CN110941085A - 一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法 - Google Patents

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任万楼
邓宏亮
刘聪
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Abstract

本发明公开了一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，涉及可见光通信技术领域。所述天线包括优化的二元复合抛物面聚光器，滤光片，菲涅尔透镜。所述二元复合抛物面聚光器为中空的圆锥体结构，其内表面涂有增加光反射的铝质材料，所述菲涅尔透镜为塑料材质，聚光器底部为通孔，通孔下方为定制滤光片，能有效滤除其他波段的干扰，有效提高信噪比，同时提升通信系统的传输距离。本发明公开了一种新型的二元复合抛物面作为可见光通信接收天线设计方法。该设计方法能够增大接收视场角，减少可见光信号在传输过程中的路径损耗，增强可见光在接收端的光照均匀度，提升了可见光通信系统的整体属性，具有极大的应用前景。

Description

一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，具体为一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法。
背景技术
可见光通信是一种新型的通信方式，接收光学天线是LED可见光通信系统的重要组成部分，它能够收集大气散射的微弱信号，并对其进行滤波，可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用，利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景，与目前使用的无线局域网(无线LAN)相比，“可见光通信”系统可利用室内照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，未来传输速度还可能超过光纤通信，利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在室内灯光照到的地方，就可以长时间下载和上传高清晰画像和动画等数据，该系统还具有安全性高的特点，用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至室外，同时使用多台电脑也不会影响通信速度，由于不使用无线电波通信，对电磁信号敏感的医院等部门可以自由使用该系统。
目前可见光接收端常用的接收光学器件是光学凸透镜，光学凸透镜的视场角较小，不能满足大角度收集信号的要求，因此采用复合抛物面作为光学接收天线，复合抛物面聚光器(CPC)是基于边缘光学原理设计的一种非成像聚光器，最初应用于太阳能聚光，它能够将特定角度范围内的光汇聚到探测器表面，但在实际应用中，标准CPC由于体积大，加工困难，难以满足实际通信的要求，因此需要对现有的CPC进行优化设计，来满足实际应用的需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，包括以下步骤：
S1、建立平板型复合抛物面聚光器模型；
S2、为了减少所述复合抛物面聚光器的体积，基于步骤S1中建立的所述模型，对所述复合抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数；
S3、确定可见光通信过程中光信号能量的路径损耗；
S4、根据所述步骤S2中确定的与截取比有关的参数以及所述步骤S3中确定的光信号能量的路径损耗，确定最优截取比；
S5、进一步地，所述步骤S1中建立平板接收型复合抛物面聚光器模型，具体包括：其反射面的抛物面方程由聚光比和底部长度确定，在反射面内部具有电介质层，且电介质层形状及厚度由反射面的抛物面绕其上边缘点向内旋转形成；
S6、进一步地，对所述步骤中所述抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数；
S7、具体包括：通过以下公式分别确定复合符合抛物面聚光器的几何聚光比和视场角：
Figure BDA0002251500190000031
Figure BDA0002251500190000032
其中，b表示出射面半径，k表示截取比，其定义为符合抛物面的高度h小于标准复合抛物面高度hmax，定义截取比为k＝h/hmax(0<k<1)；xk表示当截取比为k时的入射面半径，即ak。
进一步地，对所述步骤S3中确定LED可见光通信过程中光信号能量的路径损耗，具体包括；
Figure BDA0002251500190000033
其中，D为发射端到接收端的传输距离，gs(θ)是归一化空间分布函数，通常在数据手册中给出，Ar为探测器面积，α为从发射端的中心连线到接收端法线之间的夹角，θmax为LED光束最大半角。
进一步优化本技术方案，所述步骤S4中确定最优截取比，具体包括：将所述几何聚光比c(θ0,k)和视场角θk带入所述路径损耗公式，从而得到所述最佳截取比。
本发明提供了一种复合抛物面接收天线，包括：基于上述制造的复合抛物面聚光器以及定制滤光片，所述复合抛物面聚光器为中空的圆锥结构，内表面贴有增加反射的光学薄膜，底部具有通孔，所述定制滤光片设置在所述通孔的下方。进一步优化本技术方案，所述菲涅尔透镜为塑料材质。
进一步优化本技术方案，所述所述菲涅尔透镜置于抛物面聚光器内部。
进一步优化本技术方案，所述所述复合抛物面聚光器为中空的圆锥体结构。
进一步优化本技术方案，所述滤光片置于抛物面聚光器的出口处。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，具备以下有益效果：
该二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，解决现有符合抛物面接收天线难以满足的实际应用问题，提供了一种小体积、大视场角的优化设计方法，基于该方法提供的复合抛物面接收天线，采用了定制滤光片，能有效地滤除其他波段的噪声干扰，有效地提高信噪比，该设计方法能够增大接收视场角，减少可见光信号在传输过程中的路径损耗，增强可见光在接收端的光照均匀度，提升了可见光通信系统的整体属性，具有极大的应用前景。
附图说明
图1是根据本发明所提供方法的示意图；
图2是本发明的新型抛物面接受天线的示意图。
图中编号名称，1、抛物线反射面，2、电介质，3、菲涅尔透镜，4、定制滤光片,5、菲涅尔透镜具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
请参考图1-2，本发明公开了一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，包括以下步骤：
S1、建立平板型复合抛物面聚光器模型；
S2、为了减少所述复合抛物面聚光器的体积，基于步骤S1中建立的所述模型，对所述复合抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数；
S3、确定可见光通信过程中光信号能量的路径损耗；
S4、根据所述步骤S2中确定的与截取比有关的参数以及所述步骤S3中确定的光信号能量的路径损耗，确定最优截取比；
S5、进一步地，所述步骤S1中建立平板接收型复合抛物面聚光器模型，具体包括：其反射面的抛物面方程由聚光比和底部长度确定，在反射面内部具有电介质层，且电介质层形状及厚度由反射面的抛物面绕其上边缘点向内旋转形成；
S6、进一步地，对所述步骤中所述抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数；
S7、具体包括：通过以下公式分别确定复合符合抛物面聚光器的几何聚光比和视场角：
Figure BDA0002251500190000061
Figure BDA0002251500190000062
其中，b表示出射面半径，k表示截取比，其定义为符合抛物面的高度h小于标准复合抛物面高度hmax，定义截取比为k＝h/hmax(0<k<1)；xk表示当截取比为k时的入射面半径，即ak。
进一步地，对所述步骤S3中确定LED可见光通信过程中光信号能量的路径损耗，具体包括；
Figure BDA0002251500190000063
其中，D为发射端到接收端的传输距离，gs(θ)是归一化空间分布函数，通常在数据手册中给出，Ar为探测器面积，α为从发射端的中心连线到接收端法线之间的夹角，θmax为LED光束最大半角。
作为本实施例的具体优化方案为，所述步骤S4中确定最优截取比，具体包括：将所述几何聚光比c(θ0,k)和视场角θk带入所述路径损耗公式，从而得到所述最佳截取比。
本发明提供了一种复合抛物面接收天线，包括：基于上述制造的复合抛物面聚光器以及定制滤光片，所述复合抛物面聚光器为中空的圆锥结构，内表面贴有增加反射的光学薄膜，底部具有通孔，所述定制滤光片设置在所述通孔的下方。作为本实施例的具体优化方案为。
作为本实施例的具体优化方案为，所述菲涅尔透镜为塑料材质。
作为本实施例的具体优化方案为，所述所述菲涅尔透镜置于抛物面聚光器内部。
作为本实施例的具体优化方案为，所述所述复合抛物面聚光器为中空的圆锥体结构。
作为本实施例的具体优化方案为，所述滤光片置于抛物面聚光器的出口处。
本发明的有益效果是：该二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，解决现有符合抛物面接收天线难以满足的实际应用问题，提供了一种小体积、大视场角的优化设计方法，基于该方法提供的复合抛物面接收天线，采用了定制滤光片，能有效地滤除其他波段的噪声干扰，有效地提高信噪比，该设计方法能够增大接收视场角，减少可见光信号在传输过程中的路径损耗，增强可见光在接收端的光照均匀度，提升了可见光通信系统的整体属性，具有极大的应用前景。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立平板型复合抛物面聚光器模型；
S2、为了减少所述复合抛物面聚光器的体积，基于步骤S1中建立的所述模型，对所述复合抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数；
S3、确定可见光通信过程中光信号能量的路径损耗；
S4、根据所述步骤S2中确定的与截取比有关的参数以及所述步骤S3中确定的光信号能量的路径损耗，确定最优截取比；
S5、进一步地，所述步骤S1中建立平板接收型复合抛物面聚光器模型，具体包括：其反射面的抛物面方程由聚光比和底部长度确定，在反射面内部具有电介质层，且电介质层形状及厚度由反射面的抛物面绕其上边缘点向内旋转形成；
S6、进一步地，对所述步骤中所述抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数；
S7、具体包括：通过以下公式分别确定复合符合抛物面聚光器的几何聚光比和视场角：
Figure FDA0002251500180000011
Figure FDA0002251500180000012
其中，b表示出射面半径，k表示截取比，其定义为符合抛物面的高度h小于标准复合抛物面高度hmax，定义截取比为k＝h/hmax(0<k<1)；xk表示当截取比为k时的入射面半径，即ak。
进一步地，对所述步骤S3中确定LED可见光通信过程中光信号能量的路径损耗，具体包括；
Figure FDA0002251500180000021
其中，D为发射端到接收端的传输距离，gs(θ)是归一化空间分布函数，通常在数据手册中给出，Ar为探测器面积，α为从发射端的中心连线到接收端法线之间的夹角，θmax为LED光束最大半角。
2.根据权利要求1所述的一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，其特征在于，所述步骤S4中确定最优截取比，具体包括：将所述几何聚光比c(θ0,k)和视场角θk带入所述路径损耗公式，从而得到所述最佳截取比。
3.根据权利要求1所述的一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，其特征在于，本发明提供了一种复合抛物面接收天线，包括：基于上述制造的复合抛物面聚光器以及定制滤光片，所述复合抛物面聚光器为中空的圆锥结构，内表面贴有增加反射的光学薄膜，底部具有通孔，所述定制滤光片设置在所述通孔的下方。
4.根据权利要求1所述的一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，其特征在于，所述菲涅尔透镜为塑料材质。
5.根据权利要求1所述的一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，其特征在于，所述所述菲涅尔透镜置于抛物面聚光器内部。
6.根据权利要求1所述的一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，其特征在于，所述所述复合抛物面聚光器为中空的圆锥体结构。
7.根据权利要求1所述的一种二元复合抛物面可见光通信接收天线设计方法，其特征在于，所述滤光片置于抛物面聚光器的出口处。
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