着注入电流继续增大,发光效率不断下降。这样导致在较高的电流注入水平下,器件的发光效率较低。而大功率、高亮度发光二极管需要较高的电流注入水平和较高的发光效率,因此如何在大电流注入条件下提高发光效率是人们竞相研究的重点。影响GaN基LED在大电流注入下发光效率衰减的原因有很多:一些观点认为是发光复合区外的非辐射复合引起的,如电子溢出发光复合区[5]、空穴未有效注入发光复合区[6]等;另外一些观点认为是空穴在发光复合区内各个量子阱内的分布不均匀[7]、发光复合区本身存在的极化电场[8]和非辐射复合中心[9]等因素引起。

目前商业化的GaN基LED主要以Al2O3为衬底,采用MOCVD设备外延生长GaN薄膜。常规GaN基LED外延层基本结构从Al2O3衬底一侧开始依次为: GaN缓冲层(Buffer layer)、GaN本征层(Undoped GaN)、n型GaN层(n-GaN)、电子发射层(Electron-emitting layer)、发光复合区(MQW)、电子阻挡层(Electron-blocking layer, EBL)、p型GaN(p-GaN),如图1所示。

本文从LED的n区电子发射层、发光复合区、p区电子阻挡层结构入手,综述了提高LED发光效率和亮度并有效抑制大电流注入下发光效率衰减的各种技术。

1.1 电子发射层

电子发射层是将n型GaN层注入发光复合区的电子局限,以提高电子在发光复合区的辐射复合几率,同时抑制电子溢流到非量子阱区与空穴发生非辐射复合,减轻大电流注入下LED发光效率的衰减现象。

Rebane等[10]首次在n-GaN层与发光复合区之间引入非对称电荷共振隧穿结构(Charge asymmetric resonance tu-nneling, CART),该结构采用50nm的In0.1Ga0.9N作为电子发射层和1nm的本征GaN作为电子势垒层,发光复合区量子阱层为3nm的In0.26Ga0.74N单阱,如图2所示。

电子在注入发光复合区之前,会被CART结构中电子发射层有效地捕获,然后通过谐振隧穿效应穿过薄的GaN势垒层进入发光复合区。CART结构不仅捕获和局限进入发光复合区的电子,抑制电子溢流到非发光复合区,同时还充当电流分散层,这对降低LED的正向电压、改善电流的均匀性、提高LED发光效率有着明显的效果[11]。但由于CART中较厚的电子发射层与较薄的势垒层存在较大的晶格失配,界面处的位错缺陷较多,会对后续生长的发光复合区的结晶品质造成不利影响[12]。

S. J. Chang等[12]提出用一组2nm In0.16Ga0.84N阱和22nm掺杂Si的GaN垒,即多重量子阱结构作为电子发射层(Electron emitter MQW,EE-MQW)替代CART结构,如图3所示。

相对于CART结构,该EE-MQW结构不仅能更有效地抑制电子溢流,而且还充当应力调制层,释放外延层的应力,以减少后续生长的复合发光区的缺陷密度,改善发光复合区的结晶品质,从而提高LED的发光效率。在In含量恒定的EE-MQW结构基础上,Hsiao-Chiu Hsu等[13]采用In含量渐变EE-MQW结构,在350mA注入电流下,相对于常规结构光输出功率增加23%,外量子效率提高6.6%,即在大电流注入条件下该结构有效抑制了发光效率的降低。

1.2 发光复合区多重量子阱

商业化GaN基LED一般采用多重量子阱作为发光复合区,电子从n型GaN层进入多重量子阱与从p型GaN注入的空穴复合,产生辐射发光。发光复合区的多重量子阱是LED器件的核心,其结构对LED的发光效率、波长以及效率衰减等特性起决定性的影响。减少发光复合区的各种缺陷和极化电场,增加电子、空穴发光复合几率,并改善空穴在发光复合区的分布是提高LED发光亮度并抑制发光效率衰减的重要措施。

传统GaN基LED发光复合区的量子阱一般用GaN作势垒层,InGaN作势阱层。InGaN层与GaN层之间由于存在较大的晶格失配,导致外延生长过程中发光复合区不可避免地出现各种缺陷和位错,形成非辐射复合中心。同时由于GaN材料自身引起的自发极化电场和压电极化电场,使得量子阱能带发生倾斜和弯曲,电子、空穴波函数重叠几率降低,从而降低LED的发光效率。

采用多元组分的势垒层代替传统GaN势垒层,能获得晶格匹配度较高的发光复合区,降低应力引起的缺陷密度和极化电场,提高发光复合区电子、空穴波函数重叠几率,从而提高LED发光效率并抑制效率衰减现象。如邢艳辉等[14]采用In0.02Ga0.98N代替传统 GaN势垒层,刘乃鑫等[15]采用四元系Al0.05In0.05Ga0.9N材料作为势垒层,发光强度均比传统GaN势垒层的LED高,电致发光谱的峰值随注入电流变化的敏感程度也明显降低。因此这种发光复合区极化匹配结构更加适合大功率LED,虽然在小电流注入下发光功率低于常规结构的LED,但当大电流注入时发光功率就高于常规结构,并且随着输入电流增大,这种优势越来越明显[16]。

在传统的InGaN/GaN多重量子阱中,阱层In的质量分数(矩形量子阱)是保持恒定的,由于极化电场的存在,导带与价带倾斜,从而造成电子与空穴波函数重叠几率减小。由于极化电场难以消除,研究者们提出各种量子阱结构,通过改变量子阱中的能带结构来提高电子、空穴波函数重叠几率。Zhao等[17]提出一种交错型(Staggered)势阱结构,阱层由1.05nm In0.21Ga0.79N/1.4nm In0.28Ga0.72N/1.05nm In0.21-Ga0.79N构成,类似三明治结构,光输出功率比传统矩形量子阱LED样品高出2.0~3.5倍,其量子阱如图4所示。

通过改变阱层In的组分来提高电子、空穴波函数重叠几率的技术,还有如三角形势阱[18]、台阶状(Step-like)势阱 [19]、梯形阱(Trapezoidal)[20]、Dip型阱[21]等。

相对于电子,空穴具有较大的有效质量与较小的迁移率,不易传输到靠近n型GaN的量子阱中而大多局限于靠近p型GaN的量子阱;相反,电子的有效质量较小、迁移率较大,较易越过MQW区域,从而造成多重量子阱中靠近p型GaN的量子阱主要贡献发光,远离p型GaN的量子阱发光贡献少,即多重量子阱中载流子发光复合分布不均匀现象,这是造成LED发光效率低和发光效率衰减的一个重要原因[22]。Han等[23]对量子阱的垒层进行了p型掺杂,在量子阱中的势垒层掺入Mg。与势垒层未掺杂Mg的LED相比,垒层掺杂Mg的LED在20mA和200mA电流注入条件下,光输出功率分别提高了19%和27%,而且随着注入电流的增加,光输出功率增大,即Mg掺杂发光复合区势垒层改善了空穴注入,适合应用于大电流注入条件下的大功率LED结构[24]。

1.3 电子阻挡层

电子阻挡层(Electron-blocking layer, EBL)通常位于发光复合区与p型GaN之间,其作用是通过较宽的禁带宽度,将电子阻挡在发光复合区的多重量子阱内,以克服在大电流注入条件下,电子溢出发光复合区导致发光效率衰减等问题。

早期常采取的结构是在生长完发光复合区多重量子阱之后,再生长单层p-AlGaN[25]或者一组p-AlGaN/GaN短周期超晶格层[26]以抑制电子溢出有源区,如图5所示。利用AlGaN材料的宽带隙(禁带宽度为3.4~6.2eV)对电子溢流的阻挡作用,克服大电流注入条件下电子溢出发光复合区所导致的发光效率下降等问题,同时过滤掉量子阱区域形成的位错和缺陷,改善后续外延层的结晶质量。在传统EBL结构的基础上,C. H. Wang等[27]采用Al组分渐变(Al组分的质量分数从0%渐变到25%)的AlGaN 电子阻挡层,相比于传统的EBL结构(Al恒定为15%),该结构的LED芯片的正向电压Vf 降低0.12V,串联电阻Rs减小1Ω,效率衰减从传统结构的34%减少到4%。

但近年来不少研究者对大电流注入下的GaN基LED中是否要采用AlGaN电子阻挡层提出了不同的看法。AlGaN电子阻挡层的p型Mg掺杂较难,导致AlGaN空穴浓度不高[28],而且随着Al含量提高,外延结晶质量变差,晶格失配和极化电场效应增强,导致EBL有效势垒高度降低,电子溢流抑制作用减弱。随着注入电流的增加,AlGaN/GaN界面处的价带能带差拉大,导致空穴难以有效注入发光复合区。另外,AlGaN EBL的生长温度也较高(≥960℃),不利于高In组分的多重量子阱,如对生长温度更为敏感的InGaN/GaN绿光LED。

Sang-Heon Han等[6]报道了在注入电流小于15 A/cm2时,有p-AlGaN的蓝光LED样品的外量子效率(EQE)高于无p-AlGaN的样品;在注入电流大于15 A/cm2时,情况正好相反。Han认为,在小电流注入条件下,p-AlGaN对空穴注入发光复合区的阻挡效应不是很明显,而其较高的导带势垒能有效地抑制电子的溢流,从而获得比无p-AlGaN LED样品高的EQE。但在大电流注入下,有无p-AlGaN对发光复合区的电子浓度影响不大,此时进入发光复合区的空穴数量对外量子效率起主导作用,而在大电流注入下p-AlGaN阻挡空穴注入效应增加[29],从而表现出比无p-AlGaN的LED样品低的EQE。

由于p-AlGaN电子阻挡层存在以上问题,研究者们尝试采用InAlN作为电子阻挡层,InAlN带隙宽(2.8~4.2eV),晶格匹配度高(InxAl1-xN,In质量分数在14%~22%,与GaN只有0.5%的失配),MOCVD生长温度低,更适合当作绿光LED的电子阻挡层。Suk Choi等[30]报道了在注入电流为440 mA时,具有In0.18Al0.82N电子阻挡层的LED 样品光输出功率比具有Al0.2Ga0.8N电子阻挡层的LED样品的输出功率高40%,同时效率衰减只有18%,即采用InAlN电子阻挡层更加适合于大电流、高功率LED结构。

2 结语

主要介绍了提高GaN基LED发光亮度并抑制大电流注入下效率衰减的各种外延层结构的研究进展,包括电子发射层、多重量子阱结构以及电子阻挡层各种技术。电子发射层从简单的CART结构发展到现在复杂的EE-MQW结构,仍需进一步优化电子发射层中的阱层与垒层组数以及各自的厚度、外延沉积温度、杂质掺杂(In、Si)等参数;关于发光复合区多重量子阱的各种技术的改进(如阱层垒层组分匹配、阱层In组分渐变等)不仅要减少各种非辐射复合中心和降低内部极化电场,而且还要解决载流子(主要是空穴)在发光复合区中分布的问题;电子阻挡层采用单一AlGaN层、AlGaN/GaN短周期超晶格层虽然对抑制电子溢流具有明显的效果,但其对空穴的阻挡效应以及晶格失配等问题也难以避免,所以大功率、高亮度的LED结构采用AlGaN材料作为电子阻挡层需要仔细优化其所处的位置、厚度、沉积氛围以及Al组分的质量分数等。由于AlGaN材料存在上述问题,新的电子阻挡层材料如InAlN层将取而代之。

桥梁结构抗力衰减分析 篇2

关键词：桥梁结构,抗力衰减,桥梁检测

近年来我国进一步加大了基础设施建设, 桥涵事业得到了很大的发展, 我国大部分桥梁已经使用多年, 加上车流量和超载现象的日趋增多, 其结构性能逐渐退化, 出现各种损伤, 为保证结构物的安全性, 对桥梁结构进行损伤检测、衰减分析是非常有必要的, 不仅可以得出适用于桥梁加固的力学参考数据, 还可以通过分析、检测研究出结构抗力衰减的形式及产生的原因, 进一步深入了解其原理, 为以后优化桥梁工程设计与施工提供参考。

1 桥梁结构抗力衰减的形式

桥梁结构的建立目的在于使桥梁在设计基准期内, 完成预期的使用功能。但由于设计、施工、勘探及使用过程中多种因素影响, 桥梁不可避免出现各种不同程度的隐患、缺陷或损伤, 导致结构的安全、适用和耐久度下降。

通常来讲, 桥梁的结构衰减形式主要为两方面。

(1) 混凝土开裂:梁体混凝土开裂是一种较为普遍的现象, 混凝土开裂部位可将其分为梁顶、底板开裂、腹板开裂、齿板开裂等。按成因分为结构裂缝和非结构裂缝。结构裂缝是指混凝土所受拉应变超过极限应变而出现的开裂现象, 混凝土收缩、徐变、温差都可以引起非结构混凝土裂缝产生。

(2) 受力筋锈蚀将导致混凝土结构有效截面的骤降, 钢筋由于锈蚀引起的体积膨胀会导致混凝土开裂或表面混凝土的成块脱落, 混凝土开裂后使原有处在混凝土保护层下的钢筋暴露于空气中, 由此形成恶性循环。

2 桥梁结构抗力衰减分析

在大气环境中, 桥梁结构的材料随着时间的增长逐渐老化, 使材料的性能及强度下降, 组成结构的一些活性材料随着时间的增长会发生缓慢的化学反应, 这种反应不仅使结构材料的化学成分发生变化, 且会因为生产的新物质产生的膨胀压力使结构发生破坏。桥梁结构承受超过设计标准的车辆荷载、在不变何在作用下结构的蠕变也导致结构的累积损伤。

本文主要考虑混凝土碳化、钢筋锈蚀几钢筋混凝土强度对桥梁结构抗力衰减的影响。然后监理多因素综合作用下结构抗力衰减模型。其中的重点是钢筋锈蚀, 考虑了全面锈蚀及局部锈蚀两种锈蚀模型。

假定将非平稳随机过程平稳化, 设结构抗力函数:

式中g (t) 为抗力衰减函数;R0为结构初始抗力。

国内外许多学者建议将抗力衰减函数g (t) 表示为时间的二次函数:

该函数浅显易懂, 系数可通过实验总结拟合获取, 计算简单方便, 对于一般项目计算基本可以满足精度要求。但式 (2) 未考虑钢筋锈蚀、混凝土裂缝等强度降低等因素对结构抗力下降的影响。假定钢筋锈蚀、混凝土开裂等导致结构强度降低导致抗力衰减的因素相互独立作用, 可建立多因素综合作用下结构抗力的衰减模型, 则抗力衰减函数可表示为:

将 (3) 代入 (1) 得:

式 (3) 、 (4) 中A (t) 为钢筋横截面面积随时间的变化函数;fcm (t) 、fy (t) 分别为混凝土抗压强度随时间的变化函数和钢筋抗拉强度随时间的变化函数。

抗衰减能力函数表达式 (3) 考虑了钢筋锈蚀、混凝土开裂等因素影响, 虽然基于各影响因素间相互独立作用的基本假定, 未考虑各因素间的耦合作用, 但相对于式 (1) 而言, 对于桥梁的结构抗力衰减模拟分析更为精确。

3 桥梁结构检测方法探讨

桥梁结构在使用期间由于受到各种因素的影响, 会出现各种不同形式的损伤, 对桥梁进行检测是非常必要的, 桥梁检测是对桥梁的结构物直接测试的一项科学实验工作, 包括常规检测和荷载检测, 主要任务是通过对结构物加载后的性能进行观测和对测量参数进行分析, 分析结果对结构物的工作性能及结构承载能力做出评价, 并对结构加固提供可靠的数据依据。

目前桥梁的检测办法, 首先, 对结构所出现的缺陷进行普查检测, 对存在表面裂缝、露筋几锈蚀等受损构件区域进行普查并以图表的形式进行记录;再进行现场测试混凝土构件的尺寸及建筑物轴线尺寸是否与设计图纸相符, 检查桥梁的施工质量, 然后进行仪器检测, 主要方法有:无破损检测、半破损检测及半破损与无破损的综合使用法及荷载试验。其中无破损检测、半破损检测及半破损与无破损的综合使用法为损伤检测, 荷载试验为对整个桥梁结构特性及承载能力提供评价参数的一项检测。

桥梁的损伤检测方法主要有:回弹法、钻芯法测量混凝土构件强度, 超声脉冲法、冲击波法、表面波法测定混凝土的强度、内部缺陷及混凝土的厚度和振动弹性系数, 超声法与回弹法综合使用测定混凝土强度, 射线法测定内部缺陷探伤、钢筋探测, 中子法测定混凝土含水率等。

荷载试验包括静力荷载试验和动力荷载试验, 静力荷载试验是将荷载作用于桥梁上的指定位置, 测试结构的静应变、静唯一和裂缝等, 其目的在于检验桥梁结构的质量、了解承载情况并判断结构的实际承载能力。

动力荷载试验是将动力荷载作用于桥梁上以测试引起结构参数振动的荷载数值、方向、频率、规律等荷载动力特性;测定结构的自振频率、阻尼特性、固有频率等结构动力特性;测试结构在动荷载作用下的强迫振动响应, 如振幅、动力、冲击系数、疲劳性能等。

4 结语

桥梁的结构抗力衰减形式主要有混凝土损伤开裂和钢筋锈蚀, 而影响抗力衰减因素主要有外部环境、荷载因素及自身材料、结构形式影响, 笔者在参考大量文献基础上总结了结构抗力衰减模拟函数, 并阐述了桥梁结构的检测方法及应用, 了解桥梁结构的损伤原理及检测方法, 对桥梁结构损伤的评定, 桥梁加固前结构检测数据的采集更有利。

参考文献

[1]何佩军.桥梁结构裂缝分析及碳纤维加固技术[D].天津大学硕士学位论文, 2004.

[2]屈文俊.即有铁路混凝土桥梁的病害分析[J].桥梁建设, 1995 (4) :64～66.

[3]金伟良, 鄂飞, 张亮.考虑混凝土碳化规律的钢筋锈蚀率预测模型[J].浙江大学学报, 2000.

草莓的延迟发光衰减特性研究 篇3

所有生物体都发射一种较微弱的光子流, 其发射光谱范围为 (180～800nm) , 光强非常弱, 称之为生物的超弱发光 (ultra weak bioluminescence, UL) 。超弱发光包括自发光 (spontaneous bioluminescence, SL ) 和外因诱导发光, 其中光诱导的超微弱发光称为延迟发光 (delayed bioluminescence, DL ) 。研究表明, 无论生物体是否进行光合作用, 都存在着随时间衰减的延迟发光现象, 其强度与光照射光频率无关, 约几个至几十万个hv/ (so·cm2) , 比自发的超弱发光强很多, 持续时间约几秒至几小时, 与生物体组织来源、光照时间、光照强度及光谱分布有关[1]。由于延迟发光便于检测, 而且适宜于无损害、较长时间地研究生物体的生理变化, 因此已成为许多生命过程如氧化代谢、细胞分裂、癌变衰老等研究的有效手段, 可能在生物和农学等领域的应用方面提供有效依据。本文应用高灵敏度光子计数探测系统, 对草莓延迟发光的特性及其受不同光源诱导后的衰减特性进行了研究。

1 实验装置、材料、测试方法和项目

1.1 实验装置与材料

采用由北京滨松光子技术有限公司研制的BHP9502型微弱发光分析仪进行测量, 该系统主要由测量暗室、光子计数探头、样品传动系统、数据采集系统和计算机等构成。装置工作原理如图1所示。实验前, 仪器预热30 min稳定后测量样品。为了消除环境温度和湿度对测量结果的影响, 测量均在室温20℃, 相对湿度 50%～60%的条件下进行。

本实验所用材料为2008年陕西省杨凌区南庄草莓基地的红太后 (品种) 草莓, 采摘于当天早上8:00。将新采摘的草莓置于阴凉通风处2h, 然后筛选果形好、未受损伤、平均质量为 (10±0.5) g的红果草莓分组存放待测;放置环境温度为20℃, 相对湿度为 50%;将12个样品分3组, 分别用于测试自然光、40W白炽灯和100W白炽灯照射后的衰减特性。

1.2 测试方法和项目

将待测草莓直接放入测量仪器的黑箱中, 测量1s内发光的光子数。测量间隔时间为仪器所用的测量时间和计数所用时间之和, 设定为30s。草莓的实际超弱发光值为放置草莓与未放置草莓时仪器所测值之差, 其单位为每秒钟计数总个数。

1) 将第1组草莓放置于自然通光处15min, 然后迅速将4个样品放入仪器暗室进行测量, 并求其平均值为最终记录结果, 隔30s记录一次数据, 研究自然光照射后草莓延迟发光的衰减特性。

2) 将第2组草莓放置于40W白炽灯下照射15min, 样品距光源距离为10cm;其后方法同上, 研究40W白炽灯照射后草莓延迟发光的衰减特性。

3) 将第3组草莓放置于100W白炽灯下照射15min, 样品距光源距离仍为10cm;其后方法同上, 研究100W白炽灯照射后草莓延迟发光的衰减特性。

2 结果分析与讨论

2.1 不同光源照射后草莓延迟发光衰减规律

图2所示为300s内3组样品的延迟发光随时间的变化曲线, 显示出草莓经不同光源照射后, 第1s内的延迟发光强度和随时间衰减速度不同。经100W白炽灯照射后的果实在第1s内的延迟发光强度最大, 40W白炽灯照射后的果实发光强度次之, 自然光照射后的果实发光最弱。草莓经过强光照射后, 其第1s内的延迟发光强度比在正常环境中增加了很多, 说明草莓的延迟发光对光照强度的变化反应很灵敏。但同组中每个草莓增加的幅度有差异, 其原因是不同个体对光子的俘获能力不同导致的, 可能与个体的生命过程及品质有关。

暗室中每组果实的发光强度随时间而衰减, 持续到300s后接近一常量, 这是因为生物体在避光贮藏一段时间后其延迟发光全部衰减, 这一常量为生物体的自发超弱光值。同时, 100W白炽灯和40W白炽灯照射后的果实延迟发光的衰减速度都大于自然光照射后果实的衰减速度。有研究证明延迟发光衰减的快慢表征生物体系统内各组分之间相互作用的大小, 与生物体的温度有关[2]。由于白炽灯靠电阻发热而发光, 发出的热量被果实吸收, 高温胁迫会使生物体系统内组织间的相互作用减弱, 所以延迟发光衰减就较快。

2.2 草莓延迟发光值与时间之间关系方程的建立

许多实验证明, 生物系统的延迟发光一般遵从Popp双曲线衰减规律, 即

I (t) =A (t-t0) -1/p (1)

其中, I (t) 是延迟发光强度, t-t0是延迟发光所需时间, 1/p是表征生物体内各个激发态偶联程度的参数, 同时也是具有重要的生物学意义的可以表征生物体的生理状态的参数, A是一个常数[3]。

为了探讨草莓经不同光源照射后的延迟发光衰减机理, 将测得的延迟发光值与时间的关系用以上方程进行拟合, 结果如表1所示, 拟合图形如图3所示。以上拟合结果可以看出, 草莓经不同光源诱导后的延迟发光衰减规律与Popp的生物系统延迟发光双曲线衰减规律理论很大程度上吻合, 说明草莓经各种光源照射后形成的许多激发态之间存相互偶联, 可能通过在生物系统内存在的电场相互联系, 而这正是相干场的重要特征[6]。

用延迟发光衰减系数1/p表征生物体内各个激发态偶联程度。从表1中得出, 自然光、40W白炽灯、100W白炽灯照射后草莓延迟发光衰减系数分别为: 2.151 2, 2.081, 2.145 4。所以草莓经自然光照射后的衰减系数最大, 衰减最慢, 说明这时生物系统内的相互作用是最强的。草莓经100W白炽灯照射后的衰减系数与自然光照射后的衰减系数接近, 而40W白炽灯照射后的衰减系数与前者相差较大, 说明虽然受温度胁迫会影响生物体内各激发态间的相互偶联程度, 但不是唯一的影响因素, 可能是诱导光的强弱影响了草莓新陈代谢程度, 或者由于在100W白炽灯照射时果实受到较强的外界刺激, 甚至部分表面受到侵害而产生防御反应, 发出较强的光子流逐步衰减, 具体关系有待进一步研究。

3 结论

由光诱导后草莓延迟发光的特性再次证明生物体的确具有俘获光子的能力, 结果说明双曲线可以较好地描绘草莓延迟发光的衰减特性。但不同光源诱导后的草莓延迟发光衰减速度有差异, 除了与光源发出的热量导致果实温度变化影响组织间的相互作用外, 可能与诱导光的强弱影响生物体新陈代谢程度有很大关系, 或者由于诱导光源太强、温度较高对生物体产生刺激或侵害而发出防御反应, 产生较强的光子流, 具体关系有待进一步确定。检测生物体光子具有实时、无损伤等特点, 如果加上光谱分析可成为评价生物体的应激能力及代谢变化的一项稳定可靠的指标[7]。因此, 生物系统延迟发光一定情况下可以客观地反映出生物体的生命信息, 在生命和农学领域被加以应用。

参考文献

[1]何湘, 吴平, 高思峰.石蒜根部延迟发光特性的研究[J].江西科学, 2005, 23 (5) :554-556.

[2]李光, 杨海莲, 陈静伟, 等.温度对叶片延迟发光的影响[J].河北大学学报, 2005, 25 (1) :24-28.

[3]李光, 焦小雪, 刘品, 等.植物叶片延迟发光的光谱特性[J].激光生物学报, 2007, 16 (6) :679-683.

[4]赵红霞, 张守勤, 周丰昆, 等.鸡蛋超弱发光与其新鲜程度的相关分析[J].农业工程学报, 2004, 20 (2) :177-180.

[5]杨海莲, 王红梅.邹艳, 等.不同胁迫时间对延迟发光的影响[J].德州学院学报, 2007, 23 (2) :10-12.

[6]陈江丽, 陆治国.蒜的延迟发光[J].光电子.激光, 1999, 10 (4) :365-367.

射频同轴电缆的衰减分析 篇4

随着4G网络的建设, 用于移动基站系统和室内分布系统的射频同轴电缆也将得到广泛的应用, 从全球来看, 700 (800) MHz/1.8GHz/2.6GHz三大频段为海外运营商选择的4G频段的主流。除中国移动1800MHz频段外, 三家运营商都将使用高频段部署TD-LTE网络。

为抢占未来市场, 当前全球多个国家已竞相展开5G网络技术开发, 中国和欧盟正在投入大量资金用于5G网络技术的研发。三星电子通过研究和试验表明, 在28GHz的超高频段, 以每秒1Gb以上的速度, 成功实现了传送距离在2Km范围内的数据传输, 此前, 超高频段数据传输数据损失大是一个技术瓶颈。该技术的成功, 不仅保证了更高的数据传输速度, 也有效解决了目前移动通信波段资源几近枯竭的问题。

二、射频同轴电缆结构及其对衰减的影响

射频同轴电缆属于二导体传输线。沿电缆长度任意一点的横截面上, 内、外导体都是同心, 且电阻率、磁导率、介电常数均匀一致, 主要传输TEM波 (电场和磁场方向垂直于波的传播方向) , 电磁场主要集中在同轴电缆的内、外导体之间, 具有很好的传输性能及屏蔽效果。

注:①更高的频率下, 漆包线间并联电容使电流在线间流动;频率增高, 铜线越细, 漆膜所占比例增大, 不利于提高效率。

同轴电缆的衰减主要是由导体衰减、介质衰减、辐射衰减三部分组成的, 除了泄漏电缆外, 辐射衰减非常小。射频同轴电缆在实际制造过程中结构沿长度方向的不均匀及电缆在承受外力、弯曲或温度改变的情况下, 会产生很大的衰减, 大部分损耗转换为热能。温度上升会导致电阻和介质衰减增加。

2.1内导体结构

射频同轴电缆的内导体尺寸相比外导体小得多, 因此内导体的衰减占了整个导体衰减很大的比重, 因此对内导体的要求比较高。以下介绍的内导体衰减的计算公式并从分析了不同的内导体结构的优缺点。

内导体衰减计算:

式中:Li—内导体衰减;d—内导体外径 (in) ;f—工作频率 (MHz) ;Z0—特性阻抗 (Ω) ;

2.2介质结构

除了起绝缘作用之外, 高频磁场在绝缘介质中也可传播, 因此绝缘介质的选择将会直接影响到电缆衰减、功率容量、减小波阻抗不均匀性及机械性能等。介质衰减与频率的增加呈线性关系。频率越高, 介质衰减越大, 且介质衰减占总衰减的比重上升。

绝缘形式主要有实体绝缘、空气绝缘、半空气绝缘。高端的射频同轴电缆几乎都采用发泡氟塑料介质 (半空气绝缘) , 对射频同轴电缆绝缘材料的一般选用原则是介电常数ξ和介质损耗角正切tanδ应尽量小。以下介绍的介质损耗的计算公式并从分析了不同的介质结构的优缺点。

注:①温度升高, 铜线将迅速氧化, 导电性能将会下降;频率更高时导电性能将随着温度上升或弯曲而明显变化。

介质衰减计算:

式中:Ld—介质衰减;f—工作频率 (MHz) ;ρ—介质损耗角 (εr=2.1, ρ=0.00016;εr=1.6, ρ=0.00005) 。

2.3外导体结构

射频同轴电缆的外导体既起回路作用又起屏蔽作用, 外导体的结构形式有编织、管状、绞合、镀层等形式。以下介绍的外导体衰减的计算公式并从分析了不同的外导体结构的优缺点。

外导体衰减:

式中:Lo—外导体衰减;D—外导体内径 (in) ;f—工作频率 (MHz) ;Z0———特性阻抗 (Ω) 。

三、同轴电缆材料及其对衰减的影响

3.1内导体材料

趋肤效应使导体的有效电阻增加。导体衰减与频率的平方根成正比关系。频率越高, 趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时, 可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过, 这等效于导线的截面减小, 电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过, 就可以把这中心部分除去以节约材料。

当导体内部电磁场 (电流) 减小到表面值的1/e (e=2.718) 倍时的深度称为趋肤深度。

3.2介质材料

射频同轴电缆要求高频下介电常数ξ和介质损耗角正切tanδ应尽量小, 除了结构的改进可以降低这两个指标外, 选用合适的材料也很重要。尤其是需要在高温下使用的射频同轴电缆, 氟塑料的性能将特别优越, 以下就各种氟塑料的性能做简要介绍。

3.3外导体材料

射频同轴电缆外导体的衰减占导体衰减的1/3左右, 对外导体材料电导率的要求没有那么高, 因此可采用铝做外导体, 对总的衰减影响不大, 约增加6%左右, 但在成本及重量上有很大的优势。

3.4护套

护套主要用于保护电缆, 材料主要有聚氯乙烯、聚乙烯。如有特殊要求 (耐高温、防潮等) , 则会使用聚氨酯、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、硅橡胶、氯丁橡胶、尼龙等材料。

3.5铠装

铠装可以提高电缆的耐磨性、抗拉强度和屏蔽性能。一般采用镀锌钢丝或高强度铝合金线编织铠装。

四、射频同轴电缆波阻抗不均匀性造成的衰减

4.1阻抗失配

采用不同的内外导体直径比以及不同的绝缘形式时, 波阻抗是不同的, 电气和机械性能也是不同的。

为了便于设备制造及使用, 将波阻抗标准化。

波阻抗是射频同轴电缆最主要的参数。当线路匹配时, 没有能量反射, 传输效率最高;当线路失配时, 线路反射。这种能量损失, 不仅降低传输效率, 而且反射波与入射波互相叠加而产生驻波, 使信号发生畸变。

4.2内部不均匀

同轴对内、外导体在制造、运输和施工过程中产生的偏心、椭圆度造成波阻抗的变化, 导致内部不均, 则会产生反射波, 造成反射衰减。

如果电缆线路上有反射波, 它与原来的波相互作用就会产生驻波。驻波系数则是用来描述反射波成分的大小。驻波系数越大, 反射波成分越大。

驻波系数S计算方法:

式中:S—驻波系数;Umax—电压振幅最大值;Umin—电压振幅最小值;

反射系数p与驻波系数S之间的换算关系为:

式中:p———输入端反射系数;

电缆中不均匀性的大小, 也可用反射衰减bH来表示:

式中:bH—反射衰减;p—输入端反射系数;

五、结束语

电缆的衰减是衡量电缆质量的重要指标, 电缆本身的结构、材料、制造工艺和环境都会影响到电缆的衰减, 电缆与设备的失配, 也会引起回波损耗, 导致衰减。只有综合分析各个影响因素, 并予以解决, 才能降低衰减, 提高电缆质量。

参考文献

[1]倪艳荣, 郑先峰, 田丰.通信电缆结构设计[M].北京:机械工业出版社, 2013

[2]朱辉.实用射频测试和测量[M].北京:电子工业出版社, 2010