緊湊型離軸三反射鏡激光通信天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線光通信技術領域，具體涉及一種用于無線激光通信終端的緊湊型 離軸三反射鏡激光通信天線。
【背景技術】
[0002] 相對于傳統(tǒng)的微波通信，無線激光通信具有通信容量大，保密性好，抗電磁干擾能 力強，不需要無線電頻率使用許可，設備體積小、重量輕和功耗低等優(yōu)點，在對通信內(nèi)容安 全保密性較高的場合(如政府、軍事部門等)或有強電磁干擾的場所(如戰(zhàn)場等)等諸多場景 中具有廣泛的應用前景。
[0003] 無線激光通信終端光學系統(tǒng)部分包含光學天線和后續(xù)子光路，其中天線與后續(xù)子 光路連接處的光束一般整形為平行光，以便于使用分光鏡分開不同的發(fā)射和接收子光路， 或使用折疊反射鏡拉長子光路的長度以方便結(jié)構(gòu)設計（中國專利"一種基于波前校正的相 干激光通信系統(tǒng)"。專利【申請?zhí)枴?00910066931.0)。在激光通信終端中，比起透射式光學天 線，無透鏡的反射式光學天線口徑相對容易做大，并且可輕量化，更加適應飛機、衛(wèi)星等對 通信終端質(zhì)量有較大限制的平臺。此外，使用全反射光學結(jié)構(gòu)的天線不會產(chǎn)生色差，這對往 往同時使用四種工作波長(通信收、發(fā)，信標收、發(fā)）的遠距離激光通信系統(tǒng)是十分有益的。 以往的反射式激光通信天線一般采用卡塞格林結(jié)構(gòu)，其具有中心遮攔，導致激光的發(fā)射和 接收功率下降，從而導致了通信鏈路距離的縮短。
[0004] 中國專利"大視場共天線混合微波和激光無線通信裝置"（【申請?zhí)枴?201310498524.3 )，如附圖1所示。該發(fā)明中使用了由主鏡、次鏡和三鏡組成的離軸三反射鏡 結(jié)構(gòu)天線，避免了中心遮攔。但是，該發(fā)明光學結(jié)構(gòu)的三塊反射鏡位置安排較為分散，各反 射鏡之間間距較大，導致其三反結(jié)構(gòu)在垂直方向的長度遠大于相同光學口徑的兩反卡塞格 林結(jié)構(gòu)，從而增大了整個天線的體積，使其輕小化變得更加困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為解決反射式激光通信天線采用卡賽格林兩反式結(jié)構(gòu)時存在中心遮攔，而 采用現(xiàn)有技術中離軸三反結(jié)構(gòu)時各反射鏡之間間距較大，導致天線體積過大的問題，提出 一種緊湊型離軸三反射鏡激光通信天線。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術方案如下：
[0007] -種緊湊型離軸三反射鏡激光通信天線，包括主反射鏡、第二反射鏡和第三反射 鏡。
[0008] 該天線為收發(fā)共孔徑光學天線。進行接收時，來自遠處的通信或信標光能量經(jīng)過 所述主反射鏡反射后照到第二反射鏡，經(jīng)過第二反射鏡后照到第三反射鏡，最終變?yōu)榭趶?窄于入射平行光口徑的平行光出射。進行發(fā)射時，準直為平行光的激光能量經(jīng)過第三反射 鏡反射后照到第二反射鏡，經(jīng)過第二反射鏡后照到主反射鏡，最終變?yōu)榭趶綄捰谌肷涔饪?徑的平行光出射。
[0009]進行通信或信標接收時，所述的光學天線起到縮束的作用，縮束比5:1。進行通信 或信標發(fā)射時，該天線起到擴束的作用，擴束比為5:1。
[0010]通過各反射鏡合理的傾斜，最大限度地折疊光路，縮小整個天線的外形體積。具體 表現(xiàn)形式為:所述光學天線進行通信或信標接收時，光束經(jīng)第三反射鏡反射后，主光線出射 的空間位置位于第一反射鏡和第二反射鏡的中間。即經(jīng)第三反射鏡后出射的主光線與第一 反射鏡和第二反射鏡中心點連接而成的線段必相交于一點。
[0011] 優(yōu)化三塊反射鏡之間的距離，使得在不遮擋光束、各反射鏡之間避免互相干擾的 前提下，三塊反射鏡之間的距離最短，以進一步縮小天線外包絡。設所述天線入瞳口徑為d， 并認為光瞳中心的光線，即主光線在每塊反射鏡上的落點為反射鏡的中心點，主反射鏡中 心點和第二反射鏡中心點的距離為11，第二反射鏡中心點和第三反射鏡中心點的距離為h， 第三反射鏡中心點和主反射鏡中心點的距離為1 3,則有下列等式成立did.ScUhSl.Sd， 13< 1.7d〇
[0012] 所述光學天線的孔徑光闌與主反射鏡重合。所述主反射鏡和第二反射鏡光焦度為 正值，第三反射鏡的光焦度為負值;為減小加工難度，光學口徑最大的主反射鏡無孔徑離 軸量。
[0013] 所述主反射鏡和第二反射鏡均為Zernike多項式自由曲面，曲面方程滿足式（1); 第三反射鏡為偶次非球面，非球面方程滿足式(2);
[0014] 本發(fā)明中坐標定義如下:Y-Z平面為紙面，z軸水平向右，y軸在紙面內(nèi)垂直于z軸向 上，x軸垂直于紙面向里，構(gòu)成右手坐標系；
(1)
[0016]其中，C、k分別為曲面的曲率和圓錐常數(shù)，z偽澤尼克多項式第j項，c偽第j項的系 數(shù)，n為多項式項數(shù)，最高可用到66項。
(2)
[0018] 其中，C和k分別為曲面的曲率和圓錐常數(shù)，心、81、&、01為4、6、8、10階非球面系數(shù)。
[0019] 本發(fā)明的有益效果為：1)本發(fā)明采用全反射式結(jié)構(gòu)，避免色差，可用于任意波長的 激光通信。此外便于系統(tǒng)同時使用不同的通信波長和信標波長。2)本發(fā)明采用離軸三反射 鏡結(jié)構(gòu)，不存在光線遮攔和能量損失問題。發(fā)明結(jié)構(gòu)較為緊湊、簡單，僅三片反射鏡，不需要 額外的平面反射鏡折轉(zhuǎn)光路，且各反射鏡間距離緊湊，有利激光通信端機的小型化及輕量 化。3)本發(fā)明的天線設計為平行光出射和入射，不需要中繼光學元件進行二次準直，便于與 后續(xù)的接收和發(fā)射子光路進行銜接，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0020] 圖1長方形虛線框中的部分為現(xiàn)有技術激光通信光學天線結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2為本發(fā)明的緊湊型離軸三反射鏡激光通信天線的結(jié)構(gòu)及光路示意圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明光學天線各反射鏡之間的距離的示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明光學天線的出瞳波像差示意圖；
[0024]其中：1、主反射鏡，2、第二反射鏡，3、第三反射鏡，A、主反射鏡中心點，B、第二反射 鏡中心點，C、第三反射鏡中心點，ll、主反射鏡與第二反射鏡中心點之間距咼，12、第二反射 鏡與第三反射鏡中心點之間距離，13、第三反射鏡與主反射鏡中心點之間距離。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明。
[0026]如附圖2所示，緊湊型離軸三反射鏡激光通信天線，其包括主反射鏡1，第二反射鏡 2和第三反射鏡3。系統(tǒng)通信波長為1550nm。
[0027] 所述天線為收發(fā)共孔徑光學天線。進行接收時，來自遠處的通信或信標光能量經(jīng) 過所述主反射鏡1反射后照到第二反射鏡2,經(jīng)過第二反射鏡2反射后照到第三反射鏡3,最 終變?yōu)榭趶秸谌肷淦叫泄饪趶降钠叫泄獬錾?。進行發(fā)射時，準直為平行光的激光能量經(jīng) 過第三反射鏡3反射后照到第二反射鏡2,經(jīng)過第二反射鏡2反射后照到主反射鏡1，最終變 為口徑寬于入射光口徑的平行光出射。
[0028] 進行通信或信標接收時，所述的光學天線起到縮束的作用，縮束比5:1。進行通信 或信標發(fā)射時，該天線起到擴束的作用，擴束比為5:1。
[0029]所述天線通過各反射鏡合理的傾斜，最大限度地折疊光路，以縮小整個天線的外 形體積。具體表現(xiàn)形式為：以接收時光路考慮，使得光束經(jīng)第三反射鏡3反射后，主光線出射 的空間位置位于主