CN205355261U - 紧凑型离轴三反射镜激光通信天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型紧凑型离轴三反射镜激光通信天线属于无线光通信技术领域，该天线包括主反射镜、第二反射镜和第三反射镜。天线进行接收时，来自远处的激光能量依次经过主反射镜、第二反射镜和第三反射镜，最终变为口径窄于入射光的平行光出射。天线进行发射时，准直为平行光的激光能量依次经过第三反射镜、第二反射镜和主反射镜，最终变为口径宽于入射光口径的平行光出射。所述三块反射镜中心点的间距符合以下关系式：<i>l₁</i>≤1.3<i>d</i>，<i>l₂</i>≤1.5<i>d</i>，<i>l₃</i>≤1.7<i>d</i>。其中，<i>d</i>为天线进行接收时的入瞳口径，<i>l₁</i>、<i>l₂</i>、<i>l₃</i>分别为三块反射镜中每两块反射镜中心点的间距。该天线具有无色差，结构简单、紧凑，体积重量轻，易于与后续子光路衔接等优点，可广泛应用于飞机通信、卫星通信等领域之中。

Description

紧凑型离轴三反射镜激光通信天线

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种用于无线激光通信终端的紧凑型离轴三反射镜激光通信天线。

背景技术

相对于传统的微波通信，无线激光通信具有通信容量大，保密性好，抗电磁干扰能力强，不需要无线电频率使用许可，设备体积小、重量轻和功耗低等优点，在对通信内容安全保密性较高的场合(如政府、军事部门等)或有强电磁干扰的场所(如战场等)等诸多场景中具有广泛的应用前景。

无线激光通信终端光学系统部分包含光学天线和后续子光路，其中天线与后续子光路连接处的光束一般整形为平行光，以便于使用分光镜分开不同的发射和接收子光路，或使用折叠反射镜拉长子光路的长度以方便结构设计(中国专利“一种基于波前校正的相干激光通信系统”。专利申请号：200910066931.0)。在激光通信终端中，比起透射式光学天线，无透镜的反射式光学天线口径相对容易做大，并且可轻量化，更加适应飞机、卫星等对通信终端质量有较大限制的平台。此外，使用全反射光学结构的天线不会产生色差，这对往往同时使用四种工作波长(通信收、发，信标收、发)的远距离激光通信系统是十分有益的。以往的反射式激光通信天线一般采用卡塞格林结构，其具有中心遮拦，导致激光的发射和接收功率下降，从而导致了通信链路距离的缩短。

中国专利“大视场共天线混合微波和激光无线通信装置”(申请号：201310498524.3)，如附图1所示。该发明中使用了由主镜、次镜和三镜组成的离轴三反射镜结构天线，避免了中心遮拦。但是，该发明光学结构的三块反射镜位置安排较为分散，各反射镜之间间距较大，导致其三反结构在垂直方向的长度远大于相同光学口径的两反卡塞格林结构，从而增大了整个天线的体积，使其轻小化变得更加困难。

发明内容

本发明为解决反射式激光通信天线采用卡赛格林两反式结构时存在中心遮拦，而采用现有技术中离轴三反结构时各反射镜之间间距较大，导致天线体积过大的问题，提出一种紧凑型离轴三反射镜激光通信天线。

本发明所采用的技术方案如下：

一种紧凑型离轴三反射镜激光通信天线，包括主反射镜、第二反射镜和第三反射镜。

该天线为收发共孔径光学天线。进行接收时，来自远处的通信或信标光能量经过所述主反射镜反射后照到第二反射镜，经过第二反射镜后照到第三反射镜，最终变为口径窄于入射平行光口径的平行光出射。进行发射时，准直为平行光的激光能量经过第三反射镜反射后照到第二反射镜，经过第二反射镜后照到主反射镜，最终变为口径宽于入射光口径的平行光出射。

进行通信或信标接收时，所述的光学天线起到缩束的作用，缩束比5:1。进行通信或信标发射时，该天线起到扩束的作用，扩束比为5:1。

通过各反射镜合理的倾斜，最大限度地折叠光路，缩小整个天线的外形体积。具体表现形式为：所述光学天线进行通信或信标接收时，光束经第三反射镜反射后，主光线出射的空间位置位于第一反射镜和第二反射镜的中间。即经第三反射镜后出射的主光线与第一反射镜和第二反射镜中心点连接而成的线段必相交于一点。

优化三块反射镜之间的距离，使得在不遮挡光束、各反射镜之间避免互相干扰的前提下，三块反射镜之间的距离最短，以进一步缩小天线外包络。设所述天线入瞳口径为d，并认为光瞳中心的光线，即主光线在每块反射镜上的落点为反射镜的中心点，主反射镜中心点和第二反射镜中心点的距离为l₁，第二反射镜中心点和第三反射镜中心点的距离为l₂，第三反射镜中心点和主反射镜中心点的距离为l₃，则有下列等式成立：l₁≤1.3d，l₂≤1.5d，l₃≤1.7d。

所述光学天线的孔径光阑与主反射镜重合。所述主反射镜和第二反射镜光焦度为正值，第三反射镜的光焦度为负值；为减小加工难度，光学口径最大的主反射镜无孔径离轴量。

所述主反射镜和第二反射镜均为Zernike多项式自由曲面，曲面方程满足式(1)；第三反射镜为偶次非球面，非球面方程满足式(2)；

本发明中坐标定义如下：Y-Z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在纸面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；

$z=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2(x^2+y^2)}}+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{z}_j{c}_j---\left(1\right)$

其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥常数，z_j为泽尼克多项式第j项，c_j为第j项的系数，n为多项式项数，最高可用到66项。

$\begin{array}{c}z=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2(x^2+y^2)}}\mathrm{..}\\ +A_1{(x^2+y^2)}^2+B_1{(x^2+y^2)}^3+C_1{(x^2+y^2)}^4+D_1{(x^2+y^2)}^5\end{array}---\left(2\right)$

其中，C和k分别为曲面的曲率和圆锥常数，A₁、B₁、C₁、D₁为4、6、8、10阶非球面系数。

本发明的有益效果为：1)本发明采用全反射式结构，避免色差，可用于任意波长的激光通信。此外便于系统同时使用不同的通信波长和信标波长。2)本发明采用离轴三反射镜结构，不存在光线遮拦和能量损失问题。发明结构较为紧凑、简单，仅三片反射镜，不需要额外的平面反射镜折转光路，且各反射镜间距离紧凑，有利激光通信端机的小型化及轻量化。3)本发明的天线设计为平行光出射和入射，不需要中继光学元件进行二次准直，便于与后续的接收和发射子光路进行衔接，简化系统结构。

附图说明

图1长方形虚线框中的部分为现有技术激光通信光学天线结构示意图。

图2为本发明的紧凑型离轴三反射镜激光通信天线的结构及光路示意图；

图3为本发明光学天线各反射镜之间的距离的示意图；

图4为本发明光学天线的出瞳波像差示意图；

其中：1、主反射镜，2、第二反射镜，3、第三反射镜，A、主反射镜中心点，B、第二反射镜中心点，C、第三反射镜中心点，l₁、主反射镜与第二反射镜中心点之间距离，l₂、第二反射镜与第三反射镜中心点之间距离，l₃、第三反射镜与主反射镜中心点之间距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

如附图2所示，紧凑型离轴三反射镜激光通信天线，其包括主反射镜1，第二反射镜2和第三反射镜3。系统通信波长为1550nm。

所述天线为收发共孔径光学天线。进行接收时，来自远处的通信或信标光能量经过所述主反射镜1反射后照到第二反射镜2，经过第二反射镜2反射后照到第三反射镜3，最终变为口径窄于入射平行光口径的平行光出射。进行发射时，准直为平行光的激光能量经过第三反射镜3反射后照到第二反射镜2，经过第二反射镜2反射后照到主反射镜1，最终变为口径宽于入射光口径的平行光出射。

进行通信或信标接收时，所述的光学天线起到缩束的作用，缩束比5:1。进行通信或信标发射时，该天线起到扩束的作用，扩束比为5:1。

所述天线通过各反射镜合理的倾斜，最大限度地折叠光路，以缩小整个天线的外形体积。具体表现形式为：以接收时光路考虑，使得光束经第三反射镜3反射后，主光线出射的空间位置位于主反射镜1和第二反射镜2的中间。即经第三反射镜3后出射的主光线与第一反射镜1和第二反射镜2中心点连接而成的线段必相交于一点。

参见附图2、附图3，优化所述三块反射镜之间的距离，使得在不遮挡光束、各反射镜之间避免互相干扰的前提下，三块反射镜之间的距离最短。设所述天线入瞳口径为d，并认为光瞳中心的光线，即主光线在每块反射镜上的落点为反射镜的中心点。本实施例的入瞳口径d(接收时)为100mm，所述主反射镜中心点A与第二反射镜中心点B的距离l₁为130mm，第二反射镜中心点B和第三反射镜中心点C的距离l₂为150mm，第三反射镜中心点C和主反射镜中心点A的距离l₃为166.5mm，满足l₁≤1.3d，l₂≤1.6d，l₃≤1.7d的条件。

所述天线光学结构的孔径光阑与所述主反射镜1重合。所述主反射镜1和第二反射镜2光焦度为正值，第三反射镜3的光焦度为负值；为减小加工难度，光学口径最大的主反射镜1无孔径离轴量。

为校正反射镜倾斜引起的像差，所述主反射镜1和第二反射镜2均为Zernike多项式自由曲面，曲面方程满足式(1)；第三反射镜3为偶次非球面，非球面方程满足式(2)。

本发明中坐标定义如下：Y-Z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在纸面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；

$z=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2(x^2+y^2)}}+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{z}_j{c}_j---\left(1\right)$

其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥常数，z_j为泽尼克多项式第j项，c_j为第j项的系数，n为多项式项数，最高可用到66项。

$\begin{array}{c}z=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2(x^2+y^2)}}\mathrm{..}\\ +A_1{(x^2+y^2)}^2+B_1{(x^2+y^2)}^3+C_1{(x^2+y^2)}^4+D_1{(x^2+y^2)}^5\end{array}---\left(2\right)$

其中，C和k分别为曲面的曲率和圆锥常数，A₁、B₁、C₁、D₁为4、6、8、10阶非球面系数。

所述各反射镜具体参数参见表1：

表1天线光学结构详细参数

所述主反射镜1和第二反射镜2采用3-10项泽尼克多项式进行设计，Zernike各项系数见表2。第三反射镜3采用最高项数为10次项的非球面偶次多项式，非球面各项系数见表3。

表2主反射镜、第二反射镜Zernike多项式各项系数

项数	主反射镜1	第二反射镜2
			1.	0	0
2.	0	0
			3.	0	0
4.	6.70E-05	0.000210398
			5.	-0.000153193	0.000240619
6.	-2.24E-06	-7.21E-06
			7.	-9.84E-10	-5.03E-10
8.	-1.50E-09	-5.55E-09
			9.	2.74E-08	1.06E-07
10.	-7.94E-08	9.88E-08

表3第三反射镜非球面系数

项数	第三反射镜
		A1	0
B1	-1.17E-11
		C1	1.12E-15
D1	-2.63E-20

附图4为本实施例出瞳(接收时)的波前像差，RMS值为0.010waves，P-V值为0.073waves(λ＝1550nm)。可见本实施例给整个激光通信端机光学系统引入的波前差极小。

本发明将主要应用于空间激光通信终端天线，其具有无色差的优点，可适用于任意波长激光通信；无中心遮拦，避免能量损失；平行光入射的条件下可保证平行光出射，不需中继光学系统，可直接与后续子光路进行衔接。天线结构简单、紧凑，体积重量小，有利于光端机轻小型化，可广泛应用于飞机通信、卫星通信、星地通信等领域之中。

Claims (5)

1.一种紧凑型离轴三反射镜激光通信天线，包括：主反射镜(1)、第二反射镜(2)和第三反射镜(3)，其特征在于：

1)该天线为收发共孔径光学天线；进行接收时，来自远处的通信或信标光能量经过所述主反射镜(1)反射后照到第二反射镜(2)，经过第二反射镜(2)反射后照到第三反射镜(3)，最终变为口径窄于入射光口径的平行光出射，进行发射时，准直为平行光的激光能量经过第三反射镜(3)反射后照到第二反射镜(2)，经过第二反射镜(2)反射后照到主反射镜(1)，最终变为口径宽于入射光口径的平行光出射；

2)设所述天线入瞳口径为d，并认为光瞳中心的光线，即主光线在每块反射镜上的落点为反射镜的中心点，设主反射镜中心点(A)和第二反射镜中心点(B)的距离为l₁，第二反射镜中心点(B)和第三反射镜中心点(C)的距离为l₂，第三反射镜中心点(C)和主反射镜中心点(A)的距离为l₃，则有下列等式成立：l₁≤1.3d，l₂≤1.5d，l₃≤1.7d。

2.根据权利要求1所述的紧凑型离轴三反射镜激光通信天线，其特征在于：进行通信或信标接收时，所述的光学天线起到缩束的作用，缩束比5:1；进行通信或信标发射时，所述的光学天线起到扩束的作用，扩束比为5:1。

3.根据权利要求1所述的紧凑型离轴三反射镜激光通信天线，其特征在于：所述的天线进行通信或信标接收时，光束经第三反射镜(3)反射后，主光线出射的空间位置位于主反射镜(1)和第二反射镜(2)的中间，即经第三反射镜(3)后出射的主光线与主反射镜中心点(A)和第二反射镜中心点(B)连接而成的线段必相交于一点。

4.根据权利要求1所述的紧凑型离轴三反射镜激光通信天线，其特征在于：所述天线还包括孔径光阑，该孔径光阑与主反射镜(1)重合；所述主反射镜(1)和第二反射镜(2)光焦度为正值，第三反射镜(3)的光焦度为负值；主反射镜(1)无孔径离轴量。

5.根据权利要求1所述的紧凑型离轴三反射镜激光通信天线，其特征在于：所述主反射镜(1)和第二反射镜(2)均为Zernike多项式自由曲面，曲面方程满足式(1)；第三反射镜(3)为偶次非球面，非球面方程满足式(2)；

本发明中坐标定义如下：Y-Z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在纸面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；

其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥常数，z_j为泽尼克多项式第j项，c_j为第j项的系数，n为多项式项数，最高可用到66项；

其中，C和k分别为曲面的曲率和圆锥常数，A₁、B₁、C₁、D₁为4、6、8、10阶非球面系数。