本發(fā)明涉及可見光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)天線及LED可見光通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

可見光無線通信因其無電磁干擾、節(jié)能、綠色等優(yōu)點引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。隨著可見光無線通信技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)天線是可見光無線通信非常重要的組成部分。針對不同的無線通信需求，研制出合適的光學(xué)天線系統(tǒng)，最大限度的提高系統(tǒng)通信性能，是目前備受關(guān)注且亟待解決的問題之一。

2000年以來，基于LED的可見光通信技術(shù)得到了廣泛研究，市場中也出現(xiàn)了許多可見光通信產(chǎn)品。傳統(tǒng)的移動通信解決方案主要是對發(fā)射端或者接收端進行改進。發(fā)射端的改進方案主要包括采用目標(biāo)跟蹤技術(shù)和角度空間分集發(fā)射器等。接收端的改進方案主要包括采用信號搜索技術(shù)和角度空間分集接收器等。

根據(jù)調(diào)研，目前室內(nèi)可見光通信的接收天線多為傳統(tǒng)的定焦天線或是多個定焦天線，角度空間分集發(fā)射器和信號搜索等技術(shù)也有出現(xiàn)。若采用傳統(tǒng)的定焦天線或是多個定焦天線組合而成的空間分集天線，在實際通信過程中，當(dāng)通信距離和位置變化時，會使探測到的信號光斑產(chǎn)生變化，將較大的影響接收效率，從而影響系統(tǒng)的通信性能；此外，若采用角度空間分集接收器，該天線的視場角為120度，并沒有解決大視場角的問題；信號搜索技術(shù)則需要將接收器的位置反饋回光源處，光源再將光線轉(zhuǎn)向接收器處，結(jié)構(gòu)會比較復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提出一種光學(xué)天線及LED可見光通信系統(tǒng)。

本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述問題：

一種光學(xué)天線，包括多個光纖光錐，每個光纖光錐具有獨立的單通道，多個朝向不同的光纖光錐組成球形。

進一步地，所述光學(xué)天線接收來自光源處B點的最大半角為

式中R是以錐角頂O為圓心、與多個光纖光錐出射端相切的圓的半徑，l是光纖光錐長度，D₁和D₂分別是光纖光錐出射端和入射端的直徑，n₀為空氣介質(zhì)中的折射率，n₁為光纖光錐內(nèi)纖芯的折射率，n₂光纖光錐包層的折射率，BD為光源到光學(xué)天線之間的距離。

進一步地，2φ＝2×φ，當(dāng)l一定時，D₂越大，2φ越小。

進一步地，2φ＝2×φ，當(dāng)D₂一定時，l越大，2φ越大。

進一步地，AC的大小為

AC＝(R+l)cosx＝(R+l)cos(φ-α+90°)

式中φ為光學(xué)天線接收來自光源處B點的最大半角，R是以錐角頂O為圓心、與多個光纖光錐出射端相切的圓的半徑，l是光纖光錐長度，AC為入射端可將光線全反射出光纖光錐的最大入射角α的入射點與BO的垂直距離，x為∠OAC。

進一步地，2AC＝2×AC，當(dāng)l一定時，D₂越大，2AC越小。

進一步地，2AC＝2×AC，當(dāng)D₂一定時，l越大，2AC越大。

一種LED可見光通信系統(tǒng)，包括所述光學(xué)天線，還包括LED驅(qū)動電路、LED光源、探測器、輸出電路；

所述LED驅(qū)動電路用于驅(qū)動LED光源發(fā)光；

所述LED光源用于根據(jù)LED驅(qū)動電路的驅(qū)動將發(fā)射端的電信號轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)送出去；

所述光學(xué)天線用于接收并傳輸光信號；

所述探測器用于接收經(jīng)光學(xué)天線集中后的光信號，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；

所述輸出電路用于輸出電信號。

本發(fā)明在球體上分布多個朝向不同的光纖光錐作為光學(xué)接收天線的結(jié)構(gòu)，

體積小、靈敏度高，可見光信號經(jīng)由接收天線進入探測器，這樣可以縮減探測器面積，進而增強探測光強，顯著提高通信速率，即使光學(xué)接收天線同光源的相對位置發(fā)生改變，因為總有一部分光纖光錐滿足全反射條件，光學(xué)接收天線仍能接收來自不同方向的光信號，有效擴大接收天線的視場角，實現(xiàn)僅利用小尺寸探測器便可接收較大范圍光信號的構(gòu)想，若使用具有球形光敏面的探測器或多個探測器組合，甚至可以實現(xiàn)360度視場角。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為光纖光錐的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為光纖光錐中光線傳播的展開表示圖；

圖3為光纖光錐中錐角的表示式示意圖；

圖4為光纖光錐光線入射示意圖；

圖5為光學(xué)天線光路拓?fù)鋱D；

圖6為光學(xué)天線光路圖；

圖7為l、D2與2φ關(guān)系圖；

圖8為l、D2與2AC關(guān)系圖；

圖9為LED可見光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面將結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明。需要指出的是，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例，基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例1

本發(fā)明提供一種光學(xué)天線，包括多個光纖光錐，每個光纖光錐具有獨立的單通道，多個朝向不同的光纖光錐組成球形。

如圖1所示，有一定錐度的光纖光錐有聚光的能力，光線從大端入射，從小端出射，光錐(光纖光錐)內(nèi)壁具有高反射率，使用時將大端放在主光學(xué)系統(tǒng)焦平面附近，收集光線并依靠光錐內(nèi)壁多次反射傳遞到小端，將探測器置于小端口，接收集中后的光束，這樣就可以用較小尺寸的探測器收集進入大端范圍的光能。下面討論光在光纖光錐中的傳播特性。

在光纖光錐中，光線在纖維芯和涂層界面內(nèi)壁上的反射角隨著反射次數(shù)的增加而逐漸減小。當(dāng)光線以α角入射于錐形纖維的大端時，折射角為θ，纖芯內(nèi)第一次全反射的入射角為第二次全反射的入射角為依次類推，第n次全反射的入射角為則

......

其中，ω為光錐的錐角

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定律可求出光線在光纖內(nèi)全反射的臨界角

如果光線以小于的入射角入射到纖芯包層的界面上，光線將折射出纖芯并進入包層而損失掉。只有當(dāng)時，才滿足全反射條件，光才能從錐形光纖中射出。即

如圖2(a)，SS’是圓錐形光學(xué)中子午光線行進的光路，顯然這是和實際中的光路是等效的，如果進入光線SS’的延長線和折線B₁B₂B₃......相交，則光線由光纖光錐傳遞，如果進入的光線PP’的延長線和折線B₁B₂B₃......不相交，則光線PP’將從錐形光學(xué)光纖的側(cè)壁逸出。為了簡化討論，用一個圓心在錐角頂O的圓來代替這些折線B₁B₂B₃......如圖2(b)所示，這樣，只要進入光學(xué)纖維中的光線的延長線和圓相交，光線就能在纖維中傳播，而極限的情況就是相切。

如圖2(b)所示

式中R是圓的半徑，l是光纖長度，D₁和D₂分別是光纖出射端(小端)和入射端(大端)的直徑。

同時，由圖3中的△AOB中，利用正弦定律

并且sin∠ABO＝sin(180°-θ′)＝sinθ′ (7)

將(6)(7)帶入(5)中，推導(dǎo)得光錐小端與5端的比值為

或D₁sinθ′＝D₂sinθ (9)

這個公式是用光學(xué)纖維兩端的折射角來表示的，如果設(shè)纖維的兩端是處于同一媒介中，則可把式(9)簡化為纖維兩端孔徑角的關(guān)系

D₂sinα＝D₁sinβ (10)

由全反射條件

則如圖1所示，光錐內(nèi)出射角

在光錐出射端有折射定律n₁sinθ₁＝n₀sinβ (13)

則光錐出射端的出射角為

結(jié)合式(10)則光錐入射端的入射角為

光錐入射端應(yīng)用折射定律n₀sinα＝n₁sinθ，代式(15)，光錐入射折射角為

(14)(15)式說明光纖光錐兩端的孔徑角不一樣，大端孔徑角小，小端孔徑角大，這里必須指出，光纖光錐并不能增加通過的總光通量，對于小端來說，僅是增加單位面積上的光通量。

由圖3還可得到光纖光錐半錐角的表達式

將(17)帶入(15)(16)得：

光錐入射端的入射角為

光錐入射端的折射角為

光纖光錐的錐角大小直接影響光線在其中的傳播，如果錐角相當(dāng)大，以至于使平行于纖維中心軸的光線進入纖維后也不能滿足界面內(nèi)壁上的全反射條件，而經(jīng)過涂層折射而溢出纖維，那么這種光纖光錐就不能聚光；當(dāng)錐角較小時，就不會發(fā)生上述情況，而對光線有一定的匯聚作用。

如圖4所示，光線①②③以相同的入射角入射到光纖光錐上，從它們的光路圖可以看出，如果光線①可以全反射，則光線②③的情況必將可以全反射，其實就是在光線①以下入射都將可以全部全反射出去。

由于單個光錐的視場角較小，所以為了增大接收角度和接收面積，提出將一定數(shù)量的獨立單通道光錐器件集中在一起，在球體上分布多個朝向不同的光錐的光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)，如圖5所示?？梢姽馔ㄐ诺男盘柟庠窗l(fā)出的信號光照射到光纖光錐組成的球形天線上，將大端面向光源，收集光線并依靠光錐內(nèi)壁多次反射傳遞到小端，將探測器置于小端口，接受集中后的光束，這樣就可以用較小尺寸的探測器收集進入大端范圍的光能。如果光學(xué)天線相對光源的位置發(fā)生改變，在同一位置有指向不同方向的光學(xué)天線仍可接收來自不同方向的光，探測器接收到信號光再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換傳輸信息，保證通信暢通。

下面具體討論該光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)：

如圖6所示，假設(shè)α_max表示入射端可將光線全反射出光纖光錐的最大入射角，設(shè)∠OAC＝x，則光錐可接收來自光源處B點的最大半角為

其中，根據(jù)幾何關(guān)系

φ＝90°-∠BAC＝90°-(180°-x-α)＝x+α-90° (21)

將式(21)代入到式(20)，有

經(jīng)過數(shù)學(xué)處理，得

將式(23)展開經(jīng)過數(shù)學(xué)計算整理得

(BD+R+l)sinαsinx-(BD+R+l)cosαcosx＝(R+l)sinα (24)

由數(shù)學(xué)公式繼續(xù)整理得

由式(25)計算可得x角

將式(26)帶入式(21)得到光錐可接收來自光源處B點的最大半角為

由式(18)可知光錐入射端的入射角為

將式(28)帶入式(27)得光錐可接收來自光源處B點的最大半角為

下面將分別給光學(xué)天線取值，分別討論l、D₂與2φ之間的關(guān)系，l、D₂與2AC之間的關(guān)系：

由公式(5)可得光錐圓心到光錐小端半徑為半徑

n₀為空氣介質(zhì)中的折射率取1，n₁為光纖內(nèi)纖芯的折射率取1.6，n₂光纖包層的折射率取1.45，取小端大小為單模光纖的直徑10um，由于目前光錐的大小端比例最大可做到10:1，取大端直徑為100um，BD為光源到光學(xué)天線之間的距離，結(jié)合實際需要取2m，l為光錐的長度不能太大，取50mm。

A、下面分別討論了l、D₂與2φ之間的關(guān)系：

(1)取n₀＝1、n₁＝1.6、n₂＝1.45、BD＝2m，D₁＝10um，D₂＝100um時，l與2φ的公式為

(2)取n₀＝1、n₁＝1.6、n₂＝1.45、BD＝2m，D₁＝10um，l＝50mm時，D₂與2φ的公式為

將式(31)(32)用MATLAB作圖，如圖7所示可知：當(dāng)l一定時，D₂越大，2φ越小，當(dāng)D₂一定時，l越大，2φ越大。

B、下面分別討論了l、D₂與2AC之間的關(guān)系：

由公式(20)(21)可知AC的大小為

AC＝(R+l)cosx＝(R+l)cos(φ-α+90°) (33)

(3)取n₀＝1、n₁＝1.6、n₂＝1.45、BD＝2m，D₁＝10um，D₂＝100um時，l與2AC的公式為

(4)取n₀＝1、n₁＝1.6、n₂＝1.45、BD＝2m，D₁＝10um，l＝50mm時，D₂與2AC的公式為

將式(34)(35)用MATLAB作圖，如圖8所示可知：當(dāng)l一定時，D2越大，2AC越小，當(dāng)D2一定時，l越大，2AC越大。

結(jié)合上述分析，主要用于對光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計起到一定的借鑒作用，具體結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)自己設(shè)計需求選取，可根據(jù)公式(29)(33)求出新的l、D₂與2φ關(guān)系圖和l、D₂與2AC關(guān)系圖。如圖7所示可知：當(dāng)l取50mm時，或D₂為100um時，2φ約為0.29度，即此時該接收天線的視場角為0.29度。

本發(fā)明光學(xué)天線的材質(zhì)為光纖制成，可見光信號照射到光纖光錐球形接收天線的大端面上，收集到的光信號經(jīng)光纖光錐內(nèi)壁多次反射傳遞到小端面，最終由位于小端面的探測器接收，實現(xiàn)僅利用小尺寸探測器便可接收較大范圍光信號的構(gòu)想。即使光學(xué)接收天線同光源的相對位置發(fā)生改變，光學(xué)接收天線仍能接收來自不同方向的光信號，有效擴大接收天線的視場角，縮減探測器面積，顯著提高通信速率。

實施例2

如圖9所示，本發(fā)明還提供一種LED可見光通信系統(tǒng)，包括所述光學(xué)天線，還包括LED驅(qū)動電路、LED光源、探測器、輸出電路；

所述LED驅(qū)動電路用于驅(qū)動LED光源發(fā)光；

所述LED光源用于根據(jù)LED驅(qū)動電路的驅(qū)動將發(fā)射端的電信號轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)送出去；

所述光學(xué)天線用于接收并傳輸光信號；

所述探測器用于接收經(jīng)光學(xué)天線集中后的光信號，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；

所述輸出電路用于輸出電信號。

LED可見光通信系統(tǒng)工作流程如下：

1)、LED可見光通信系統(tǒng)的發(fā)射端為電信號，LED驅(qū)動電路驅(qū)動LED光源發(fā)光將發(fā)射端的電信號轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)送出去；

2)、在光發(fā)射端與接收端之間用光學(xué)天線接收并傳輸光信號，即使光學(xué)天線同光源的相對位置發(fā)生改變，光學(xué)天線仍能接收來自不同方向的光信號；

3)、探測器在光纖光錐的小端面上接收光信號，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，實現(xiàn)通信功能。

盡管單個獨立單通道光纖光錐器件的視場角十分有限，但當(dāng)一定數(shù)量的這些光纖光錐集中在一起，在球體上以不同朝向分布形成光學(xué)天線時，可增大接收天線的視場角；

即使光學(xué)接收天線同光源的相對位置發(fā)生改變，由于具備在球體上以不同朝向分布的光纖光錐，光學(xué)接收天線仍能接收來自不同方向的光信號；

在大端面收集到的光信號依靠光纖光錐內(nèi)壁多次反射被傳遞到小端面，由位于小端面的探測器接收，這樣可以有效縮減探測器光敏面積，降低探測器的結(jié)電容從而提升可見光通信速率；

如果使用具有球形光敏面的探測器多個探測器組合，甚至可以實現(xiàn)360度的驚人視場角。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。