吳楠　楊愛英　馮立輝　忻向軍

摘要可見光通信作為一種結(jié)合了照明與通信的新型無線通信技術(shù)，近幾年成為一個(gè)研究的熱點(diǎn).光學(xué)天線是可見光通信系統(tǒng)中的重要組成部分，在優(yōu)化光能分布、提高接收功率、提升系統(tǒng)信噪比和通信質(zhì)量方面起重要作用.目前國內(nèi)外對(duì)于光學(xué)天線的研究可以分為發(fā)射天線和接收天線兩個(gè)部分.發(fā)射天線一般與LED光學(xué)設(shè)計(jì)相結(jié)合，按照配光方式可以分為準(zhǔn)直型、均勻照明型和聚焦型等類型.接收天線采用復(fù)合拋物面聚光器、菲涅爾透鏡等光學(xué)元件作為光學(xué)接收前端，主要目的是提高接收信號(hào)的功率.本文介紹了近年來國內(nèi)外光學(xué)天線的研究進(jìn)展，評(píng)價(jià)并比較了各種類型光學(xué)天線的光學(xué)性能，并對(duì)光學(xué)天線的發(fā)展趨勢(shì)做出了展望.關(guān)鍵詞可見光通信；光學(xué)天線；發(fā)射天線；接收天線

中圖分類號(hào)TN929；TN821

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

近年來隨著半導(dǎo)體照明的興起，白光LED因其低功耗、使用壽命長、體積小、不產(chǎn)生電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)正逐漸取代傳統(tǒng)的白熾燈和節(jié)能燈成為下一代照明的選擇[1].基于白光LED照明的可見光通信技術(shù)將經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)加載在LED上以可見光的形式發(fā)射出去，在接收端采用光電探測(cè)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收和解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)信息的傳輸.相比于傳統(tǒng)的射頻通信，可見光通信具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可見光通信使用的是可見光波段（380～780 nm）進(jìn)行信號(hào)的傳輸，可見光波段具有約450 THz的巨大帶寬資源，并且不占用傳統(tǒng)的無線通信波段；2）可見光通信使用LED作為系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射端，LED在實(shí)現(xiàn)照明的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了通信的功能，對(duì)于室內(nèi)無線通信來說覆蓋范圍廣，僅需對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行簡單改造即可實(shí)現(xiàn)大范圍通信的覆蓋；3）相比于傳統(tǒng)的無線通信，可見光通信的通信速率更快，可見光通信最新的實(shí)驗(yàn)速率已經(jīng)可以達(dá)到50 Gb/s[2].

光學(xué)天線是可見光通信系統(tǒng)中的重要組成部分.光學(xué)天線指的是在可見光通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端使用的透鏡等光學(xué)元件.通過對(duì)光學(xué)天線的設(shè)計(jì)可以使光源覆蓋面積增加、接收信號(hào)功率增強(qiáng)，從而提高整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的通信質(zhì)量.因此，光學(xué)天線的研究對(duì)于可見光通信系統(tǒng)有著重要意義.光學(xué)天線可以分為發(fā)射天線和接收天線.發(fā)射天線用在LED發(fā)射端，一般采用非成像光學(xué)的方法對(duì)LED進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，從而改變LED的光能分布，實(shí)現(xiàn)提高光線覆蓋面積或者增加傳輸距離等目的.按照配光方式光學(xué)發(fā)射天線可以分為準(zhǔn)直型發(fā)射天線、均勻照明型發(fā)射天線和聚焦型發(fā)射天線等類型.接收天線是在光電探測(cè)器前端采用各種光學(xué)元件，一般目的是使更多的光線能被探測(cè)器接收，從而提高光電探測(cè)器接收到的光功率，提升通信質(zhì)量.復(fù)合拋物面聚光器、菲涅爾透鏡等光學(xué)元件常用來作為光學(xué)系統(tǒng)中的接收天線.本文接下來對(duì)光學(xué)天線的設(shè)計(jì)方法、典型實(shí)例進(jìn)行介紹，并且就其對(duì)于可見光通信方面指標(biāo)的提升做出評(píng)價(jià).光學(xué)天線分類如圖1所示.

1基本原理

在對(duì)光學(xué)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循幾何光學(xué)基本原理、光線追跡公式以及非成像光學(xué)理論，其中最重要的是非成像光學(xué)的基本理論[3].光學(xué)天線作為光通信系統(tǒng)中的重要組成部分，需要以光學(xué)增益、信噪比等參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光學(xué)天線的設(shè)計(jì)質(zhì)量做出評(píng)價(jià).

11非成像光學(xué)

相比于成像光學(xué)，非成像光學(xué)更多關(guān)注的是能量的重新分配和光能利用率的提高.非成像光學(xué)研究的問題主要可以分為光線耦合和給定光分布兩類[4].光線耦合最早用于太陽能的收集，后來隨著照明技術(shù)的發(fā)展，如何根據(jù)照明需求對(duì)光源的光能進(jìn)行重新分配逐漸成為了研究的熱點(diǎn).在光學(xué)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)光學(xué)天線主要遵循非成像光學(xué)的基本原理，對(duì)發(fā)射端的光能重新分配，并且提高接收端的光能收集效率，從而提高通信質(zhì)量.

非成像光學(xué)主要有三大基本原理：邊緣光線理論、馬呂斯定律和費(fèi)馬原理，其中最主要的是邊緣光線理論[56].邊緣光線原理主要內(nèi)容是在非成像光學(xué)系統(tǒng)中，光源發(fā)射出的邊緣光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后會(huì)在接收端的邊緣被接收[7].根據(jù)邊緣光線原理，在設(shè)計(jì)光學(xué)天線時(shí)只要考慮入射光線和接收光線的最大角度即可，不要求最大角度以內(nèi)的光線精準(zhǔn)成像.馬呂斯定律和費(fèi)馬原理則對(duì)光線在傳播過程中波面、光程的關(guān)系進(jìn)行了補(bǔ)充說明.

12光學(xué)天線基本參數(shù)

1）光斑能量均勻性.光斑能量均勻性定義是照明范圍內(nèi)照度的最小值與平均值的比值.在可見光通信系統(tǒng)中，尤其是室內(nèi)環(huán)境下，LED發(fā)射端既要發(fā)送信息又要承擔(dān)照明的功能，所以光斑能量的均勻性是衡量發(fā)射端光學(xué)天線設(shè)計(jì)的重要指標(biāo).目前的研究主要利用自由曲面的方法設(shè)計(jì)均勻照明的透鏡，以提高光斑能量的均勻性.能量均勻的光斑不僅能滿足照明標(biāo)準(zhǔn)的要求，還能使光信號(hào)均勻覆蓋，提高整體的光能利用率.

2）聚光比.在非成像光學(xué)中，聚光比可以分為幾何聚光比和光學(xué)聚光比.幾何聚光比定義是光學(xué)天線入射口徑的面積與出射口徑的面積的比值.光學(xué)聚光比是幾何聚光比與光效的乘積.由于光通信系統(tǒng)接收端尺寸一般較小，所以一般在設(shè)計(jì)光學(xué)天線的過程中追求大的幾何聚光比，將更多的光線經(jīng)過空間上的收束后傳遞到接收端.

3）光學(xué)增益.光學(xué)增益定義為探測(cè)器加光學(xué)天線和未加光學(xué)天線時(shí)接收光功率的比值，也就是加光學(xué)天線之后的等效有效面積A1與未加光學(xué)天線時(shí)有效面積A0之比（光功率與有效面積成正比）.光學(xué)增益是衡量一個(gè)光學(xué)天線的重要參數(shù).在光通信系統(tǒng)中一般接收端需要大光學(xué)增益的光學(xué)天線，以提高探測(cè)器接收到的光功率.

4）視場(chǎng)角.光學(xué)天線視場(chǎng)角指光線入射到接收端時(shí)與接收天線中心軸的最大夾角，超過這一夾角的光線則無法被接收端接收.視場(chǎng)角是衡量接收天線的重要指標(biāo)，一般來說接收天線視場(chǎng)角越大，能接收到的光線就越多.以復(fù)合拋物面聚光器為例，接收端視場(chǎng)角的變化會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)光學(xué)增益、天線尺寸等方面的變化.一般在設(shè)計(jì)光學(xué)天線時(shí)要根據(jù)具體的需求選擇合適的視場(chǎng)角.

5）信噪比.信噪比（SNR）是衡量通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)，可見光通信系統(tǒng)作為通信系統(tǒng)的一種，所以必須通過分析光學(xué)天線對(duì)信噪比的影響來評(píng)價(jià)光學(xué)天線對(duì)可見光通信系統(tǒng)通信質(zhì)量的影響.信噪比定義是光信號(hào)與噪聲的比值：

RSN=maxR2P2rσi2， （1）

其中R是探測(cè)器的響應(yīng)率，Pr是探測(cè)器接收的光功率，σi是噪聲.可見光通信系統(tǒng)中主要考慮背景噪聲、電路噪聲和散粒噪聲.

2發(fā)射天線

可見光通信采用LED作為信號(hào)的發(fā)送端.LED屬于朗伯照明體，直接用LED芯片發(fā)送信號(hào)存在照度分布不理想、光能利用率低的問題.因此，一般在發(fā)射端對(duì)LED進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)其光束進(jìn)行收束、準(zhǔn)直等處理.目前國內(nèi)外對(duì)LED光學(xué)天線的設(shè)計(jì)主要采用自由曲面的方法，按照設(shè)計(jì)的功能大致可以分為準(zhǔn)直型透鏡、均勻照明型透鏡和聚焦透鏡等.下面將對(duì)這幾種類型透鏡的研究做詳細(xì)說明.

21準(zhǔn)直型透鏡

準(zhǔn)直型透鏡可以減小LED光線的出射角度，將絕大部分光線收束成一個(gè)較小的角度發(fā)射，這樣可以提高光束的能量，提升光信號(hào)傳輸?shù)木嚯x.2010年西班牙的Moliní等[8]設(shè)計(jì)了一種拋物線橢圓形LED準(zhǔn)直器并進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該聚光器光線出射角為1°左右，并且光能利用率達(dá)到了98%.2012年，Chen等[9]采用了自由曲面和幾何光學(xué)的方法設(shè)計(jì)并制造了一種LED準(zhǔn)直透鏡，該LED透鏡高度為28 mm，入射孔和出射孔直徑分別為18和30 mm.對(duì)該準(zhǔn)直透鏡原型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該透鏡的光束角為475°，并且光能利用率高達(dá)903%.2013年Shen等[10]對(duì)設(shè)計(jì)的LED聚光透鏡進(jìn)行仿真，光源采用1 mm×1 mm的LED芯片，結(jié)果表明該聚光器光能利用率達(dá)到95%，并且在傳輸距離達(dá)到500 m時(shí)絕大部分能量都集中在半徑不超過8 m的光斑內(nèi).2016年Chen等[11]設(shè)計(jì)了一種用于長距離可見光通信的LED聚光透鏡，系統(tǒng)使用1 W LED作為發(fā)射端，采用OOK調(diào)制編碼，使用該聚光透鏡可以將光束角壓縮至17°，并且在90 m的傳輸距離上達(dá)到210 Mbit/s的傳輸速率和10-3的誤碼率.

上述文獻(xiàn)中的準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)較為類似，以文獻(xiàn)[9]為例，準(zhǔn)直透鏡的結(jié)構(gòu)一般如圖2所示.該透鏡由5個(gè)曲面組成，其中②為球面，③為橢圓面，其他3個(gè)曲面為自由曲面.F為曲面①和③的焦點(diǎn).整個(gè)透鏡可以分為A、B、C 3個(gè)區(qū)域.光線以大角度入射到A區(qū)域時(shí)在曲面③發(fā)生全反射，在反射光光線到達(dá)焦點(diǎn)F之前在曲面⑤上發(fā)生折射后與光軸平行射出.入射到區(qū)域B的光線在曲面④上折射后平行于光軸射出.光線以小角度入射到C區(qū)域時(shí)在曲面①上發(fā)生折射，折射光線到達(dá)焦點(diǎn)F之前在曲面⑤上發(fā)生折射后與光軸平行射出.采用準(zhǔn)直透鏡后光源發(fā)出的任意角度光線都能經(jīng)過反射和折射后平行射出，減少了光能損失，提高了傳輸能量的強(qiáng)度和傳輸距離.

22均勻照明型透鏡

在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，LED發(fā)射端同時(shí)承擔(dān)照明和通信的功能.LED屬于朗伯照明體，LED發(fā)出的光在照明平面上分布不均勻，中心照度高，隨著水平距離的增加照度迅速衰減.LED固有的光學(xué)特性不僅不適用于照明，并且光能利用率低，作為光通信系統(tǒng)的發(fā)射端效率較低.針對(duì)這一問題，國內(nèi)外主要采用自由曲面的方法設(shè)計(jì)透鏡，改變LED的光能分布，獲得均勻照明的效果，并且提升光能利用率.

2010年美國的Fournier等[12]基于光源到目標(biāo)平面的能量映射，采用劃分網(wǎng)格的方法設(shè)計(jì)了一種均勻照明的LED反射杯，仿真結(jié)果表明該反射杯提高了光學(xué)系統(tǒng)照明的均勻性和光能利用率.

2008年浙江大學(xué)的丁毅等[13]從折射定律和能量守恒出發(fā)，采用構(gòu)建一階微分方程組的方法求解透鏡的形狀，設(shè)計(jì)了一種均勻矩形光斑透鏡.該透鏡長40 mm、寬36 mm、高10 mm，仿真結(jié)果表明使用該透鏡后光能利用率達(dá)到了9556%，中心部分照明均勻度達(dá)到了90%左右.

2015年臺(tái)灣的Chen等[14]采用光源目標(biāo)能量映射的方法求解自由曲面形狀，設(shè)計(jì)了一種圓形光斑的均勻照明透鏡，透鏡形狀如圖3所示.該透鏡底面直徑為108 mm、厚度為10 mm.照明仿真結(jié)果表明使用該透鏡后照明均勻度達(dá)到了80%，光能利用率達(dá)到了90%，并且出射光線半角有45°.

從上述文獻(xiàn)的研究中可以看出，均勻照明型光學(xué)天線用作光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)射端可以獲得均勻分布的照度，并且可以提高光能利用率.這不僅能夠提高LED的照明效果，還能提高光通信系統(tǒng)發(fā)射端發(fā)射的能量.由于照明需求，這種光學(xué)天線發(fā)射角一般較大，比較適合用作短距離室內(nèi)光通信系統(tǒng)的發(fā)射端.

23聚焦型透鏡

在可見光通信系統(tǒng)中，由于LED調(diào)制帶寬的影響，系統(tǒng)的通信速率會(huì)受到限制.此外，由于光線在信道中傳播時(shí)存在衰減，系統(tǒng)的通信距離也會(huì)受到限制.

為了解決通信速率和傳輸距離的限制，2013年韓國的Kim[15]提出一種聚焦型的發(fā)射天線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.該系統(tǒng)采用光束自動(dòng)聚焦技術(shù)將光線聚焦在目標(biāo)位置，以提高整個(gè)通信系統(tǒng)的信噪比.系統(tǒng)的發(fā)射端采用空間光調(diào)制的方法，并且配合菲涅爾透鏡使空間光調(diào)制系統(tǒng)起到類似于動(dòng)態(tài)衍射透鏡的作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法聚焦光線可以使系統(tǒng)的信噪比提高134 dB，通信距離提高了兩倍[1517].

由于光束自聚焦技術(shù)不依賴電信號(hào)調(diào)制，因此可以提升接收信噪比，從而提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率.此外，通過聚焦光線到焦點(diǎn)上，可以提升接收光功率，從而提升了系統(tǒng)的傳輸距離.

24發(fā)射天線總結(jié)

從以上關(guān)于各種光學(xué)天線的研究進(jìn)展中可以看出，目前對(duì)于光學(xué)天線的設(shè)計(jì)主要基于幾何光學(xué)的基本原理和非成像光學(xué)的相關(guān)理論.對(duì)于發(fā)射天線的設(shè)計(jì)更多的是與LED的照明設(shè)計(jì)相結(jié)合，各種類型的發(fā)射光線共同特點(diǎn)是盡量使更多的光線照射到目標(biāo)平面上，以提高光能利用率.對(duì)于準(zhǔn)直型光學(xué)天線，各文獻(xiàn)中的結(jié)構(gòu)較為類似，都是對(duì)于大角度和小角度發(fā)射光線分別采用全反射和折射的方法，使LED發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡后以較小的角度平行射出.準(zhǔn)直型天線一般光能利用率高、出射角小，適用于長距離光通信傳輸，缺點(diǎn)是不適用于照明.均勻照明的光學(xué)天線主要采用自由曲面的方法設(shè)計(jì)透鏡曲面，由于在自由曲面設(shè)計(jì)方法中存在網(wǎng)格劃分法、裁剪法、數(shù)值優(yōu)化法、偏微分方程法等多種方法，因此透鏡的形狀一般各不相同，并且可以通過控制自由曲面的形狀來靈活控制照明區(qū)域光斑的形狀和能量分布.均勻照明型光學(xué)天線與LED照明結(jié)合最為緊密，優(yōu)點(diǎn)是光能分布均勻，光束角一般較大，能量利用率高，適用于室內(nèi)光通信環(huán)境.聚焦型光學(xué)天線可以將光束聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，提高接收端的信噪比，缺點(diǎn)是光能利用率較低.各種類型的光學(xué)發(fā)射天線的性能對(duì)比如表1所示.

3接收天線

31連續(xù)變焦光學(xué)天線

針對(duì)定焦天線在接收端距離和位置變化時(shí)接收信號(hào)功率變化的問題，北京理工大學(xué)的張學(xué)彬等[18]設(shè)計(jì)了一種連續(xù)變焦的光學(xué)天線，如圖5所示.

整個(gè)接收天線由一個(gè)直角反射棱鏡和一組球面透鏡組成.棱鏡起到折疊光路、減小整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)尺寸的作用，透鏡1—3是固定組，擴(kuò)大了視場(chǎng)角.4和5組成變焦透鏡，通過移動(dòng)4和5的位置改變系統(tǒng)的焦距.6為補(bǔ)償透鏡，通過移動(dòng)6的位置來補(bǔ)償像面的位移.7為探測(cè)器.系統(tǒng)尺寸為18 mm×6 mm，變焦倍率為244，視場(chǎng)角范圍18°～48°，系統(tǒng)的光學(xué)增益為168.仿真結(jié)果表明采用變焦天線可以有效提高通信系統(tǒng)接收信號(hào)的增益和信噪比，對(duì)通信質(zhì)量有較大提升.

CPC的側(cè)面為兩個(gè)對(duì)稱的拋物面，CPC入射孔徑和出射孔的直徑比值決定了視場(chǎng)角θ，小于視場(chǎng)角入射的光線會(huì)經(jīng)過側(cè)壁多次反射之后被底部的接收器接收.

國內(nèi)外對(duì)于CPC 的研究較多，王云等[19]對(duì)CPC作為可見光通信系統(tǒng)光學(xué)接收天線的性能做了研究和仿真，分別分析了不同光源和不同視場(chǎng)角的CPC對(duì)于接收增益的影響，結(jié)果表明60°視場(chǎng)角的CPC對(duì)于LOS和NLOS信道的接收功率分別提高了439和477 dBm.瑞士的Cooper等[20]對(duì)傳統(tǒng)的CPC進(jìn)行了改進(jìn)，改變了入射孔的形狀，分析了不同多邊形的入射孔對(duì)于聚光效率的影響，結(jié)果表明在各種形狀中四邊形的聚光性能最好，如圖7所示.四邊形無縫拼接的特點(diǎn)可以大幅提高多個(gè)CPC陣列整體的光能利用率[20].

菲涅爾透鏡的一面一般為平面（平面菲涅爾透鏡）或者曲面（曲面菲涅爾透鏡），另一面為一組同心的棱形槽，每個(gè)棱形槽都可以對(duì)入射光線起到折射的作用.菲涅爾透鏡可以將平行入射的光線聚焦在一個(gè)焦點(diǎn)（點(diǎn)聚焦）或一條線上（線聚焦）.

2011年西安理工大學(xué)的趙太飛等[24]在普通的半球透鏡前面添加了菲涅爾透鏡組成了一個(gè)二級(jí)光學(xué)系統(tǒng)，入射光線先由菲涅爾透鏡進(jìn)行初步聚光，再由半球透鏡將光線聚焦在接收器處.仿真結(jié)果表明使用菲涅爾透鏡可以將接收系統(tǒng)的光學(xué)增益提高近一倍[24].2012年南京郵電大學(xué)的徐寧等[25]設(shè)計(jì)了一種彎月形復(fù)合菲涅爾透鏡，在光源光功率為20 mW的情況下探測(cè)器可以接收到18 mW的光能量，利用率達(dá)到了90%.2015年李湘等[26]對(duì)菲涅爾透鏡作為光學(xué)接收天線的相關(guān)問題進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種等齒距平面菲涅爾透鏡，仿真結(jié)果表明平面點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡的光學(xué)效率可以達(dá)到921%，可以有效提高光通信系統(tǒng)接收端的光學(xué)增益.

34角度分集接收器

針對(duì)光通信系統(tǒng)中存在遮擋導(dǎo)致無法通信以及碼間串?dāng)_等問題，諾森比亞大學(xué)的Burton等[27]和南京郵電大學(xué)的孔梅梅等[28]都提出了一種采用角度分集思想的多面體式光學(xué)接收器.該類多面光學(xué)接收器結(jié)構(gòu)如圖9所示.每個(gè)探測(cè)器的視場(chǎng)角為60°，多個(gè)探測(cè)器可以保證水平視場(chǎng)360°、垂直市場(chǎng)180°的全覆蓋接收.Burton等[27]的研究表明由于多個(gè)探測(cè)器的存在，該接收天線能實(shí)現(xiàn)全向的光信號(hào)接收，并且系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)較高的信噪比，誤碼率僅為10-6.孔梅梅等[28]研究了單個(gè)光錐接收到的光強(qiáng)隨入射角的變化關(guān)系，在此基礎(chǔ)上確定了光錐兩兩之間的夾角，給出了具體的布局設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)接收光強(qiáng)的情況研究了角度分集接收技術(shù)對(duì)于系統(tǒng)碼間干擾的影響.

35接收天線總結(jié)

光學(xué)接收天線作為光學(xué)系統(tǒng)的接收前端，其主要目的是使探測(cè)器接收到更多的能量，提升系統(tǒng)的信噪比.本文討論的各接收天線中，連續(xù)變焦天線采用的透鏡均為普通球面鏡，成本低，并且有變焦接收的功能.復(fù)合拋物面聚光器的視場(chǎng)角和增益都與其上下孔的尺寸有關(guān)，優(yōu)點(diǎn)是可以通過截?cái)鄟砜刂埔晥?chǎng)角，比較適合用作可見光通信系統(tǒng)的接收天線.菲涅爾透鏡尺寸較小，便于靈活應(yīng)用在各種光學(xué)系統(tǒng)中，缺點(diǎn)是只對(duì)平行光有較好的聚焦效果.角度分集接收器優(yōu)點(diǎn)是視場(chǎng)角很大，能夠?qū)崿F(xiàn)全角度覆蓋接收，一定程度上能克服遮擋帶來的信道損失.但角度分集接收器由多個(gè)光錐組成，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度.各種類型的光學(xué)接收天線的性能比較如表2所示.

4光學(xué)天線展望

光學(xué)天線作為光通信系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于系統(tǒng)通信質(zhì)量的提升有著重大意義.然而，現(xiàn)階段光學(xué)天線研究方面還存在一些問題與挑戰(zhàn).首先是天線設(shè)計(jì)的優(yōu)化方面，由于光學(xué)天線尤其是自由曲面透鏡的形狀一般較為復(fù)雜，因此其設(shè)計(jì)的流程步驟較為繁瑣，如何優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的光學(xué)天線設(shè)計(jì)是今后研究的重點(diǎn)；其次，光學(xué)天線一般加工復(fù)雜、成本較高，如何降低生產(chǎn)成本是光學(xué)天線能否得到應(yīng)用的關(guān)鍵所在；最后，隨著光通信系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)向小型化、便攜化方向發(fā)展，光學(xué)天線的尺寸會(huì)影響其在光通信系統(tǒng)中應(yīng)用的前景.光學(xué)收發(fā)天線小尺寸、輕型化會(huì)是今后設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，光學(xué)天線也會(huì)在可見光通信系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用.

5結(jié)語

可見光通信在國內(nèi)外已經(jīng)有了10多年的研究歷史，目前研究的焦點(diǎn)主要集中在提升通信速率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面.光學(xué)天線的研究對(duì)于可見光通信具有重要意義，通過光學(xué)天線的設(shè)計(jì)可以同時(shí)優(yōu)化可見光通信系統(tǒng)在通信和照明兩個(gè)方面的性能.此外，光學(xué)天線還可以在一定程度上克服光通信系統(tǒng)信道遮擋和碼間串?dāng)_等問題.隨著光學(xué)設(shè)計(jì)研究的發(fā)展，光學(xué)天線會(huì)在可見光通信系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用.

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AbstractAs a new wireless communication technology combined illumination with communication，visible light communication has become attractive recently.Optical antenna plays a significant role in visible light communication system for it can optimize the light intensity distribution，enhance the received optical power，and improve the signal to noise ratio of the system.Research on optical antenna is mainly focused on the transmitting antenna or the receiving antenna.Transmitting antenna is usually combined with LED optical design，which can be divided into collimation type，uniform illumination type，and focus type according to the light intensity distribution.Receiving antenna uses composite parabolic concentrator （CPC），F(xiàn)resnel lens or other optical components as the optical receiving front end to enhance the received optical power.In this paper，the research of optical antenna at home and abroad is introduced.The optical performance of the optical antenna is evaluated and compared，and finally the development trend of the optical antenna is forecasted.

Key wordsvisible light communication；optical antenna；transmitting antenna；receiving antenna