CN103762998A - 大视场共天线混合微波和激光无线通信装置 - Google Patents

Abstract

大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，属于无线通信技术领域，为解决现有通信系统复杂、重量大及体积大，天线视场角小不利于捕获跟踪，接收灵敏度低的问题，该装置包括由主镜、次镜和三镜组成的离轴三反射镜结构；精跟踪振镜、折叠镜、第一分光镜和第二分光镜；精跟踪振镜接收三镜出射的光，将接收的光反射到折叠镜上，折叠镜将其接收的光反射，反射光入射到第一分光镜，第一分光镜将接收到的光一部分反射到信标光收发组件，另一部分透射到第二分光镜，第二分光镜将接收到的光反射到通信光收发组件；微波馈源处于主镜焦点处，且通过电缆连接到微波通信组件；微波通信组件和激光通信光收发组件通过电缆连接到总控组件。

Description

大视场共天线混合微波和激光无线通信装置

技术领域

本发明涉及一种无线通信装置，具体涉及一种大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，属于无线通信技术领域。

背景技术

激光无线通信因具有通信容量大、传输速率高、保密性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、体积小、功耗低等优点，在无线通信领域中是十分重要的通信方式，将在对通信内容的安全保密性要求较高的场合（比如政府、军事部门、安全部门），或者有强电磁干扰的场所（如战场）等诸多场合中具有潜在的应用前景。

当激光通过大气时，大气吸收、散射和湍流等一系列大气效应对激光无线通信系统的信号传输影响很大，尤其是浓雾和厚云对激光的作用明显。而微波射频信号在大气中受到影响较小，弥补激光无线通信系统的缺陷。为了增加通信的可通性，常采用激光通信系统和微波通信系统相结合的方式，将两种设备互为备份组成混合微波和激光无线通信系统，系统可以根据大气传输条件自动在高通信速率激光通信和低通信速率微波通信间切换。在一般天气里，两条链路可以同时运行，将其中一条作为冗余备份，这样可显著提高系统的可靠性。

现有的混合微波和激光无线通信装置都是微波通信系统和激光通信系统简单的组合，独自使用专属的天线和伺服控制系统。微波通信天线多使用单抛物面镜，而激光通信天线多使用卡塞格林系统或透镜系统。此类装置通过接收功率等条件为判定标准通过软件切换实现微波与激光无线通信双段通信，极大提高了通信的可通性。但此类装置由于采用了各自天线和伺服控制系统加大了装置的重量及体积，而且各自所采用的天线类型不一致加长了加工周期。同时激光天线卡塞格林结构存在有次镜遮拦，降低了接收灵敏度和发射功率，缩短了通信距离。同时天线的视场角都比较小，在天线指向过程中加长了伺服控制系统的扫描时间，降低了捕获概率。而激光天线透镜式结构也存在视场小，口径无法做大等缺陷。

中国专利“激光和微波混合通讯方法及系统”，公开号为CN1295384，如图1所示，该系统由激光通讯设备、微波通讯设备和切换装置，系统在接收信号强度小于预定阈值时，自动切换双波段通信系统。利用该系统能够用微波通讯补偿激光通讯的缺点。

但是，该专利采用激光通讯设备和微波通讯设备简单进行组合，两个通讯设备在切换设备控制下实现高可通性，所采用激光通讯设备和微波通讯设备是较为独立的设备，简单的组合增加了系统重量、体积和复杂程度。激光通信天线视场角小，降低了激光通信的捕获概率和接收灵敏度，适用范围有限，无法适用于未来机载或星载通信等领域。

发明内容

本发明为解决现有的混合微波和激光无线通信装置都是微波通信系统和激光通信系统简单的组合，独自使用专属的天线和伺服控制系统，存在通信系统复杂、重量大及体积大，天线视场角小不利于捕获跟踪，接收灵敏度低的问题，提出了一种大视场共天线混合微波和激光无线通信的装置。

本发明采取以下技术方案：

大视场共天线混合微波和激光无线通信装置包括，

天线单元：由主镜、次镜和三镜组成的离轴三反射镜结构；

光学中继单元：包括精跟踪振镜、折叠镜、第一分光镜和第二分光镜；精跟踪振镜接收三镜出射的光，将接收的光反射到折叠镜上，折叠镜将其接收的光反射，反射光入射到第一分光镜，第一分光镜将接收到的光一部分反射到信标光收发组件，另一部分透射到第二分光镜，第二分光镜将接收到的光反射到通信光收发组件；

通信与控制单元：微波馈源处于主镜焦点处，且通过电缆连接到微波通信组件；微波通信组件和激光通信光收发组件通过电缆连接到总控组件，总控组件通过对通信误码率的判定对微波通信和激光无线通信进行自动切换，或是双波段同时通信，互为冗余备份，从而实现高可通率的通信。

所述微波波段为Ka波段，激光通信光波段为1550nm波段，激光信标光波段为800nm波段。

主镜表面镀1550nm、800nm波段及微波波段全反射膜。

所述次镜表面镀1550nm及800nm波段反射、而微波波段透射的膜。

所述三镜表面镀1550nm和800nm波段反射膜。

所述主镜和次镜具有遮光罩，该遮光罩使用微波波段透射材料。

所述精跟踪振镜和折叠镜镀1550nm和800nm波段全反射膜。所述分光镜1镀800nm波段反射膜和1550nm波段透射膜。

所述分光镜2镀800nm波段透射膜和1550nm波段反射膜。

具体工作过程如下：通过卫星定位伺服控制系统使本发明的装置与通信对象视轴初对准，激光信标光收发组件9发射信标光经过分光镜7和折叠镜6到达精跟踪振镜5，由于精跟踪振镜5跟踪的作用，信标光将通过三镜3、次镜2和主镜1发射出通信系统，与通信对象实现精确跟踪。

然后激光通信光收发组件10发射出通信光依次经过分光镜8、分光镜7、折叠镜6、跟踪振镜5到达天线单元，经过三镜3、次镜2和主镜1后发射出激光无线通信系统实现激光无线通信信号的发射。在通信光发射出系统的同时，天线单元接收到的通信光通过入射口径进入主镜1并反射到次镜2上，并经过三镜3和精跟踪振镜5到达折叠镜6，通过第一分光镜7和第二分光镜8后进入通信光单元10从而实现激光无线通信信号的接收。

通信光单元微波通信组件11产生的微波信号通过微波馈源4发射到主镜1上，并通过天线子系统发射到通信对象实现微波通信信号的发射，同时接收到的微波信号经由主镜1和微波馈源4到达微波通信组件11实现微波通信信号的接收。

总控组件12对激光通信光收发组件10的接收信号进行分析，根据误码率的高低及高误码率出现的时间来判定激光无线通信和微波通信的转换。若出现高误码率且持续时间到达一定程度时，总控组件12启动微波通信系统。或先开启微波通信系统直到激光通信条件允许时开启激光无线通信系统。在功率允许的情况下，微波通信系统和激光无线通信系统同时工作，互为冗余备份。

本发明的有益效果是：本发明使微波通信系统和激光无线通信系统共用一个天线单元，减少了系统的复杂程度，减少了重量和体积，有利于飞机及卫星等搭载；相比现有混合微波和激光无线通信装置，无需多余的微波天线及伺服控制系统，降低了系统复杂度，系统结构紧凑、简单，大视场无遮拦天线提高捕获跟踪概率和接收灵敏度，可实现远距离通信；总控组件根据误码率对双波段进行自动切换，可实现高可通率的通信系统；本发明大视场共天线混合微波和激光无线通信的装置在民用大气信道通信、军事战场通信、构建天地一体化通信网络等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为现有技术激光和微波混合通信系统结构示意图。

图2为本发明大视场共天线混合微波和激光无线通信装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

如图2所示，本发明大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，包括主镜1、次镜2、三镜3、微波馈源4、精跟踪振镜5、折叠镜6、分光镜7、分光镜8、激光信标光收发组件9、激光通信光收发组件10、微波通信组件11和总控组件12。

主镜1、次镜2和三镜3为离轴三反射镜结构，经过光学加工后在微波波段、1550nm及800nm波段像差校正到最小，通过装调达到精确间隔，该结构大视场且无遮拦，作为天线单元。

光学中继单元包括精跟踪振镜5、折叠镜6、第一分光镜7和第二分光镜8；精跟踪振镜5接收三镜3出射的光，将接收的光反射到折叠镜6上，折叠镜6将其接收的光反射，反射光入射到第一分光镜7，第一分光镜7将接收到的光一部分反射到信标光收发组件9，另一部分透射到第二分光镜8，第二分光镜8将接收到的光反射到通信光收发组件10；

通信与控制单元，微波馈源4处于主镜1焦点处，且通过电缆连接到微波通信组件11；微波通信组件11和激光通信光收发组件10通过电缆连接到总控组件12，总控组件12通过对通信误码率的判定对微波通信系统和激光无线通信系统进行自动切换，或是双波段同时通信，互为冗余备份，从而实现高可通率的通信。

信标光收发组件9主要包括信标光光源、光源整形准直镜、信标光探测器、会聚透镜和分光镜。信标光光源发射出信标光经过光源整形准直镜后到达分光镜,并由分光镜通过第一分光镜7进入本发明光路从天线发射出,完成发射信标光的功能。经第一分光镜7接收的信标光经过分光镜后到达会聚透镜，并由会聚透镜将信标光会聚到信标光探测器上，完成接收信标光的功能。

通信光收发组件10主要包括通信光光源、光源整形准直镜、通信光探测器，通信光调制器，通信光解调器、会聚透镜和分光镜。通信光光源发射出通信光经过光源整形准直镜后到达通信光调制器，而后调制后通信光发射到分光镜,并由分光镜通过第一分光镜8进入本发明光路从天线发射出,完成发射信标光的功能。经第一分光镜8接收的通信光经过分光镜后到达会聚透镜，并由会聚透镜将通信光会聚到通信光探测器上，经过光电转换后的电信号再通过通信光解调器，完成接收信标光的功能。微波通信组件11主要包括数据源、带滤波器的双工器、微波调制器、微波解调器。该组件将数据源电信号通过微波调制器调制成微波信号，并通过带滤波器的双工器发送该信号到达微波馈源4再发射出，完成微波通信发射功能。从天线接受的微波信号通过带滤波器的双工器到达微波解调器解调出电信号，完成微波通信接收功能。

总控组件12主要包括误码分析仪、控制计算机、外接入通信系统输入/输出端。通过误码分析仪得到激光无线通信和微波通信部分的误码率，控制计算机根据误码率高低发送切换信号控制外接入通信系统的输入/输出端连接到激光无线通信或微波通信部分。完成分析误码率、切换通信频段的功能。

在通过卫星定位伺服控制系统使本发明的装置与通信对象视轴初对准，并通过精跟踪振镜5和激光信标光收发组件9的作用下完成两通信系统的精跟踪。微波信号或激光信号可以同时从天线单元发射，也可以同时从天线单元接收到微波信号或激光信号。从微波通信组件11发射出微波信号经过电缆到微波馈源4发射到主镜1上，经过主镜1反射后发射出去，同时接收到微波信号到达主镜1上反射汇聚到微波馈源4处经过电缆到达微波通信组件11处。从而完成了微波通信系统的发射和接收。而从激光通信光收发组件10发射出激光信号经过分光镜8和分光镜7到达折叠镜6，经过折叠镜6和精跟踪振镜5反射到达天线单元，再经天线单元的三镜3、次镜2和主镜1发射出去。同时接收到激光信号到达主镜1，经过天线单元等与发射路径一样到达激光通信系统，从而完成了激光通信部分的发射和接收。能够完成通信信标光精跟踪及低误码率的情况下激光通信系统工作，出现误码率升高的情况下，可开启微波通信系统工作。

本发明采用的主镜1镀有微波信号全反射膜和1550nm及800nm波段反射膜。次镜2镀有微波信号透射膜和1550nm及800nm波段反射膜；微波馈源4位于主镜1的焦点处；三镜3镀有1550nm及800nm波段反射膜；精跟踪振镜5为高响应频率的振镜；分光镜7镀800nm波段反射膜和1550nm波段透射膜；分光镜8镀800nm波段透射膜和1550nm波段反射膜。

所述主镜1和次镜2外部有遮光罩，该遮光罩使用微波波段透射材料。

本发明大视场共天线混合微波和激光无线通信装置：

1、根据所需要大视场共天线系统的设计要求，设计离轴三反射镜光学系统，主镜接近抛物面形,天线筒长设计为光学系统焦距的二分之一以内。

2、设计精跟踪振镜、折叠镜、分光镜尽量紧凑。

3、对主镜、次镜、三镜、精跟踪振镜、折叠镜、分光镜设计并镀上相应的膜系。

4、开启卫星定位伺服系统及精跟踪装置后，开启激光通信系统，根据误码率情况判定标准选择性自动开启微波通信系统，完成双波段通信。

本发明可以得到混合微波和激光无线通信装置，随着各种光电器件的不断发展，将会得到更轻小型、更高速率、更高可通性的通信装置，并且其应用也将更加广泛。

以上对本发明的所述实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，其特征是，包括

天线单元：由主镜（1）、次镜（2）和三镜（3）组成的离轴三反射镜结构；

光学中继单元：包括精跟踪振镜（5）、折叠镜（6）、第一分光镜（7）和第二分光镜（8）；精跟踪振镜（5）接收三镜（3）出射的光，将接收的光反射到折叠镜（6）上，折叠镜（6）将其接收的光反射，反射光入射到第一分光镜（7），第一分光镜（7）将接收到的光一部分反射到信标光收发组件（9），另一部分透射到第二分光镜（8），第二分光镜（8）将接收到的光反射到通信光收发组件（10）；

通信与控制单元：微波馈源（4）处于主镜（1）焦点处，且通过电缆连接到微波通信组件（11）；微波通信组件（11）和激光通信光收发组件（10）通过电缆连接到总控组件（12），总控组件（12）通过对通信误码率的判定对微波通信和激光无线通信进行自动切换，或是双波段同时通信，互为冗余备份，从而实现高可通率的通信。

2.根据权利要求1所述的大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，其特征在于，所述微波波段为Ka波段，激光通信光波段为1550nm波段，激光信标光波段为800nm波段。

3.根据权利要求1所述的大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，其特征在于，主镜（1）表面镀1550nm、800nm波段及微波波段全反射膜。

4.根据权利要求1所述的大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，其特征在于，所述次镜（2）表面镀1550nm及800nm波段反射、而微波波段透射的膜。

5.根据权利要求1所述的大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，其特征在于，所述三镜（3）表面镀1550nm和800nm波段反射膜。

6.根据权利要求1所述的大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，其特征在于，所述主镜（1）和次镜（2）外部有遮光罩，该遮光罩使用微波波段透射材料。

7.根据权利要求1所述的大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，其特征在于，所述精跟踪振镜（5）和折叠镜（6）镀1550nm和800nm波段全反射膜。

8.根据权利要求1所述的大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，其特征在于，所述分光镜（7）镀800nm波段反射膜和1550nm波段透射膜。

9.根据权利要求1所述的大视场共天线混合微波和激光无线通信装置，其特征在于，所述分光镜（8）镀800nm波段透射膜和1550nm波段反射膜。

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