CN108563013A - 一种复合抛物面接收天线设计方法以及复合抛物面接收天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合抛物面接收天线设计方法以及复合抛物面接收天线,应用于深紫外光通信。根据该设计方法能够大大降低复合抛物面(CPC)的高度，增大视场角，较少深紫外光信号在传输过程中的路径损耗，同时提升了CPC的经济性和实用性。所述天线包括优化的复合抛物面聚光器，深紫外滤光片。所述复合抛物面聚光器为中空的圆锥体结构，内表面贴有增加反射的光学薄膜，聚光器底部为通孔，通孔下方为深紫外滤光片。同时采用深紫外滤光片能够有效地滤除其他波段的噪声干扰，有效地提高信噪比。
Description
技术领域
本发明属于深紫外光通信领域，具体涉及一种应用于深紫外光通信的复合抛物面接收天线的优化设计方法。
背景技术
深紫外光通信是一种新型的通信方式，接收天线是非视距深紫外光通信系统的重要组成部分，它能够收集大气中散射的微弱信号，并对信号进行滤波。
目前深紫外光通信接收端常用的接收天线是菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的视场角较小，不能满足大角度收集信号的要求。因此采用复合抛物面作为接收天线。复合抛物面聚光器(CPC)是基于边缘光学原理设计的一种非成像聚光器，最初应用于太阳能聚光，它能够将特定角度范围内的光汇聚到探测器表面。但是在实际应用中，标准CPC由于体积大，加工困难，难以满足实际通信的要求。因此需要对现有的CPC进行优化设计，来满足实际应用的需求。
发明内容
针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种复合抛物面接收天线的设计方法,所述方法主要包括以下步骤：
1).建立平板接收型复合抛物面聚光器模型；
2).为减小所型复合抛物面聚光器的体积，基于所述步骤1)中建立的所述模型，对所述型复合抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数；
3).确定深紫外光通信过程中光信号能量的路径损耗；
4).根据所述步骤2)中确定的所述与截取比有关的参数以及所述步骤3)中确定的所述光信号能量的路径损耗，确定最优截取比。
进一步地，所述步骤1)中建立平板接收型复合抛物面聚光器模型，具体包括：
对所述复合抛物面聚光器的横切面建立xoy坐标系，设所述横切面由抛物线F1P1，F2P2轴对称旋转形成；其中，a表示标准复合抛物面入射面半径，hmax表示标准复合抛物面高度，θ0表示标准复合抛物面聚光器视场角。
进一步地，所述步骤2)中对所述型复合抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数，具体包括：
通过以下公式分别确定复合抛物面聚光器的几何聚光比c(θ0,k)和视场角θk：
其中，b表示出射面半径，k表示截取比，其定义为CPC的高度h小于标准复合抛物面高度hmax，定义截取比为k＝h/hmax(0＜k＜1)；xk表示当截取比为k时的入射面半径，即ak。
进一步地，所述步骤3)中确定深紫外光通信过程中光信号能量的路径损耗，具体包括；
基于蒙特卡洛的单散射模型对深紫外光的通信过程进行模拟。通过追踪光子的产生、碰撞和消亡过程，计算光子在传输过程中的路径损耗。通过不同截取比下的路径损耗变化来确定最优的复合抛物面聚光器结构。通过以下公式计算所述路径损耗L：
其中，Ar表示接受面面积，φ1表示发射端发散角，φ2表示接受面视场角，r表示发射端和接收端之间的距离，ke表示消光系数，ks表示散射系数，P(μ)表示散射相函数。
进一步地，所述步骤4)中确定最优截取比，具体包括：
将所述几何聚光比c(θ0,k)和视场角θk的公式代入所述路径损耗公式，从而得到所述最优截取比。
本发明还提供了一种复合抛物面接收天线，包括：基于上述方法制造的复合抛物面聚光器；以及，深紫外滤光片。
进一步地，所述复合抛物面聚光器为中空圆锥结构，内表面贴有增加反射的光学薄膜，底部具有通孔，所述深紫外滤光片设置在所述通孔的下方。
根据上述本发明所提供的复合抛物面接收天线的设计方法，解决现有复合抛物面接收天线难以满足实际应用的问题，提供了一种小体积、大视场角的优化设计方法。基于该方法所提供的复合抛物面接收天线，采用了深紫外滤光片，能够有效地滤除其他波段的噪声干扰，有效地提高信噪比。
附图说明
图1是根据本发明所提供方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提供的方法及其相应的复合抛物面接收天线做出进一步详尽的阐释。
如附图1所示，本发明所提供的一种复合抛物面接收天线的设计方法，主要包括以下步骤：
1).建立平板接收型复合抛物面聚光器模型；
2).为减小所型复合抛物面聚光器的体积，基于所述步骤1)中建立的所述模型，对所述型复合抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数；
3).确定深紫外光通信过程中光信号能量的路径损耗；
4).根据所述步骤2)中确定的所述与截取比有关的参数以及所述步骤3)中确定的所述光信号能量的路径损耗，确定最优截取比。
在本申请的一个优选实施例中，所述步骤1)中建立平板接收型复合抛物面聚光器模型，具体包括：
对所述复合抛物面聚光器的横切面建立xoy坐标系，设所述横切面由抛物线F1P1，F2P2轴对称旋转形成；其中，a表示标准复合抛物面入射面半径，hmax表示标准复合抛物面高度，θ0表示标准复合抛物面聚光器视场角。
在本申请的一个优选实施例中，所述步骤2)中对所述型复合抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数，具体包括：
通过以下公式分别确定复合抛物面聚光器的几何聚光比c(θ0,k)和视场角θk：
其中，b表示出射面半径，k表示截取比，其定义为CPC的高度h小于标准复合抛物面高度hmax，定义截取比为k＝h/hmax(0＜k＜1)；xk表示当截取比为k时的入射面半径，即ak。
在本申请的一个优选实施例中，所述步骤3)中确定深紫外光通信过程中光信号能量的路径损耗，具体包括；
基于蒙特卡洛的单散射模型对深紫外光的通信过程进行模拟，通过以下公式计算所述路径损耗L：
其中，Ar表示接受面面积，φ1表示发射端发散角，φ2表示接受面视场角，r表示发射端和接收端之间的距离，ke表示消光系数，ks表示散射系数，P(μ)表示散射相函数。在本申请的一个优选实施例中，所述步骤4)中确定最优截取比，具体包括：
将所述几何聚光比c(θ0,k)和视场角θk的公式代入所述路径损耗公式，从而得到所述最优截取比。
本发明还提供了一种复合抛物面接收天线，包括：基于上述方法制造的复合抛物面聚光器；以及，深紫外滤光片。
在本申请的一个优选实施例中，所述复合抛物面聚光器为中空圆锥结构，内表面贴有增加反射的光学薄膜，底部具有通孔，所述深紫外滤光片设置在所述通孔的下方。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种复合抛物面接收天线的设计方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
1).建立平板接收型复合抛物面聚光器模型；
2).基于所述步骤1)中建立的所述模型，对所述型复合抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数；
3).确定深紫外光通信过程中光信号能量的路径损耗；
4).根据所述步骤2)中确定的所述与截取比有关的参数以及所述步骤3)中确定的所述光信号能量的路径损耗，确定最优截取比。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中建立平板接收型复合抛物面聚光器模型，具体包括：
对所述复合抛物面聚光器的横切面建立xoy坐标系，设所述横切面由抛物线F1P1，F2P2轴对称旋转形成；其中，a表示标准复合抛物面入射面半径，hmax表示标准复合抛物面高度，θ0表示标准复合抛物面聚光器视场角。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中对所述型复合抛物面聚光器进行截取，确定与截取比有关的参数，具体包括：
通过以下公式分别确定复合抛物面聚光器的几何聚光比c(θ0,k)和视场角θk：
其中，b表示出射面半径，k表示截取比，其定义为复合抛物面的高度h小于标准复合抛物面高度hmax，定义截取比为k＝h/hmax(0＜k＜1)；xk表示当截取比为k时的入射面半径，即ak。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中确定深紫外光通信过程中光信号能量的路径损耗，具体包括；
基于蒙特卡洛的单散射模型对深紫外光的通信过程进行模拟，通过以下公式计算所述路径损耗L：
其中，Ar表示接受面面积，φ1表示发射端发散角，φ2表示接受面视场角，r表示发射端和接收端之间的距离，ke表示消光系数，ks表示散射系数，P(μ)表示散射相函数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中确定最优截取比，具体包括：
将所述几何聚光比c(θ0,k)和视场角θk的公式代入所述路径损耗公式，从而得到所述最优截取比。
6.一种复合抛物面接收天线，其特征在于：包括根据权利要求1-5任一项所述的方法制造的复合抛物面聚光器；以及，深紫外滤光片。
7.如权利要求6所述的复合抛物面接收天线，其特征在于：所述复合抛物面聚光器为中空圆锥结构，其内表面贴有增加反射的光学薄膜，底部具有通孔，所述深紫外滤光片设置在所述通孔的下方。
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