本發(fā)明涉及可見光通信應用領域的接收天線技術，具體涉及以填充式復合拋物面聚光器為基本單元的角度分集型光學接收天線。用于以白光LED為光源的室內可見光通信系統(tǒng)的大角度光信號接收，可在保證接收增益的同時提高接收視場角。
背景技術：
：可見光通信(VisibleLightCommunication，VLC)是以白光發(fā)光二極管(LED)為光源的一種新型無線光通信技術，它不占用頻譜帶寬，無電磁干擾，兼具照明和通信功能，因而是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ耐ㄐ欧绞健Ｏ到y(tǒng)的光學接收天線放在接收器前會聚盡可能多的光能量到探測器接收面上，也稱為光學聚光器或光學接收機前端。由于室內VLC系統(tǒng)光源的LED發(fā)射角較大，為此要求接收光學天線有較大的視場，視場角較小時在室內的一些位置垂直向上接收會出現(xiàn)通信盲區(qū)。傳統(tǒng)光學天線大多增益大就會視場小，而視場角大時難保聚焦效果好，因此難以適用于VLC系統(tǒng)。復合拋物面聚光器(CompoundParabolicConcentrator，CPC)是根據(jù)邊緣光線原理設計的非成像聚光器，它由兩條對稱的拋物線繞對稱軸旋轉而成，凡是入射角度小于CPC視場角的光線都能夠被反射到底部接收端，具有較大的視場以及小角度下增益較高的特點。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種角度分集型填充式復合拋物面聚光器的光學接收天線,可用于以白光LED為光源的室內可見光通信系統(tǒng)的大角度光信號接收，可在保證接收增益的同時提高接收視場角。同時，將梯度折射率漸變透鏡切削成CPC的形狀，然后填充入CPC結構中，形成組合式光學天線結構，可根據(jù)不同視場要求更換CPC的填充透鏡，達到不同接收效果。一種填充式復合拋物面聚光器的光學接收天線，包括主體結構、至少四個復合拋物面聚光器以及接收器；所述復合拋物面聚光器嵌入主體結構表面，其入射口朝外，出射口下端設置一個接收器，用于探測復合拋物面聚光器接收到的信號；所述復合拋物面聚光器的內部填充有折射率漸變的透鏡；折射率從中心向外逐漸變??；折射率漸變的方向為球對稱分布，透鏡的對稱軸即為復合拋物面聚光器的中心軸。較佳的，所述主體結構為半球形殼體結構。較佳的，復合拋物面聚光器在主體結構上分布的方式滿足：所有復合拋物面聚光器形成的視場角為2π球面度，即水平方向360°，垂直方向180°；復合拋物面聚光器在主體結構上分布的方式為：其中一個復合拋物面聚光器設置在球形主體結構的頂端，其余復合拋物面聚光器環(huán)繞頂端的復合拋物面聚光器設置，且復合拋物面聚光器在主體結構上相對于主體結構的中心軸對稱分布。較佳的，環(huán)繞在頂端外圍的復合拋物面聚光器至少為1圈。較佳的，所述透鏡的焦點與復合拋物面聚光器的焦點重合。較佳的，所述透鏡的上表面和下表面均為凸面、平面或者凹面。較佳的，所述透鏡的上表面和下表面為平面。較佳的，透鏡的材料為PMMA的聚甲基丙烯酸甲酯。較佳的，透鏡的折射率在半徑為r處的分布為：k＝0.1，n0＝1.4935為透鏡中心處的折射率。較佳的，每個復合拋物面聚光器為截短型，且截取比范圍為0.4到0.6。與傳統(tǒng)的CPC光學接收天線相比，本發(fā)明的天線的優(yōu)勢在于：1、作為接收單元的CPC屬于非成像器件，設計時不用考慮像差、色差等因素的影響，具有較大的整體視場和每個接收單元的小視場具有高增益的特點，凡是入射角小于其單元視場角的光線最終都能被探測器所接收，因此適合用在發(fā)射角度較大的LED可見光通信系統(tǒng)中用于收集光能；角度分集型復合CPC光學天線可以達到的整體視場角大，水平方向最高可達到360°，垂直方向最高可達到180°。能夠有效防止通信中盲區(qū)的出現(xiàn)，且每個CPC單元在半球中對稱排列，放在房間中的任意位置都不會影響接收效果；采用角度分集接收技術，在保持光學天線大視場的同時，不犧牲系統(tǒng)的光能量接收增益。2、由于漸變折射率透鏡的光線匯聚功能，可以有效減少光斑大小，提高探測器的單位面積上的接收能量，提高光學接收天線的接收靈敏度；可以根據(jù)不同應用要求，選擇不同材料與變化規(guī)律的漸變折射率透鏡填充同一規(guī)格的CPC，靈活多變；在接收相同視場角下的光信號時，天線體積更小，靈巧方便，更適合在室內光接收時使用，且具備組成微型陣列的可能性。附圖說明圖1角度分集型CPC復合接收天線布局和經(jīng)線接收視場覆蓋示意圖；圖2為單個CPC的剖面結構側視圖；圖3角度分集CPC接收天線俯視圖；圖4角度分集型CPC復合接收天線空間分集接收示意圖；圖5填充式CPC光學天線的內部填充透鏡折射率變化的剖面示意圖，其中，曲線線條是等折射率線；圖6-(a)、6-(b)、6-(c)填充式CPC光學天線內部填充透鏡形狀的剖面示意圖(斜線表示透鏡填充區(qū)域)，圖6-(a)透鏡表面是球面，高于CPC入射口面，最外層半徑為透鏡球心到CPC入射口邊緣的距離；圖6-(b)透鏡表面是平面，與CPC入射口面平行；圖6-(c)透鏡表面是球面，低于CPC入射口面，最外層半徑為透鏡球心到CPC入射口表面的垂直距離；圖7為CPC填充入圖6中三種不同透鏡形狀時，接收天線隨入射光角度變化的能量接收效率；圖8球梯度折射率透鏡中心相對CPC位置的示意圖；圖9填充式CPC與單獨CPC的在不同入射光角度下的傳輸效率比較；圖10為CPC角度分集APD接收信號求和電路原理框圖；圖11為CPC角度分集APD接收信號判別處理電路原理框圖。1-復合拋物面聚光器(CPC)，2-主體結構。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明是針對室內白光LED可見光高速通信的寬視場接收而設計的。室內白光LED通信因為要兼顧系統(tǒng)的照明功能，又受限于單個LED燈的功率，因此需要多組LED的多燈源布局。不同光源布局下，房間內各位置處接收信號角度的要求就不同，因此需要較大的接收天線視場角。鑒于以上需求分析，本發(fā)明提供了一種角度分集型填充式復合拋物面聚光器CPC的光學接收天線，采用復合拋物面聚光器CPC作為室內白光LED通信接收的基本單元，由于CPC屬于非成像聚光器，凡是入射角小于其最大視場角的光線，經(jīng)過反射都能夠達到接收端。如圖1所示，包括主體結構2、至少四個復合拋物面聚光器CPC1以及接收器；復合拋物面聚光器1設置在主體結構2表面，其入射口朝外，出射口下端設置一個接收器，用于接收復合拋物面聚光器CPC1接收的信號。其中，主體結構2為半球形殼體結構。如圖2所示，CPC1是由兩條對稱的拋物線AC與BD繞中心軸旋轉得到的，a,b分別為CPC1的入射口半徑和出射口半徑，AD與BC的半夾角θmax為CPC1的接收半視場角。當入射光線的入射角度小于或者等于θmax時，光線能夠直接到達或者經(jīng)過反射到達CPC1的下端開口并被位于下開口處的光電接收器所接收；當光線入射角度大于θmax時，光線經(jīng)過多次反射最終從CPC1的入射口射出不能被利用。CPC1的幾何聚光比即視場角越大，聚光比越小。與大多數(shù)非成像光學接收器一樣，CPC1的聚光比和增益隨視場角的增大而變小。因此采用單個CPC1接收難以滿足系統(tǒng)對視場角與增益的雙重需求。角度分集型CPC1接收天線將多個CPC1按一定分布固定在一個半球構架上作為室內VLC系統(tǒng)的光能接收前端，由多個CPC1對光信號進行分角度分集接收，能夠擴大接收視場，有效解決單一CPC1保證增益就會視場不足的問題。如圖1，O為接收半球構架的球心，同時也是系統(tǒng)的坐標原點，O1～O3分別是相應的CPC1入射面的圓心位置。對于包含垂直軸的接收面即yoz平面，如要達到180°視場的設計目標，每個CPC1的視場角設計為FOV1＝180/n1，這里n1為yoz剖面上的CPC1個數(shù)。為了使天線視場的下邊限與水平面平行，在側面放置的每一個CPC1相對于xoy平面都要有半視場角的傾斜。這里為計算方便，選擇單元CPC1的半視場角為30°，全視場60°，于是n1＝3，半球面的半徑為60mm，在yoz平面放置3個CPC1，第一CPC1的入射面圓心O1為球面的頂點，第二CPC1和第三CPC1相對于xoy面各有30°的傾斜，根據(jù)球面半徑與傾斜角可以分別計算出第二CPC1和第三CPC1的入射面圓心位置O2和O3的坐標。如圖3所示，接收天線共由7個CPC1組成，其中，中心處1個，周圍均勻對稱分布6個。為了實現(xiàn)xoy平面360°的視場，xoy平面的CPC1個數(shù)為360°÷60°＝6個(包括第二CPC1和第三CPC1)，每個CPC1的光軸相對xoy面都有30°的傾斜。因此本設計共采用7個半視場角為30°的CPC1組成分集接收型光學天線，每個CPC1的出射口都放置一個探測器對光能進行接收，各個CPC1入射面圓心的坐標位置和參數(shù)分別列于表1。表1圖4構建了室內VLC系統(tǒng)LED光源與接收天線的一種方位關系，如圖可見，在不同入射方向入射的光線均可被角度分集復合型光學接收天線的不同CPC1所接收。相比單一CPC1構成的接收天線，這種多元組合布局可以擴大視場，滿足多光源多路徑多角度入射的接收要求。如圖5所示，在每個CPC中集成入一個漸變折射率透鏡，其上表面與CPC入射口平齊，下表面與CPC出射口平齊，其折射率呈中心對稱分布，中心處最大，折射率向半徑方向逐漸變小。這樣可以對CPC出射光能進一步會聚，以便于與小面積光電探測器相匹配。CPC的聚光比和增益隨視場角的增大而迅速變小，因此采用單獨一個CPC接收難以滿足系統(tǒng)對視場角與增益的雙重需求。而在CPC內部填充入折射率梯度漸變透鏡后，光線根據(jù)透鏡中折射率的梯度分布，會向焦點處彎曲，許多本來會被CPC內壁反射出去的光線，經(jīng)過漸變折射率透鏡后最終可以到達探測器接收端，擴大了接收的視場角，同時，也保證了CPC自身的面積增益，有效解決單一CPC保證增益就會導致視場不足的問題。接收天線的增益為G增益＝ηopt×Cg，ηopt為光線傳輸效率，Cg為CPC的幾何聚光比。內部填充的透鏡形狀決定了該設計接收天線的接收效率與增益。對比圖6-(a)、(b)、(c)三種結構，圖6-(a)是透鏡表面高出CPC的入射面，圖6-(b)是透鏡表面與CPC入射面齊平，圖6-(c)是透鏡表面低于CPC入射面的情況，圖6-(a)和圖6-(c)的表面是球面，圖6-(b)的表面是平面；所以，三種結構的面積增益分別為：由此可以針對θmax從5°增大到85°的情況，分別求出以上三種結構的面積增益，匯總到表2。表2三種結構下面積增益隨θmax的變化θmaxCg1Cg2Cg3Cg2/Cg15°131.90131.65130.900.998110°33.4233.1632.410.992415°15.1914.9314.170.983020°8.818.557.780.969825°5.875.604.820.953230°4.294.003.220.933035°3.343.042.240.909640°2.742.421.610.883045°2.342.001.170.853650°2.071.700.860.821455°1.891.490.620.786860°1.781.330.440.750065°1.711.220.310.711370°1.691.130.200.671075°1.701.070.110.629480°1.761.030.050.586885°1.851.010.010.5436從表2可以看出，三種結構的面積增益均隨θmax的增大而迅速減小，圖6-(c)結構的面積增益明顯小于前兩種，所以優(yōu)選前面兩種結構。CPC的θmax大于35°時，面積增益已經(jīng)下降了，所以在選擇CPC尺寸時盡量選擇θmax小于35°。通過表2中的Cg2/Cg1一項可以看出，此時圖6-(a)和圖6-(b)的面積增益基本一樣。這三種結構的光學效率隨入射角度的變化而變化，由圖7具體顯示。(圖7數(shù)據(jù)是在CPC的θmax＝30°，焦距f＝3mm，出射口徑b＝1.92mm情況下模擬得出的結果)。通過圖7可知，在入射光線角度為0—45°范圍內時，光信號的傳輸效率始終保持在91％以上，當入射光線角度大于45°時，圖6-(a)和圖6-(c)結構的光信號傳輸效率迅速減小，而圖6-(b)的結構則還能保持較良好的傳輸效率。綜合考慮光線傳輸效率和面積增益，選擇圖6-(b)所示的入射面為平面的結構。確定透鏡的折射率分布形式。梯度折射率根據(jù)其折射率漸變的方向分為球對稱分布，軸向分布和徑向分布。由于CPC是軸對稱結構，且對光線的匯聚方向是沿徑向，所以設計考慮使用球對稱分布，使得球梯度折射率的中心就在CPC的軸上，整體天線結構仍然為軸對稱。選擇制作透鏡的光學材料。材質不同，梯度折射率透鏡對光線的折射力度也不同。選擇光學材料的標準是是高度透明性和折射率的可調性。與無機材料相比，高分子材料品種多樣，具有較寬的折射率范圍(nD＝1.3--1.7),并且在可見光區(qū),常見的光學塑料的透過率都可達到90％以上,能滿足光學設計的要求。因而本設計選擇使用高分子材料制作梯度折射率透鏡。根據(jù)現(xiàn)有的加工工藝，球梯度折射率透鏡的折射率分布函數(shù)一般為拋物線型，即n(r)＝n0(1-k1r2)；或Maxwell魚眼透鏡型，即或Luneburg透鏡型，即r為離球心的徑向距離，R為球的半徑，n0為球梯度折射率透鏡球心處的折射率，在實際加工中，若梯度折射率透鏡的折射率漸變加工深度不夠深，也可能出現(xiàn)的情況，即中間是一個折射率不變的小球，小球外層折射率才漸變，仍然關于球心對稱。設球梯度折射率透鏡的焦距為flens。將球梯度折射率透鏡如圖8放置，此時，透鏡的中心在CPC的軸上，離CPC焦點的長度為透鏡本身的焦距，即透鏡的焦點與CPC焦點重合。CPC的焦距為fCPC＝b(1+sinθmax)，所以只要CPC的出口半徑b和最大聚光角θmax確定，其焦距fCPC就確定了。若以球梯度透鏡的球心O’為原點，此時設CPC的中心對稱軸為y軸，相當于將之前的坐標原點O(CPC的出射口面的圓心處)向上提高了doo'＝flens-fCPC的距離，則此時透鏡的邊緣拋物線為：拋物線A:拋物線B：將透鏡按照CPC的形狀進行切削。將加工得到的球梯度折射率透鏡固定在CPC中，或者在透鏡的外層鍍上全反射膜，即可完成該天線的設計。例如，在尺寸為θmax＝30°，焦距fCPC＝3mm，出射口徑b＝1.92mm的CPC中，選擇材料為PMMA的聚甲基丙烯酸甲酯作為球梯度透鏡的材質，n0＝1.4935，球梯度透鏡的折射率分布為：k＝0.1，此時球梯度透鏡的焦距為flens＝6.254mm，所以將原坐標系提高doo'＝flens-fCPC＝3.254mm。在該尺寸下用Tracepro模擬仿真在不同角度下的入射光下，在CPC中填充入中心位置不同的球梯度透鏡(即球梯度透鏡的中心位置O’與CPC出射面的圓心O之間距離doo′不同)的傳輸效率，具體傳輸效率如表3所示。表3不同入射角下球梯度透鏡中心距CPC出口不同時的傳輸效率(％)通過表3可以看出，仿真結果為doo′仿＝3.5mm時，入射角在20--35°范圍內的傳輸效率最高，整體效果最好，與理論值doo′基本一致。圖9是將一個球梯度中心距doo′仿＝3.5mm的填充式接收天線與不填充的CPC接收天線效果作比較，可以看出填充式CPC在視場范圍θmax內，接收效率稍低于單個CPC，但仍有大于96％的接收效率；而在原視場范圍θmax外，接收效率明顯大于單個不填充的CPC。接收天線的增益為Cg為CPC的幾何聚光比，θmax＝30°時，η(φ)為不同入射角φ下光線的傳輸效率。因此，填充式CPC的增益是單獨CPC增益的1.4倍。對于低速率的VLC系統(tǒng)，碼間串擾的影響可以忽略不計，因此可以將角度分集接收的不同朝向的各路信號直接相加求和，相加后的信號功率增大，由此可獲得較高的信噪比。如圖10所示，多組LED光源多角度照明入射的信號光，經(jīng)過不同CPC1接收后經(jīng)光電探測器APD接收，多個APD輸出的電信號經(jīng)求和電路后，使信號得以增強。在通信速率較高時，對多組LED光源照明會產生同時調制的光信號經(jīng)多路徑入射的問題，此時會發(fā)生光電信號碼元的前后串擾，尤其會發(fā)生在路徑距離差異大的信號之間。由于碼間串擾的影響信號不能直接相加，此時可用專門的比較電路對信號進行判別選擇。如圖11所示，由各個CPC1分集接收到的光信號分別由探測器檢測接收后分路同比例放大，然后傳輸?shù)脚袥Q電路進行比較判斷，最終選擇信號最強的那一路作為最終的接收信號，從而獲得較高的信噪比和較低的誤碼率。綜上所述，該設計能有效擴大單獨CPC的視場角，提高光學增益，以完成室內可見光通信寬視場高增益接收的功能。當前第1頁1 2 3