CN107894656B - 一种基于可见光通信的光学接收天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信的光学接收天线。其包括透镜壁复合抛物面聚光器、半球形透镜和反射腔；所述透镜壁复合抛物面聚光器包括第一内表面、第一外表面、第二内表面和第二外表面；第一外表面的截面曲线满足复合抛物面聚光器截面曲线的基本特性，第一外表面的截面曲线旋转角度δ后得到第一内表面的截面曲线；第二内表面和第二外表面相互平行；反射腔对称设置于第一外表面外侧；半球形透镜包括球面和第四外表面，半球形透镜设置在第二外表面下方。本发明具有视场角大、高增益、大接收功率与信噪比、光斑尺寸小且能量分布均匀等优点，绿色环保、安装方便，能够满足室内可见光通信系统高速、稳定的通信需求。

Description

一种基于可见光通信的光学接收天线
技术领域
本发明涉及光学天线技术领域，特别涉及一种基于可见光通信的光学接收天线。
背景技术
可见光通信技术，作为一种利用LED发光设备发出人眼感觉不到的高速明亮闪烁的光信号来实现信息传输的新兴无线通信技术，与传统射频通信和其他光无线通信方式相比，可见光通信未受带宽限制，不受电子设备的电磁干扰，安全保密性高，且LED照明通信设备易于安装，具有极大的发展潜力。
目前，室内可见光通信技术的主要研究范畴包括通信信道模型、调制解调技术以及光源的布局优化等，但是可见光接收技术相关的研究甚少。而光学接收天线有利于信号光的汇聚、保证系统的传输带宽以及系统信噪比的提高，能够满足可见光通信系统高速和高稳的要求。
为了提高可见光通信系统接收端的接收功率和信噪比，保证较高增益和较大的视场角，国内外业界提出了各种光学天线的设计思路，其中对于复合抛物面聚光器的研究较多。复合抛物面聚光器能够聚集光能，提高系统的接收功率和信噪比，但是其局限性在于光学增益随视场角增大而减小，且光斑尺寸大、均匀性差，光能难以有效利用。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于透镜壁复合抛物面聚光器和半球形透镜的两级光学接收天线，该天线可满足可见光通信系统接收端高增益、大视场、光斑小且能量分布均匀的需求，进而保证通信的高速率和高稳定性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于可见光通信的光学接收天线，其包括透镜壁复合抛物面聚光器、半球形透镜和反射腔；所述透镜壁复合抛物面聚光器包括第一内表面、第一外表面、第二内表面和第二外表面；第一外表面的截面曲线满足复合抛物面聚光器截面曲线的基本特性，第一外表面的截面曲线旋转角度δ后得到第一内表面的截面曲线；第二内表面和第二外表面相互平行，之间厚度为BH，分别水平设置在第一内表面和第一外表面的底面；反射腔对称设置于第一外表面外侧；半球形透镜包括球面和第四外表面，半球形透镜的半径和第二外表面相等，半球形透镜设置在第二外表面下方。
本发明中，透镜壁复合抛物面聚光器和半球形透镜的材料均为PMMA。
本发明中，透镜壁复合抛物面聚光器、半球形透镜和反射腔通过参数最优化组合成新型两级光学接收天线。
本发明中，所述透镜壁复合抛物面聚光器的光学特性主要受旋转角度δ和底端厚度BH的影响，所述旋转角度δ和底端厚度BH通过软件仿真与通过Taguchi正交试验方法得到最优化参数；旋转角度δ的大小在3°～6°之间，厚度BH为3mm～5mm；所述透镜壁复合抛物面聚光器在复合抛物面聚光器的基础上，不仅具有高增益，还能保证视场角有效增加近20°。
本发明中，所述半球形透镜主要是起到增大视场角和减小光斑直径的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明根据传统可见光通信光学接收天线的局限性，设计了一种透镜壁结构，在光学增益一定的情况下，有效提高了复合抛物面聚光器结构约20°的视场角。
(2)本发明将设计得到的透镜壁复合抛物面聚光器和半球形透镜组合，两者互补，得到一种光学增益高，视场角大，信道性能好，且光斑尺寸小、能量分布均匀的两级光学接收天线。
(3)本发明设计是基于室内可见光通信系统信道性能的要求，在系统光学接收端安装此光学天线操作简便，且能得到较高的光学接收功率和稳定的信噪比，室内盲区大大减小。
附图说明
图1为本发明的一种基于可见光通信的光学接收天线结构示意图。
图2为本发明实施例1中的光学接收天线结构示意图。
图3为本发明实施例1中的复合抛物面聚光器截面示意图。
图4为本发明实施例1中的透镜壁复合抛面聚光器示意图。
图5为本发明实施例1中透镜壁复合抛物面聚光器汇聚光线示意图。
图6为本发明实时例1中无光学天线直接接收的光斑分布。
图7为本发明实时例1中安装透镜壁复合抛物面聚光器的光斑分布。
图8为本发明实时例1中安装光学接收天线的光斑分布。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种基于可见光通信的光学接收天线，包括透镜壁复合抛物面聚光器10、半球形透镜20和反射腔30。进一步地，如图2所示，透镜壁复合抛物面聚光器10包括第一内表面11、第一外表面12、第二内表面13和第二外表面14，半球形透镜20包括第三外表面21和第四外表面22；进一步地，如图3所示，第一外表面12的截面基本曲线可以通过以下方程来描述：
式中θ是复合抛物面结构的半视场角，为复合抛物面结构出射口的直径，是入射口的直径大小，f为抛物线的焦距，tc是C点的参数，H为CPC的高度。
通过给定的C和数值得到对应H、θ和f的值。得到曲线方程如下：
进一步地，如图4所示，第一外表面12的截面曲线作为基准曲线，以顶点为旋转中心，得到第一内表面11，第一内表面11和第一外表面12夹角为δ；进一步地，如图5所示，复合抛物面聚光器视场角外的光线入射到第一内表面11上产生折射，所述第一内表面11折射产生光线在第一外表面12发生折射或全反射，所述第一外表面12折射产生的光线在反射腔30产生反射，所述反射腔30反射产生的光线先后在第一外表面12、第一内表面11、第二内表面13和第二外表面14产生折射。旋转角度δ、第二内表面13和第二外表面14之间的厚度BH通过软件仿真与通过Taguchi正交试验方法得到最优化参数；旋转角度δ的大小在3°～6°之间，厚度BH为3mm～5mm；
进一步地，所述半球形透镜20主要是起到增大视场角和减小光斑直径的作用；所述透镜壁复合抛物面聚光器10折射产生的光线在第三外表面21产生折射并汇聚于第四外表面22。进一步地，如图6所示，所述复合抛物面聚光器作为光学前端，起到聚光的作用，光学增益约为4.09，且可见光能量集中分布在光斑外围，均匀性差。进一步地，如图7所示，所述透镜壁复合抛物面聚光器10作为光学前端，光学增益是7.23，且光斑均匀性明显优于复合抛物面聚光器，但是其光斑尺寸较大，和可见光通信系统中光电探测器小尺寸存在矛盾。进一步地，如图8所示，所述一种基于可见光通信的光学接收天线作为光学前端，光学增益为11.49，且光斑均匀性好，光斑半径仅2.5mm，较复合抛物面聚光器和透镜壁复合抛物面聚光器减小了近37.5％，使得可见光能量集中分布，更加高效地被接收和利用。
上述实施例仅为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于可见光通信的光学接收天线，其特征在于，其包括透镜壁复合抛物面聚光器
(10)、半球形透镜(20)和反射腔(30)；所述透镜壁复合抛物面聚光器(10)包括第一内表面(11)、第一外表面(12)、第二内表面(13)和第二外表面(14)；第一外表面(12)的截面曲线满足复合抛物面聚光器截面曲线的基本特性，第一外表面(12)的截面曲线旋转角度δ后得到第一内表面(11)的截面曲线；第二内表面(13)和第二外表面(14)相互平行，之间厚度为BH，分别水平设置在第一内表面（11）和第一外表面（12）的底面；反射腔（30）对称设置于第一外表面（12）的外侧；半球形透镜（20）包括球面和第四外表面（22），半球形透镜（20）的半径和第二外表面（14）相等，半球形透镜（20）设置在第二外表面（14）下方。
2.根据权利要求1所述的基于可见光通信的光学接收天线，其特征在于，透镜壁复合抛物面聚光器(10)和半球形透镜(20)的材料均为PMMA。
3.根据权利要求1所述的基于可见光通信的光学接收天线，其特征在于，旋转角度δ的大小在3°~6°之间。
4.根据权利要求1所述的基于可见光通信的光学接收天线，其特征在于，厚度BH为3mm~5mm。
5.根据权利要求1所述的基于可见光通信的光学接受天线，其特征在于，透镜壁复合抛物面聚光器(10)、半球形透镜(20)和反射腔(30)通过Taguchi正交试验方法得到最优化参数，组合成两级光学接收天线。
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