一种用于可见光通信系统的LED阻抗匹配方法与流程

本发明涉及可见光通信领域，更具体地，涉及一种用于可见光通信的led阻抗匹配方法

背景技术：

基于led的可见光通信将通信和照明结合起来，是下一代无线通信的重点。和射频、毫米波等无线通信对比，可见光通信频谱资源丰富；没有电磁辐射，能在电磁辐射限制严格的场所使用；以及保密性好。

在高速的可见光通信系统中，如果传输线与负载不匹配，传输线上有驻波存在，这样一方面会使传输线功率容量降低。另一方面会增加衰减，使得负载无法获得最大功率。目前的led制造都不带阻抗匹配设计，输出阻抗较小，一般只有几ω-30ω左右，与通信系统的50ω阻抗失配，会导致通信信号输入led界面的时候发生发射，直接影响了led发射模块发射高速信号的质量。

技术实现要素：

针对的现有可见光通信系统中，led阻抗与通信系统中其他模块50ω的标准阻抗之间失配的问题，对led这种复数阻抗在较宽的带宽内实现较好的阻抗匹配，本发明提供了一种用于可见光通信系统的led阻抗匹配方法，具体包括以下步骤：

步骤1：采用矢量网络分析仪测量目标led的s11特性曲线，并将得到的s1p文件及测试用的pcb版图导入ads软件中；

步骤2：串联测试用pcb版图，sma接口模型和led等效电路模型，用ads软件对测得的s11特性曲线进行拟合，获得led的寄生参数网络；

步骤3：以获得的led寄生参数网络为负载，通过给定的带宽，阻抗变换比和最大衰减，估算低通滤波器原型阻抗变换器的阶数n，设计归一化低通原型阻抗变换器；

步骤4：根据步骤2中获得的负载阻抗及频率映射，由归一化元件值求得各元件的实际值；

步骤5：采用理查德变换和kuroda等效将步骤3得到的阻抗变换器转变成微带线结构并设计pcb电路。

在一种优选方案中，步骤2中的等效电路模型包括封装寄生参数网络、led芯片寄生参数网络及led-pd本征响应网络。封装寄生参数网络包括第一寄生电容cp、第一寄生电感lp及第一寄生电容rp。led芯片寄生参数网络包括第二寄生电容cc及第二寄生电阻rc。步骤2中的s11特性曲线只与led等效电路模型中的封装寄生参数网络及led芯片寄生参数网络有关，与led-pd本征响应网络无关。拟合led的s11特性曲线就可以得到led的寄生参数网络。

在一种优选方案中，步骤3中的归一化低通原型阻抗变换器包括n个串接的归一化电感和n个并接的归一化电容，它们交替连接。

在一种优选方案中，步骤5中的微带线结构，为n级串联“l”型网络。

在一种优选方案中，该方法进一步包括：设计的阻抗匹配网络既可以集成在可见光通信系统发射模块的pcb上，也可以在led封装壳内制作在led封装和散热陶瓷基板上。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种用于可见光通信系统的led阻抗匹配方法将可见光通信系统发射模块集成在可见光通信系统发射模块的pcb上，也可以制作在介电常数为30-50的led封装壳内的陶瓷衬底上，降低led输入信号界面的反射，提高通信效率的同时，显著缩小可见光通信发射模块的尺寸。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图。

图2是根据实施例2示出的led等效电路模型示意图。

图3是根据实施例2示出的一种低通阻抗变换器归一化原型示意图。

图4是根据实施例2示出的一种“l”型微带线led阻抗匹配电路示意图。

图5是根据实施例2示出的一种片外阻抗匹配网络示意图。

图6时根据实施例2示出的一种片内阻抗匹配网络示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

请参考图1，本发明提供了一种用于可见光通信系统的led阻抗匹配方法，具体包括以下步骤：

步骤1：采用矢量网络分析仪测量目标led的s11特性曲线，并将得到的s1p文件及测试用的pcb版图导入ads软件中；

步骤2：串联测试用pcb版图，sma接口模型和led等效电路模型，用ads软件对测得的s11特性曲线进行拟合，获得led的寄生参数网络；

步骤3：以获得的led寄生参数网络为负载，通过给定的带宽，阻抗变换比和最大衰减，估算低通滤波器原型阻抗变换器的阶数n，设计归一化低通原型阻抗变换器；

步骤4：根据步骤2中获得的负载阻抗及频率映射，由归一化元件值求得各元件的实际值；

步骤5：采用理查德变换和kuroda等效将步骤3得到的阻抗变换器转变成微带线结构并设计pcb电路。

在一种优选实施方案中，步骤2中的等效电路模型包括封装寄生参数网络、led芯片寄生参数网络及led-pd本征响应网络。封装寄生参数网络包括第一寄生电容cp、第一寄生电感lp及第一寄生电容rp。led芯片寄生参数网络包括第二寄生电容cc及第二寄生电阻rc。步骤2中的s11特性曲线只与led等效电路模型中的封装寄生参数网络及led芯片寄生参数网络有关，与led-pd本征响应网络无关。拟合led的s11特性曲线就可以得到led的寄生参数网络。

在一种优选实施方案中，步骤3中的归一化低通原型阻抗变换器包括n个串接的归一化电感和n个并接的归一化电容，所述的归一化电感和归一化电容交替连接。

在一种优选实施方案中，步骤5中的微带线结构，为n级串联“l”型网络。

在一种优选实施方案中，该方法进一步包括：设计的阻抗匹配网络既可以集成在可见光通信系统发射模块的pcb上，也可以在led封装壳内制作在led封装和散热陶瓷基板上。

实施例2

本实施例与实施例1内容一致，仅对实施例1提供的一种用于可见光通信系统的led阻抗匹配方法进行进一步地限定。

在步骤1中，本发明首先将led焊接到带sma接口的pcb板上，用矢量网络分析仪测得目标led的s11特性曲线。并将得到的s1p文件及测试用的pcb板的板层结构都导入ads软件中，为下一步的提取led寄生参数网络做准备。s1p文件是常见的线性s参数数据文件，可以直接被ads读取。

在步骤2中，如图2所示的led等效电路模型包括：封装寄生参数网络201、led芯片寄生参数网络202及led-pd本征响应网络203。封装寄生参数网络201包括第一寄生电容cp、第一寄生电感lp及第一寄生电容rp。led芯片寄生参数网络202包括第二寄生电容cc及第二寄生电阻rc。

led等效电路模型的s11参数可以表示为：

其中，封装寄生参数网络201与led芯片寄生参数网络202组成的寄生参数网络的s参数为：

δp＝sp11sp22-sp12sp21(3)

γi为led芯片寄生参数网络202与led-pd本征响应网络203之间的反射系数。因为大电流下led相当于一个小阻抗电阻，和led芯片寄生参数网络202中的第二寄生电阻rc相比可以忽略，可以等效成为一个短路电路，所以γi＝-1。所以led等效电路模型的s11参数可以简化为：

只与封装寄生参数网络201及led芯片寄生参数网络202有关，与led-pd本征响应网络203无关。

ads软件中将如图2所示的led等效电路模型中的封装寄生参数网络201及led芯片寄生参数网络202与测试用的pcb板的板层结构模型串联。并用串联网络去拟合步骤1中获得的s1p文件，获得第一寄生电容cp、第一寄生电感lp、第一寄生电容rp及第二寄生电容cc、第二寄生电阻rc的值。本发明采取等效电路拟合的方法直接提取焊接在pcb上面的特性阻抗，不需要采用特殊的夹具进行测量，降低了设计复杂度，成本低廉。

在步骤3中，以步骤1中获得的封装寄生参数网络201及led芯片寄生参数网络202组成的寄生参数网络为负载，以图3所示的低通滤波器原型结构为原型，通过给定的带宽和阻抗变换比及最大衰减，计算出低通原型阻抗变换器的阶数n，设计归一化低通原型阻抗变换器。

在频率f0上使源阻抗z0与负载阻抗zl＝zl1+jzl2匹配，匹配带宽为w，匹配频带内最大衰减为lar，则阻抗变换比：

r＝z0/zl1(5)

因为已知的lar为最大衰减，因此滤波器阶数n该取大于n的最小整数。

在步骤4中，根据步骤2中获得的负载阻抗及频率映射，由归一化元件值求得各元件的实际值。因为各元件值是对zl1，f0进行归一化的，因此：

在步骤5中，采用理查德变换和kuroda等效将步骤4中得到的图3所示的由n阶电感和电容组成的阻抗变换器转变成如图4所示的n级串联“l”型微带线匹配网络。本发明采用低通滤波原型阻抗变换器实现led的阻抗匹配，对于led这种复数阻抗在较宽的带宽内，实现较好的阻抗匹配。

进一步地，步骤5中得到的n级“l”型微带线匹配网络，既可以制成如图5所示的外匹配网络，与封装好的led芯片及发射模块的功放，led驱动电路一起，集成在可见光通信系统的发射模块的pcb板上。也可以在步骤3中采用图2所示的led芯片寄生参数网络202为负载设计匹配网络，并如图6所示，将阻抗匹配电路501与led芯片502一起，以介电常数为30-50的陶瓷基板为衬底材料，制作在led的封装基板上，并一起封装在led的封装壳体503内。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。