CN106911385A - 一种光学天线及led可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学天线及LED可见光通信系统，该光学天线包括多个光纤光锥，每个光纤光锥具有独立的单通道，多个朝向不同的光纤光锥组成球形。本发明在球体上分布多个朝向不同的光纤光锥作为光学接收天线的结构，体积小、灵敏度高，可见光信号经由接收天线进入探测器，这样可以缩减探测器面积，进而增强探测光强，显著提高通信速率，即使光学接收天线同光源的相对位置发生改变，因为总有一部分光纤光锥满足全反射条件，光学接收天线仍能接收来自不同方向的光信号，有效扩大接收天线的视场角，实现仅利用小尺寸探测器便可接收较大范围光信号的构想，若使用具有球形光敏面的探测器或多个探测器组合，甚至可以实现360度视场角。

Description

一种光学天线及LED可见光通信系统

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，具体涉及一种光学天线及LED可见光通信系统。

背景技术

可见光无线通信因其无电磁干扰、节能、绿色等优点引起了人们的广泛关注和研究。随着可见光无线通信技术的发展，光学天线是可见光无线通信非常重要的组成部分。针对不同的无线通信需求，研制出合适的光学天线系统，最大限度的提高系统通信性能，是目前备受关注且亟待解决的问题之一。

2000年以来，基于LED的可见光通信技术得到了广泛研究，市场中也出现了许多可见光通信产品。传统的移动通信解决方案主要是对发射端或者接收端进行改进。发射端的改进方案主要包括采用目标跟踪技术和角度空间分集发射器等。接收端的改进方案主要包括采用信号搜索技术和角度空间分集接收器等。

根据调研，目前室内可见光通信的接收天线多为传统的定焦天线或是多个定焦天线，角度空间分集发射器和信号搜索等技术也有出现。若采用传统的定焦天线或是多个定焦天线组合而成的空间分集天线，在实际通信过程中，当通信距离和位置变化时，会使探测到的信号光斑产生变化，将较大的影响接收效率，从而影响系统的通信性能；此外，若采用角度空间分集接收器，该天线的视场角为120度，并没有解决大视场角的问题；信号搜索技术则需要将接收器的位置反馈回光源处，光源再将光线转向接收器处，结构会比较复杂。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种光学天线及LED可见光通信系统。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种光学天线，包括多个光纤光锥，每个光纤光锥具有独立的单通道，多个朝向不同的光纤光锥组成球形。

进一步地，所述光学天线接收来自光源处B点的最大半角为

式中R是以锥角顶O为圆心、与多个光纤光锥出射端相切的圆的半径，l是光纤光锥长度，D₁和D₂分别是光纤光锥出射端和入射端的直径，n₀为空气介质中的折射率，n₁为光纤光锥内纤芯的折射率，n₂光纤光锥包层的折射率，BD为光源到光学天线之间的距离。

进一步地，2φ＝2×φ，当l一定时，D₂越大，2φ越小。

进一步地，2φ＝2×φ，当D₂一定时，l越大，2φ越大。

进一步地，AC的大小为

AC＝(R+l)cosx＝(R+l)cos(φ-α+90°)

式中φ为光学天线接收来自光源处B点的最大半角，R是以锥角顶O为圆心、与多个光纤光锥出射端相切的圆的半径，l是光纤光锥长度，AC为入射端可将光线全反射出光纤光锥的最大入射角α的入射点与BO的垂直距离，x为∠OAC。

进一步地，2AC＝2×AC，当l一定时，D₂越大，2AC越小。

进一步地，2AC＝2×AC，当D₂一定时，l越大，2AC越大。

一种LED可见光通信系统，包括所述光学天线，还包括LED驱动电路、LED光源、探测器、输出电路；

所述LED驱动电路用于驱动LED光源发光；

所述LED光源用于根据LED驱动电路的驱动将发射端的电信号转换成光信号发送出去；

所述光学天线用于接收并传输光信号；

所述探测器用于接收经光学天线集中后的光信号，再经光电转换器将光信号转换成电信号；

所述输出电路用于输出电信号。

本发明在球体上分布多个朝向不同的光纤光锥作为光学接收天线的结构，

体积小、灵敏度高，可见光信号经由接收天线进入探测器，这样可以缩减探测器面积，进而增强探测光强，显著提高通信速率，即使光学接收天线同光源的相对位置发生改变，因为总有一部分光纤光锥满足全反射条件，光学接收天线仍能接收来自不同方向的光信号，有效扩大接收天线的视场角，实现仅利用小尺寸探测器便可接收较大范围光信号的构想，若使用具有球形光敏面的探测器或多个探测器组合，甚至可以实现360度视场角。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为光纤光锥的结构示意图；

图2为光纤光锥中光线传播的展开表示图；

图3为光纤光锥中锥角的表示式示意图；

图4为光纤光锥光线入射示意图；

图5为光学天线光路拓扑图；

图6为光学天线光路图；

图7为l、D2与2φ关系图；

图8为l、D2与2AC关系图；

图9为LED可见光通信系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供一种光学天线，包括多个光纤光锥，每个光纤光锥具有独立的单通道，多个朝向不同的光纤光锥组成球形。

如图1所示，有一定锥度的光纤光锥有聚光的能力，光线从大端入射，从小端出射，光锥(光纤光锥)内壁具有高反射率，使用时将大端放在主光学系统焦平面附近，收集光线并依靠光锥内壁多次反射传递到小端，将探测器置于小端口，接收集中后的光束，这样就可以用较小尺寸的探测器收集进入大端范围的光能。下面讨论光在光纤光锥中的传播特性。

在光纤光锥中，光线在纤维芯和涂层界面内壁上的反射角随着反射次数的增加而逐渐减小。当光线以α角入射于锥形纤维的大端时，折射角为θ，纤芯内第一次全反射的入射角为第二次全反射的入射角为依次类推，第n次全反射的入射角为则

......

其中，ω为光锥的锥角

又n₀sinα＝n₁sinθ所以有折射角代入(1)得第n次全反射的入射角

由SNELL定律可求出光线在光纤内全反射的临界角

如果光线以小于的入射角入射到纤芯包层的界面上，光线将折射出纤芯并进入包层而损失掉。只有当时，才满足全反射条件，光才能从锥形光纤中射出。即

如图2(a)，SS’是圆锥形光学中子午光线行进的光路，显然这是和实际中的光路是等效的，如果进入光线SS’的延长线和折线B₁B₂B₃......相交，则光线由光纤光锥传递，如果进入的光线PP’的延长线和折线B₁B₂B₃......不相交，则光线PP’将从锥形光学光纤的侧壁逸出。为了简化讨论，用一个圆心在锥角顶O的圆来代替这些折线B₁B₂B₃......如图2(b)所示，这样，只要进入光学纤维中的光线的延长线和圆相交，光线就能在纤维中传播，而极限的情况就是相切。

如图2(b)所示

式中R是圆的半径，l是光纤长度，D₁和D₂分别是光纤出射端(小端)和入射端(大端)的直径。

同时，由图3中的△AOB中，利用正弦定律

并且sin∠ABO＝sin(180°-θ′)＝sinθ′ (7)

将(6)(7)带入(5)中，推导得光锥小端与5端的比值为

或D₁sinθ′＝D₂sinθ (9)

这个公式是用光学纤维两端的折射角来表示的，如果设纤维的两端是处于同一媒介中，则可把式(9)简化为纤维两端孔径角的关系

D₂sinα＝D₁sinβ (10)

由全反射条件

则如图1所示，光锥内出射角

在光锥出射端有折射定律n₁sinθ₁＝n₀sinβ (13)

则光锥出射端的出射角为

结合式(10)则光锥入射端的入射角为

光锥入射端应用折射定律n₀sinα＝n₁sinθ，代式(15)，光锥入射折射角为

(14)(15)式说明光纤光锥两端的孔径角不一样，大端孔径角小，小端孔径角大，这里必须指出，光纤光锥并不能增加通过的总光通量，对于小端来说，仅是增加单位面积上的光通量。

由图3还可得到光纤光锥半锥角的表达式

将(17)带入(15)(16)得：

光锥入射端的入射角为

光锥入射端的折射角为

光纤光锥的锥角大小直接影响光线在其中的传播，如果锥角相当大，以至于使平行于纤维中心轴的光线进入纤维后也不能满足界面内壁上的全反射条件，而经过涂层折射而溢出纤维，那么这种光纤光锥就不能聚光；当锥角较小时，就不会发生上述情况，而对光线有一定的汇聚作用。

如图4所示，光线①②③以相同的入射角入射到光纤光锥上，从它们的光路图可以看出，如果光线①可以全反射，则光线②③的情况必将可以全反射，其实就是在光线①以下入射都将可以全部全反射出去。

由于单个光锥的视场角较小，所以为了增大接收角度和接收面积，提出将一定数量的独立单通道光锥器件集中在一起，在球体上分布多个朝向不同的光锥的光学天线的结构，如图5所示。可见光通信的信号光源发出的信号光照射到光纤光锥组成的球形天线上，将大端面向光源，收集光线并依靠光锥内壁多次反射传递到小端，将探测器置于小端口，接受集中后的光束，这样就可以用较小尺寸的探测器收集进入大端范围的光能。如果光学天线相对光源的位置发生改变，在同一位置有指向不同方向的光学天线仍可接收来自不同方向的光，探测器接收到信号光再经过光电转换传输信息，保证通信畅通。

下面具体讨论该光学天线的结构参数：

如图6所示，假设α_max表示入射端可将光线全反射出光纤光锥的最大入射角，设∠OAC＝x，则光锥可接收来自光源处B点的最大半角为

其中，根据几何关系

φ＝90°-∠BAC＝90°-(180°-x-α)＝x+α-90° (21)

将式(21)代入到式(20)，有

经过数学处理，得

将式(23)展开经过数学计算整理得

(BD+R+l)sinαsinx-(BD+R+l)cosαcosx＝(R+l)sinα (24)

由数学公式继续整理得

由式(25)计算可得x角

将式(26)带入式(21)得到光锥可接收来自光源处B点的最大半角为

由式(18)可知光锥入射端的入射角为

将式(28)带入式(27)得光锥可接收来自光源处B点的最大半角为

下面将分别给光学天线取值，分别讨论l、D₂与2φ之间的关系，l、D₂与2AC之间的关系：

由公式(5)可得光锥圆心到光锥小端半径为半径

n₀为空气介质中的折射率取1，n₁为光纤内纤芯的折射率取1.6，n₂光纤包层的折射率取1.45，取小端大小为单模光纤的直径10um，由于目前光锥的大小端比例最大可做到10:1，取大端直径为100um，BD为光源到光学天线之间的距离，结合实际需要取2m，l为光锥的长度不能太大，取50mm。

A、下面分别讨论了l、D₂与2φ之间的关系：

(1)取n₀＝1、n₁＝1.6、n₂＝1.45、BD＝2m，D₁＝10um，D₂＝100um时，l与2φ的公式为

(2)取n₀＝1、n₁＝1.6、n₂＝1.45、BD＝2m，D₁＝10um，l＝50mm时，D₂与2φ的公式为

将式(31)(32)用MATLAB作图，如图7所示可知：当l一定时，D₂越大，2φ越小，当D₂一定时，l越大，2φ越大。

B、下面分别讨论了l、D₂与2AC之间的关系：

由公式(20)(21)可知AC的大小为

AC＝(R+l)cosx＝(R+l)cos(φ-α+90°) (33)

(3)取n₀＝1、n₁＝1.6、n₂＝1.45、BD＝2m，D₁＝10um，D₂＝100um时，l与2AC的公式为

(4)取n₀＝1、n₁＝1.6、n₂＝1.45、BD＝2m，D₁＝10um，l＝50mm时，D₂与2AC的公式为

将式(34)(35)用MATLAB作图，如图8所示可知：当l一定时，D2越大，2AC越小，当D2一定时，l越大，2AC越大。

结合上述分析，主要用于对光学天线的结构设计起到一定的借鉴作用，具体结构尺寸可根据自己设计需求选取，可根据公式(29)(33)求出新的l、D₂与2φ关系图和l、D₂与2AC关系图。如图7所示可知：当l取50mm时，或D₂为100um时，2φ约为0.29度，即此时该接收天线的视场角为0.29度。

本发明光学天线的材质为光纤制成，可见光信号照射到光纤光锥球形接收天线的大端面上，收集到的光信号经光纤光锥内壁多次反射传递到小端面，最终由位于小端面的探测器接收，实现仅利用小尺寸探测器便可接收较大范围光信号的构想。即使光学接收天线同光源的相对位置发生改变，光学接收天线仍能接收来自不同方向的光信号，有效扩大接收天线的视场角，缩减探测器面积，显著提高通信速率。

实施例2

如图9所示，本发明还提供一种LED可见光通信系统，包括所述光学天线，还包括LED驱动电路、LED光源、探测器、输出电路；

所述LED驱动电路用于驱动LED光源发光；

所述LED光源用于根据LED驱动电路的驱动将发射端的电信号转换成光信号发送出去；

所述光学天线用于接收并传输光信号；

所述探测器用于接收经光学天线集中后的光信号，再经光电转换器将光信号转换成电信号；

所述输出电路用于输出电信号。

LED可见光通信系统工作流程如下：

1)、LED可见光通信系统的发射端为电信号，LED驱动电路驱动LED光源发光将发射端的电信号转换成光信号发送出去；

2)、在光发射端与接收端之间用光学天线接收并传输光信号，即使光学天线同光源的相对位置发生改变，光学天线仍能接收来自不同方向的光信号；

3)、探测器在光纤光锥的小端面上接收光信号，再经光电转换器将光信号转换成电信号，实现通信功能。

尽管单个独立单通道光纤光锥器件的视场角十分有限，但当一定数量的这些光纤光锥集中在一起，在球体上以不同朝向分布形成光学天线时，可增大接收天线的视场角；

即使光学接收天线同光源的相对位置发生改变，由于具备在球体上以不同朝向分布的光纤光锥，光学接收天线仍能接收来自不同方向的光信号；

在大端面收集到的光信号依靠光纤光锥内壁多次反射被传递到小端面，由位于小端面的探测器接收，这样可以有效缩减探测器光敏面积，降低探测器的结电容从而提升可见光通信速率；

如果使用具有球形光敏面的探测器多个探测器组合，甚至可以实现360度的惊人视场角。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种光学天线，其特征在于，包括多个光纤光锥，每个光纤光锥具有独立的单通道，多个朝向不同的光纤光锥组成球形。

2.根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述光学天线接收来自光源处B点的最大半角为

式中R是以锥角顶O为圆心、与多个光纤光锥出射端相切的圆的半径，l是光纤光锥长度，D₁和D₂分别是光纤光锥出射端和入射端的直径，n₀为空气介质中的折射率，n₁为光纤光锥内纤芯的折射率，n₂光纤光锥包层的折射率，BD为光源到光学天线之间的距离。

3.根据权利要求2所述的光学天线，其特征在于，2φ＝2×φ，当l一定时，D₂越大，2φ越小。

4.根据权利要求2所述的光学天线，其特征在于，2φ＝2×φ，当D₂一定时，l越大，2φ越大。

5.根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，AC的大小为

AC＝(R+l)cosx＝(R+l)cos(φ-α+90°)

式中φ为光学天线接收来自光源处B点的最大半角，R是以锥角顶O为圆心、与多个光纤光锥出射端相切的圆的半径，l是光纤光锥长度，AC为入射端可将光线全反射出光纤光锥的最大入射角α的入射点与BO的垂直距离，x为∠OAC。

6.根据权利要求5所述的光学天线，其特征在于，2AC＝2×AC，当l一定时，D₂越大，2AC越小。

7.根据权利要求5所述的光学天线，其特征在于，2AC＝2×AC，当D₂一定时，l越大，2AC越大。

8.一种LED可见光通信系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的光学天线，还包括LED驱动电路、LED光源、探测器、输出电路；

所述LED驱动电路用于驱动LED光源发光；

所述LED光源用于根据LED驱动电路的驱动将发射端的电信号转换成光信号发送出去；

所述光学天线用于接收并传输光信号；

所述探测器用于接收经光学天线集中后的光信号，再经光电转换器将光信号转换成电信号；

所述输出电路用于输出电信号。