一种近场无线激光携能通信系统的研究与设计.docx

? ? 一种近场无线激光携能通信系统的研究与设计 ? ? ［裘晓磊 曾亮 何晓垒］ 1 引言 在航天系统、船舶、航空的一些特定分离界面上，广泛采用分离脱落连接器起到稳定供电、指令传输等作用。分离脱落连接器面临可靠解锁、正常脱落的巨大挑战[1]，连接器的选型、插拔技巧工艺对设计师都要很高的要求，是系统总体装配的一项重要工作[2]，且航天连接器受限于本身机械寿命影响，插拔次数受到一定限制。本文设计的无线激光携能通信系统，采用无线激光通信、传能一体化设计实现双向通信，并解决供电问题，利用激光在大气中传输的所具备的无连接、非接触的优势，解决现有连接器的固有机械寿命问题，可有效解决分离脱落连接器选用中的难题。 2 系统组成及原理 本文设计了一种通信、传能共用无线激光发射端的一体化携能通信系统。系统分为全双工无线激光通信模块和无线激光传能模块组成。全双工无线通信模块采用近场无线激光数据传输技术，近场无线激光数据传输技术以红外波段激光为信息载体、以大气为传输介质，通信模块发射端将携带通信数据的红外激光发射至耦合透镜，耦合透镜将激光进行整形，以无线光的形式发射到大气中，最终经在大气传输后再通过接收透镜耦合至通信模块接收端，并恢复为业务数据[3]。无线激光传能模块主要在激光发射端将电网或蓄电池中的电能转换为激光发射到大气，激光接收端在发射端激光照射下经光电池转换为电能[4,5]。系统组成如图1所示。 图1 无线激光携能通信系统组成框图 2.1 无线激光通信模块 无线激光通信模块由无线激光信号发射电路、无线激光信号探测电路、发射光路、接收光路等组成。其功能组成如图2所示。 图2 无线激光通信功能模块组成示意图 无线激光信号发射电路将业务数据调制到激光信号上，发射光路将光信号进行整形、缩束，保证光信号以一定的发散角发射到大气中，保证在接收端光信号即有一定的范围覆盖，又有能量密度保证通信需要。 2.1.1 激光波长选择 本系统无线激光发射端完成传输光能量和光信号的任务，因此在发射波长的选择上需要考虑传输能量的效率、激光波长响应度、光学系统体积等因素的影响。 在无限极光通信中常用 1 550 nm、1 310 nm、850 nm波段激光，因此本设计主要选取截止波长在1 550 nm、1 310 nm、850 nm波段附近的材料，不同材料的光电池的光电转换效率也存在着区别，如表1所示。 表1 材料及截止波长与转换效率的关系 在800 nm波段，硅（Si）PIN探测器的响应度通常在0.5A/W～0.6A/W之间，而硅（Si）APD（雪崩光电二极管）探测器的响应度处在0.5A/W～0.6A/W之间，但因为APD探测器其本身信号增益特性，具有几十至几百倍的内部增益，通常可以获得较高的通信灵敏度。APD（雪崩光电二极管）的内部增益通常表示为电流倍增因子M，通过改变雪崩光电二极管的VAPD引脚的偏压Ubias可以改变电流倍增因子M的值，电流倍增因子M表示为 式中，UBR为探测器的雪崩击穿电压；n则与PN结的材料和结构有关的常数，对于硅（Si）器件，n=1.8～4，对于锗（Ge）器件n=2.8～8。某型APD探测器的偏置电压和增益关系图如图3所示，随着反向偏压的增加，APD的内部增益将增加，每个APD探测器的反向偏压都有一个最大阈值电压，如果工作偏压再增加，增益陡然增大将导致光电流骤然增加，容易造成探测器的损坏。从图中可以看出，为获得标称的M=100增益，电路上的偏压电压应设置为 152～153 V 附近。 图3 APD增益与偏置电压关系图 在本系统设计中通过后级发射光路压缩束散角提高光学增益，进而提高探测电路接收的光功率，若以衍射极限角θ（全角）发射，通信光束的束散角表示为 式中，λ为信号发射电路发射激光的波长；D为发射光路的口径。从式1看出，1 550 nm波段激光相对800 nm波段激光光学增益更小，达到相同的束散角发射，800 nm所需要的发射口径是1 550 nm波段激光的1/2倍。使用800 nm波段激光可以在设计发射光学系统时采用更小的空间体积。 为兼顾光信号在大气传输和光电池的光电转换效率，系统中无线光发射端采用808 nm波段法布里-珀罗式半导体激光器。 2.1.2 发射电路设计 无线激光信号发射电路通过光强度直接调制的方式，驱动法布里-珀罗式半导体激光器发光。激光器调制驱动主要将业务信号加载到激光载波上，通过改变激光驱动器输出的偏置电流和调制电流调整激光信号波形质量，同时，增加消光比提升激光在大气信道下传输的通信质量。 消光比μ定义为“1”码的功率P1与“0”码的功率P0之比，通过dB表示： 式中，IB表示偏置电流；S0与S1分别为激光器的阈值电流Ith前与后的PI曲线的斜率效率；ID为驱动电流。如果偏置电流与阈值电流比较接近IB≈ It