光学学报, 2018, 38 (4): 0406004, 网络出版: 2018-07-10  

平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析 下载: 750次

Design and Performance Analysis of Planar Concentrators as Optical Antennas in Visible Light Communication
作者单位
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
图 & 表

图 1. 主聚光器结构。(a)侧视图; (b)俯视图; (c)三维图

Fig. 1. (a) Side view, (b) top view, and (c) three-dimensional view of the master collector structure

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图 2. 波导板结构示意图

Fig. 2. Schematic diagram of the lightguide structure

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图 3. 室内光源布局模型

Fig. 3. Layout model of indoor light source

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图 4. 接收平面光照度分布

Fig. 4. Illumination distribution on receiving plane

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图 5. 平板型聚光器在40°视场角时仿真示意图。 (a)主聚光器光线追迹示意图;(b) 平板型聚光器结构图; (c) 采用聚光器时接收端的光斑分布; (d)未采用聚光器时接收端的光斑分布

Fig. 5. Simulation diagrams of the planar concentrator with a field of view of 40°. Schematic diagrams of (a) ray-tracing of the collector and (b) the planar concentrator structure; irradiance distributions of the receiver (c) with and (d) without the planar concentrator

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图 6. 接收平面BER均值分布

Fig. 6. Distribution of BER average value on receiving plane

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图 7. 聚焦光斑辐照度分布。 图(a)、(b)、(c)、(d)接收天线位置空间坐标分别为(1.60 mm, 0, 0.85 mm)(1.60 mm, 0.80 mm, 0.85 mm)(1.60 mm, 1.60 mm, 0.85 mm)(1.60 mm, 2.50 mm, 0.85 mm)

Fig. 7. Irradiance distributions of concentrated spot with x=1.60 mm, z=0.85 mm, and (a) y=0, (b) y=0.80 mm, (c) y=1.60 mm, and (d) y=2.50 mm

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图 8. 3种聚光器长度下聚光效率随光线耦合结构半径的变化曲线

Fig. 8. Optical efficiencies vary with the coupling structure radii with three concentrator lengths

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图 9. 平板型聚光器作为光学天线在不同视场角下的增益

Fig. 9. Gain of the planar concentrators as optical antenna in different fields of view

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图 10. LOS信道下接收功率分布。 (a) 不使用聚光器;(b)、 (c)、 (d) 、(e)使用视场角分别为10°, 30°, 50°, 70°的平板型聚光器

Fig. 10. Distributions of received power in LOS (a) without concentrator and using a planar concentrator with the fields of view of (b) 10°, (c) 30°, (d) 50°, and (e) 70°

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图 11. NLOS信道下接收功率分布。 (a) 不使用聚光器;(b)、 (c)、 (d) 、(e)使用视场角分别为10°, 30°, 50°, 70°的平板型聚光器

Fig. 11. Distribution of received power in NLOS. (a) Without concentrator; (b) using a planar concentrator of the field of 10° view; (c) using a planar concentrator of the field of 30° view; (d) using a planar concentrator of the field of 50° view; (e) using a planar concentrator of the field of 70° view

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表 1视场角为40°时平板型聚光器的关键设计参数

Table1. Key design parameters of planar concentrator with a field of view of 40°

Radius curvature of the collectorρ /mmParabolic coefficientaCollector widthD /mmCollector heighth /mmLightguide lengthlm /mmLightguide thicknessw /mmField of viewθmax /(°)Collector material
-340.021542600240PMMA

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表 2LED光源相关设计参数

Table2. Design parameters of the LED light source

Ray distributionLED sizeSs /mm2LED powerPs /WColor temperatureT /KSimulation rays amount
Lambertian114500100000

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表 3不同视场角下的平板型聚光器参数与增益值

Table3. Parameters and gain values of planar concentrator in different fields of view

Field of viewθmax /(°)Parabolic coefficientρ /mmCollector heighth /mmLightguide lengthlc /mmRays amount(with collector)Rays amount(without collector)Gain g(θc)
04260039900144277
10-524260025626142
20-4642600376220918
30-394260025403247.84
40-344260014573963.68
50-30426007614351.75

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表 4LOS信道下不同视场角平板型聚光器的接收功率分布

Table4. Distribution of received power in LOS using the planar concentrators with different fields of view

Type of optical antennaField of viewθmax /(°)Minimal received powerPmin /WMaximal received powerPmax /WAverage received powerPave /W
Without collector-9.9431-3.1408-4.5137
Planar concentrator10-∞21.43180.3796
30-∞23.19883.8864
50-10.043223.195611.7274
7016.032720.004618.1684

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表 5NLOS信道下不同视场角下平板型聚光器的接收功率分布

Table5. Distribution of received power of the planar concentrators in different fields of view in NLOS

Type of optical antennaField of viewθmax /(°)Minimal received powerPmin /WMaximal received powerPmax /WAverage received powerPave /W
Without collector-9.7876-3.2394-4.1547
Planar concentrator10-∞21.91050.8863
30-∞23.90544.3167
50-9.948124.006412.3409
7016.054720.179418.9534

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尹鹏, 徐熙平, 姜肇国, 王加安, 张璐璐. 平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析[J]. 光学学报, 2018, 38(4): 0406004. Peng Yin, Xiping Xu, Zhaoguo Jiang, Jiaan Wang, Lulu Zhang. Design and Performance Analysis of Planar Concentrators as Optical Antennas in Visible Light Communication[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(4): 0406004.

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