角度分集型填充式复合抛物面聚光器的光学接收天线的制作方法

本发明涉及可见光通信应用领域的接收天线技术，具体涉及以填充式复合抛物面聚光器为基本单元的角度分集型光学接收天线。用于以白光LED为光源的室内可见光通信系统的大角度光信号接收，可在保证接收增益的同时提高接收视场角。
背景技术：
：可见光通信(VisibleLightCommunication，VLC)是以白光发光二极管(LED)为光源的一种新型无线光通信技术，它不占用频谱带宽，无电磁干扰，兼具照明和通信功能，因而是一种极具发展潜力的通信方式。系统的光学接收天线放在接收器前会聚尽可能多的光能量到探测器接收面上，也称为光学聚光器或光学接收机前端。由于室内VLC系统光源的LED发射角较大，为此要求接收光学天线有较大的视场，视场角较小时在室内的一些位置垂直向上接收会出现通信盲区。传统光学天线大多增益大就会视场小，而视场角大时难保聚焦效果好，因此难以适用于VLC系统。复合抛物面聚光器(CompoundParabolicConcentrator，CPC)是根据边缘光线原理设计的非成像聚光器，它由两条对称的抛物线绕对称轴旋转而成，凡是入射角度小于CPC视场角的光线都能够被反射到底部接收端，具有较大的视场以及小角度下增益较高的特点。技术实现要素：本发明提供一种角度分集型填充式复合抛物面聚光器的光学接收天线,可用于以白光LED为光源的室内可见光通信系统的大角度光信号接收，可在保证接收增益的同时提高接收视场角。同时，将梯度折射率渐变透镜切削成CPC的形状，然后填充入CPC结构中，形成组合式光学天线结构，可根据不同视场要求更换CPC的填充透镜，达到不同接收效果。一种填充式复合抛物面聚光器的光学接收天线，包括主体结构、至少四个复合抛物面聚光器以及接收器；所述复合抛物面聚光器嵌入主体结构表面，其入射口朝外，出射口下端设置一个接收器，用于探测复合抛物面聚光器接收到的信号；所述复合抛物面聚光器的内部填充有折射率渐变的透镜；折射率从中心向外逐渐变小；折射率渐变的方向为球对称分布，透镜的对称轴即为复合抛物面聚光器的中心轴。较佳的，所述主体结构为半球形壳体结构。较佳的，复合抛物面聚光器在主体结构上分布的方式满足：所有复合抛物面聚光器形成的视场角为2π球面度，即水平方向360°，垂直方向180°；复合抛物面聚光器在主体结构上分布的方式为：其中一个复合抛物面聚光器设置在球形主体结构的顶端，其余复合抛物面聚光器环绕顶端的复合抛物面聚光器设置，且复合抛物面聚光器在主体结构上相对于主体结构的中心轴对称分布。较佳的，环绕在顶端外围的复合抛物面聚光器至少为1圈。较佳的，所述透镜的焦点与复合抛物面聚光器的焦点重合。较佳的，所述透镜的上表面和下表面均为凸面、平面或者凹面。较佳的，所述透镜的上表面和下表面为平面。较佳的，透镜的材料为PMMA的聚甲基丙烯酸甲酯。较佳的，透镜的折射率在半径为r处的分布为：k＝0.1，n0＝1.4935为透镜中心处的折射率。较佳的，每个复合抛物面聚光器为截短型，且截取比范围为0.4到0.6。与传统的CPC光学接收天线相比，本发明的天线的优势在于：1、作为接收单元的CPC属于非成像器件，设计时不用考虑像差、色差等因素的影响，具有较大的整体视场和每个接收单元的小视场具有高增益的特点，凡是入射角小于其单元视场角的光线最终都能被探测器所接收，因此适合用在发射角度较大的LED可见光通信系统中用于收集光能；角度分集型复合CPC光学天线可以达到的整体视场角大，水平方向最高可达到360°，垂直方向最高可达到180°。能够有效防止通信中盲区的出现，且每个CPC单元在半球中对称排列，放在房间中的任意位置都不会影响接收效果；采用角度分集接收技术，在保持光学天线大视场的同时，不牺牲系统的光能量接收增益。2、由于渐变折射率透镜的光线汇聚功能，可以有效减少光斑大小，提高探测器的单位面积上的接收能量，提高光学接收天线的接收灵敏度；可以根据不同应用要求，选择不同材料与变化规律的渐变折射率透镜填充同一规格的CPC，灵活多变；在接收相同视场角下的光信号时，天线体积更小，灵巧方便，更适合在室内光接收时使用，且具备组成微型阵列的可能性。附图说明图1角度分集型CPC复合接收天线布局和经线接收视场覆盖示意图；图2为单个CPC的剖面结构侧视图；图3角度分集CPC接收天线俯视图；图4角度分集型CPC复合接收天线空间分集接收示意图；图5填充式CPC光学天线的内部填充透镜折射率变化的剖面示意图，其中，曲线线条是等折射率线；图6-(a)、6-(b)、6-(c)填充式CPC光学天线内部填充透镜形状的剖面示意图(斜线表示透镜填充区域)，图6-(a)透镜表面是球面，高于CPC入射口面，最外层半径为透镜球心到CPC入射口边缘的距离；图6-(b)透镜表面是平面，与CPC入射口面平行；图6-(c)透镜表面是球面，低于CPC入射口面，最外层半径为透镜球心到CPC入射口表面的垂直距离；图7为CPC填充入图6中三种不同透镜形状时，接收天线随入射光角度变化的能量接收效率；图8球梯度折射率透镜中心相对CPC位置的示意图；图9填充式CPC与单独CPC的在不同入射光角度下的传输效率比较；图10为CPC角度分集APD接收信号求和电路原理框图；图11为CPC角度分集APD接收信号判别处理电路原理框图。1-复合抛物面聚光器(CPC)，2-主体结构。具体实施方式下面结合附图对本发明进一步详细说明。本发明是针对室内白光LED可见光高速通信的宽视场接收而设计的。室内白光LED通信因为要兼顾系统的照明功能，又受限于单个LED灯的功率，因此需要多组LED的多灯源布局。不同光源布局下，房间内各位置处接收信号角度的要求就不同，因此需要较大的接收天线视场角。鉴于以上需求分析，本发明提供了一种角度分集型填充式复合抛物面聚光器CPC的光学接收天线，采用复合抛物面聚光器CPC作为室内白光LED通信接收的基本单元，由于CPC属于非成像聚光器，凡是入射角小于其最大视场角的光线，经过反射都能够达到接收端。如图1所示，包括主体结构2、至少四个复合抛物面聚光器CPC1以及接收器；复合抛物面聚光器1设置在主体结构2表面，其入射口朝外，出射口下端设置一个接收器，用于接收复合抛物面聚光器CPC1接收的信号。其中，主体结构2为半球形壳体结构。如图2所示，CPC1是由两条对称的抛物线AC与BD绕中心轴旋转得到的，a,b分别为CPC1的入射口半径和出射口半径，AD与BC的半夹角θmax为CPC1的接收半视场角。当入射光线的入射角度小于或者等于θmax时，光线能够直接到达或者经过反射到达CPC1的下端开口并被位于下开口处的光电接收器所接收；当光线入射角度大于θmax时，光线经过多次反射最终从CPC1的入射口射出不能被利用。CPC1的几何聚光比即视场角越大，聚光比越小。与大多数非成像光学接收器一样，CPC1的聚光比和增益随视场角的增大而变小。因此采用单个CPC1接收难以满足系统对视场角与增益的双重需求。角度分集型CPC1接收天线将多个CPC1按一定分布固定在一个半球构架上作为室内VLC系统的光能接收前端，由多个CPC1对光信号进行分角度分集接收，能够扩大接收视场，有效解决单一CPC1保证增益就会视场不足的问题。如图1，O为接收半球构架的球心，同时也是系统的坐标原点，O1～O3分别是相应的CPC1入射面的圆心位置。对于包含垂直轴的接收面即yoz平面，如要达到180°视场的设计目标，每个CPC1的视场角设计为FOV1＝180/n1，这里n1为yoz剖面上的CPC1个数。为了使天线视场的下边限与水平面平行，在侧面放置的每一个CPC1相对于xoy平面都要有半视场角的倾斜。这里为计算方便，选择单元CPC1的半视场角为30°，全视场60°，于是n1＝3，半球面的半径为60mm，在yoz平面放置3个CPC1，第一CPC1的入射面圆心O1为球面的顶点，第二CPC1和第三CPC1相对于xoy面各有30°的倾斜，根据球面半径与倾斜角可以分别计算出第二CPC1和第三CPC1的入射面圆心位置O2和O3的坐标。如图3所示，接收天线共由7个CPC1组成，其中，中心处1个，周围均匀对称分布6个。为了实现xoy平面360°的视场，xoy平面的CPC1个数为360°÷60°＝6个(包括第二CPC1和第三CPC1)，每个CPC1的光轴相对xoy面都有30°的倾斜。因此本设计共采用7个半视场角为30°的CPC1组成分集接收型光学天线，每个CPC1的出射口都放置一个探测器对光能进行接收，各个CPC1入射面圆心的坐标位置和参数分别列于表1。表1图4构建了室内VLC系统LED光源与接收天线的一种方位关系，如图可见，在不同入射方向入射的光线均可被角度分集复合型光学接收天线的不同CPC1所接收。相比单一CPC1构成的接收天线，这种多元组合布局可以扩大视场，满足多光源多路径多角度入射的接收要求。如图5所示，在每个CPC中集成入一个渐变折射率透镜，其上表面与CPC入射口平齐，下表面与CPC出射口平齐，其折射率呈中心对称分布，中心处最大，折射率向半径方向逐渐变小。这样可以对CPC出射光能进一步会聚，以便于与小面积光电探测器相匹配。CPC的聚光比和增益随视场角的增大而迅速变小，因此采用单独一个CPC接收难以满足系统对视场角与增益的双重需求。而在CPC内部填充入折射率梯度渐变透镜后，光线根据透镜中折射率的梯度分布，会向焦点处弯曲，许多本来会被CPC内壁反射出去的光线，经过渐变折射率透镜后最终可以到达探测器接收端，扩大了接收的视场角，同时，也保证了CPC自身的面积增益，有效解决单一CPC保证增益就会导致视场不足的问题。接收天线的增益为G增益＝ηopt×Cg，ηopt为光线传输效率，Cg为CPC的几何聚光比。内部填充的透镜形状决定了该设计接收天线的接收效率与增益。对比图6-(a)、(b)、(c)三种结构，图6-(a)是透镜表面高出CPC的入射面，图6-(b)是透镜表面与CPC入射面齐平，图6-(c)是透镜表面低于CPC入射面的情况，图6-(a)和图6-(c)的表面是球面，图6-(b)的表面是平面；所以，三种结构的面积增益分别为：由此可以针对θmax从5°增大到85°的情况，分别求出以上三种结构的面积增益，汇总到表2。表2三种结构下面积增益随θmax的变化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从表2可以看出，三种结构的面积增益均随θmax的增大而迅速减小，图6-(c)结构的面积增益明显小于前两种，所以优选前面两种结构。CPC的θmax大于35°时，面积增益已经下降了，所以在选择CPC尺寸时尽量选择θmax小于35°。通过表2中的Cg2/Cg1一项可以看出，此时图6-(a)和图6-(b)的面积增益基本一样。这三种结构的光学效率随入射角度的变化而变化，由图7具体显示。(图7数据是在CPC的θmax＝30°，焦距f＝3mm，出射口径b＝1.92mm情况下模拟得出的结果)。通过图7可知，在入射光线角度为0—45°范围内时，光信号的传输效率始终保持在91％以上，当入射光线角度大于45°时，图6-(a)和图6-(c)结构的光信号传输效率迅速减小，而图6-(b)的结构则还能保持较良好的传输效率。综合考虑光线传输效率和面积增益，选择图6-(b)所示的入射面为平面的结构。确定透镜的折射率分布形式。梯度折射率根据其折射率渐变的方向分为球对称分布，轴向分布和径向分布。由于CPC是轴对称结构，且对光线的汇聚方向是沿径向，所以设计考虑使用球对称分布，使得球梯度折射率的中心就在CPC的轴上，整体天线结构仍然为轴对称。选择制作透镜的光学材料。材质不同，梯度折射率透镜对光线的折射力度也不同。选择光学材料的标准是是高度透明性和折射率的可调性。与无机材料相比，高分子材料品种多样，具有较宽的折射率范围(nD＝1.3--1.7),并且在可见光区,常见的光学塑料的透过率都可达到90％以上,能满足光学设计的要求。因而本设计选择使用高分子材料制作梯度折射率透镜。根据现有的加工工艺，球梯度折射率透镜的折射率分布函数一般为抛物线型，即n(r)＝n0(1-k1r2)；或Maxwell鱼眼透镜型，即或Luneburg透镜型，即r为离球心的径向距离，R为球的半径，n0为球梯度折射率透镜球心处的折射率，在实际加工中，若梯度折射率透镜的折射率渐变加工深度不够深，也可能出现的情况，即中间是一个折射率不变的小球，小球外层折射率才渐变，仍然关于球心对称。设球梯度折射率透镜的焦距为flens。将球梯度折射率透镜如图8放置，此时，透镜的中心在CPC的轴上，离CPC焦点的长度为透镜本身的焦距，即透镜的焦点与CPC焦点重合。CPC的焦距为fCPC＝b(1+sinθmax)，所以只要CPC的出口半径b和最大聚光角θmax确定，其焦距fCPC就确定了。若以球梯度透镜的球心O’为原点，此时设CPC的中心对称轴为y轴，相当于将之前的坐标原点O(CPC的出射口面的圆心处)向上提高了doo'＝flens-fCPC的距离，则此时透镜的边缘抛物线为：抛物线A:抛物线B：将透镜按照CPC的形状进行切削。将加工得到的球梯度折射率透镜固定在CPC中，或者在透镜的外层镀上全反射膜，即可完成该天线的设计。例如，在尺寸为θmax＝30°，焦距fCPC＝3mm，出射口径b＝1.92mm的CPC中，选择材料为PMMA的聚甲基丙烯酸甲酯作为球梯度透镜的材质，n0＝1.4935，球梯度透镜的折射率分布为：k＝0.1，此时球梯度透镜的焦距为flens＝6.254mm，所以将原坐标系提高doo'＝flens-fCPC＝3.254mm。在该尺寸下用Tracepro模拟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镜(即球梯度透镜的中心位置O’与CPC出射面的圆心O之间距离doo′不同)的传输效率，具体传输效率如表3所示。表3不同入射角下球梯度透镜中心距CPC出口不同时的传输效率(％)通过表3可以看出，仿真结果为doo′仿＝3.5mm时，入射角在20--35°范围内的传输效率最高，整体效果最好，与理论值doo′基本一致。图9是将一个球梯度中心距doo′仿＝3.5mm的填充式接收天线与不填充的CPC接收天线效果作比较，可以看出填充式CPC在视场范围θmax内，接收效率稍低于单个CPC，但仍有大于96％的接收效率；而在原视场范围θmax外，接收效率明显大于单个不填充的CPC。接收天线的增益为Cg为CPC的几何聚光比，θmax＝30°时，η(φ)为不同入射角φ下光线的传输效率。因此，填充式CPC的增益是单独CPC增益的1.4倍。对于低速率的VLC系统，码间串扰的影响可以忽略不计，因此可以将角度分集接收的不同朝向的各路信号直接相加求和，相加后的信号功率增大，由此可获得较高的信噪比。如图10所示，多组LED光源多角度照明入射的信号光，经过不同CPC1接收后经光电探测器APD接收，多个APD输出的电信号经求和电路后，使信号得以增强。在通信速率较高时，对多组LED光源照明会产生同时调制的光信号经多路径入射的问题，此时会发生光电信号码元的前后串扰，尤其会发生在路径距离差异大的信号之间。由于码间串扰的影响信号不能直接相加，此时可用专门的比较电路对信号进行判别选择。如图11所示，由各个CPC1分集接收到的光信号分别由探测器检测接收后分路同比例放大，然后传输到判决电路进行比较判断，最终选择信号最强的那一路作为最终的接收信号，从而获得较高的信噪比和较低的误码率。综上所述，该设计能有效扩大单独CPC的视场角，提高光学增益，以完成室内可见光通信宽视场高增益接收的功能。当前第1页1 2 3