一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线制造技术

本实用新型专利技术属于可见光通信技术领域，具体为一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线。光学接收天线为旋转对称式结构，包括第一、第二外表面，和第一、第二内表面；第一外表面和第一内表面是具有旋转抛物面聚光特性的旋转曲面，第一内表面的旋转曲线由第一外表面的旋转曲线绕顶点旋转角度β后得到；第二外表面是一个平面，第二内表面是半径R的球面；该光学接收天线的光学视场角可达90°，较复合抛物面聚光器提高了近30°；光学增益高达21.53，光学接收端信噪比达82.7944dB以上，且光斑面积能有效减少40%以上；该光学接收天线非复合多级结构，加工安装方便，绿色环保，能够满足室内可见光通信系统的通信需求。

A high gain optical receiving antenna for indoor visible light communication

【技术实现步骤摘要】
一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线
本技术属于可见光通信领技术域，具体涉及一种光学接收天线。
技术介绍
发光二极管（LED）凭借其亮度高、寿命长、功耗低等优势在视觉传输、信息显示和照明等方面得到了广泛的应用，因此LED可见光通信技术应运而生，作为一种利用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，具有绿色环保、无电磁干扰、数据传输速率大、功耗低等特点。在VLC通讯系统中，光学天线作为接收端的重要成分，主要起到汇聚信号光、保证系统的传输带宽以及提高系统信噪比的作用，优化设计的光学天线，不仅能够有效增加接收信号的能量，提高系统信噪比，还能保证通信的高速率和高质量。然而，目前可见光通信技术研讨的主要范畴包含通信信道模型、调制解调技术以及光源的规划布局优化等，关于可见光接收技术的研究甚少。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，但是光学天线视场角和光学增益、信道性能的提升总会存在很多的局限性，光能难以有效利用。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本技术的目的在于提供一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线，该天线为旋转对称式结构，通过透镜结构的优化设计，增大了天线的视场角，实现了高增益，且该天线信道性能较好，能够为可见光通信的高速率和高稳定性提供保证。本技术的目的通过以下技术方案实现：一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线，为旋转对称式结构，参见图1所示；包括：第一外表面10、第二外表面20、第一内表面30和第二内表面40；所述第一外表面10是具有旋转抛物面聚光特性的旋转曲面（凸面），第一内表面30也是具有旋转抛物面聚光特性的旋转曲面，第一内表面30在第一外表面10的内侧；两旋转曲面在上方相交（相交线为圆），记形成两旋转曲面的两两旋转曲线（为抛物型线）的交点为C1，这两个旋转曲线具有如下关系：第一内表面30的旋转曲线由第一外表面10的旋转曲线绕C1向内侧旋转角度β后得到（β即为两旋转曲线在C1点处的切向夹角）；所述第二外表面20是一个平面，与第一外表面10下部相交成圆；所述第二内表面40是半径R的球面（即凸半球面），和第一内表面30相交，其交线为圆，该圆所在平面与第二外表面20的距离为底部壁厚度，记为D。进一步地，所述第二外表面20是半径为5mm-7.5mm的圆形。进一步地，所述第二内表面40的半径R大小在3mm-5mm之间。进一步地，所述底部壁厚D的大小在2.5mm-4.5mm之间。进一步地，所述旋转角度β的大小在3°-5°之间。进一步地，所述光学接收天线的材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。进一步地，所述第二内表面40的半径R、底部壁厚D、旋转角度β的大小通过Taguchi正交试验和ANOVA理论分析得到最优化参数组，所述Taguchi正交试验选定光学增益、光学接收功率与信噪比作为品质特性。与现有技术相比，本技术具有以下优点和有益效果：（1）本技术根据传统可见光通信光学接收天线的局限性，设计了一种新型的透镜结构，光学视场角可达90°，较传统复合抛物面聚光器结构提高了近30°，且光学增益高达21.53，使光能得到了有效利用；（2）本技术所设计光学接收天线的材料为轻便且易于加工的PMMA，聚焦光斑大小较传统结构能有效减小40%以上，且光斑中心区域能量分布均匀，信道性能好；（3）本技术设计是基于室内可见光通信系统信道性能的要求，该设计的光学天线非复合多级天线，安装操作简便，且能得到较高的光学接收功率和稳定的信噪比，使得室内通信盲区大大减小。本技术光学接收天线的光学视场角可达90°，较复合抛物面聚光器提高了近30°；光学增益高达21.53，光学接收端信噪比可达到82.7944dB以上，且光斑面积能有效减少40%以上；该光学接收天线非复合多级结构，加工安装方便，绿色环保，能够满足室内可见光通信系统的通信需求。附图说明图1为本技术的一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线的示意图。图2为本技术实施例中的室内可见光通信模型的示意图。图3为本技术实施例中光斑能量截面分布的示意图。具体实施方式下面结合实施例及附图，对本技术作进一步地详细说明，但本技术的实施方式不限于此。实施例如图1所示，一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线，包括：第一外表面10、第二外表面20、第一内表面30和第二内表面40；所述第一外表面10是具有旋转抛物面聚光特性的旋转曲面（凸面），第一内表面30也是具有旋转抛物面聚光特性的旋转曲面，第一内表面30在第一外表面10的内侧；两旋转曲面在上方相交（相交线为圆），记形成两旋转曲面的两两旋转曲线的交点为C1，这两个旋转曲线具有如下关系：第一内表面30的旋转曲线由第一外表面10的旋转曲线绕C1向内侧旋转角度β后得到；所述第二外表面20是一个平面，与第一外表面10下部相交成圆；所述第二内表面40是半径R的球面（即凸半球面），和第一内表面30相交，其交线为圆，该圆所在平面与第二外表面20的距离为底部壁厚度，记为D。进一步地，第一外表面10的旋转曲线（即纵截面曲线）可以通过以下方程来描述：。式中，，θ是半视场角，是第二外表面20与第一外表面10下部相交圆的直径宽度,是入射口的直径大小，f是纵截面曲线的焦距，tc是C点的参数，H是复合抛物面聚光器(Compoundparabolicconcentrator,CPC)的高度。通过给定的参数构建出截面曲线方程为：。进一步地，所述第二内表面40是半径R的球面且和第一内表面30相交，交点与第二外表面40的距离为底部壁厚D。进一步地，所述第二外表面20是半径为5mm-7.5mm的圆形，第二内表面40的半径R大小在3mm-5mm之间，底部壁厚D的大小在2.5mm-4.5mm之间，旋转角度β的大小在3°-5°之间，光学接收天线的材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。进一步地，如图2所示，模型采用典型的5m×5m×3m房间，其中LED阵列规格是59cm×59cm，每个阵列LED灯珠数目为60×60，单颗LED灯珠的中心光强是0.73cd，LED半功率角度为65°，LED模式数为0.8048，可见光通信光学接收平面距离地面的高度为0.75m。进一步地，室内LED阵列采用照度均方差最小化布局，室内平均照度为1073.2lx。进一步地，采用Taguchi方法优化参数，选择光学接收端的光学增益、光学接收功率和信噪比作为品质特性，选择旋转角度β、底部臂厚D和球面半径R作为控制因子，设计L(34)的正交矩阵进行参数筛选。进一步地，旋转角度β的控制水平分别为：3°、4°和5°；底部壁厚D的控制水平分别为：2.5mm、3.5mm和4.5mm；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线，其特征在于，为旋转对称式结构，包括：第一外表面（10）、第二外表面（20）、第一内表面（30）和第二内表面（40）；所述第一外表面（10）是具有旋转抛物面聚光特性的旋转曲面，第一内表面（30）也是具有旋转抛物面聚光特性的旋转曲面，第一内表面（30）在第一外表面（10）的内侧；两旋转曲面在上方相交，记形成两旋转曲面的两两旋转曲线的交点为C

【技术特征摘要】
1.一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线，其特征在于，为旋转对称式结构，包括：第一外表面（10）、第二外表面（20）、第一内表面（30）和第二内表面（40）；所述第一外表面（10）是具有旋转抛物面聚光特性的旋转曲面，第一内表面（30）也是具有旋转抛物面聚光特性的旋转曲面，第一内表面（30）在第一外表面（10）的内侧；两旋转曲面在上方相交，记形成两旋转曲面的两两旋转曲线的交点为C1，这两个旋转曲线具有如下关系：第一内表面（30）的旋转曲线由第一外表面（10）的旋转曲线绕C1向内侧旋转角度β后得到；所述第二外表面（20）是一个平面，与第一外表面（10）下部相交成圆；所述第二内表面（40）是半径R的半凸球面，和第一内表面（30）相交，其交线为圆，该圆所在平面与第二外表面（20）的距离为底部壁厚度，记为D。


2.根据权利要求1所述的用于室内可见光通信的高增益光学接收天线，其特征在于，第一外表面（10）的旋转曲线由以下方程来描述：



式中，，θ是半视场角，是第二外表面（20）与第一外表面（10）下部相交圆的直径大小，是入射口的直径大小，f是...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令豹，彭星，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：新型
国别省市：上海;31