一种光学天线及LED可见光通信系统技术方案

技术编号:15749602 阅读:597 留言:0更新日期:2017-07-03 13:54
本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种光学天线及LED可见光通信系统
本专利技术涉及可见光通信
,具体涉及一种光学天线及LED可见光通信系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此,为了解决现有技术中的上述问题,本专利技术提出一种光学天线及LED可见光通信系统。本专利技术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。本专利技术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专利技术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专利技术的一些实施例,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专利技术的上述目的、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专利技术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专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本专利技术中的实施例,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,都属于本专利技术保护的范围。实施例1本专利技术提供一种光学天线,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本文档来自技高网...
一种光学天线及LED可见光通信系统

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员:魏正军单秀莲郭梦月郭健平王金东王申涛
申请(专利权)人:华南师范大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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