一種典型的卡塞格倫光學(xué)天線的設(shè)計與分析

摘 要：基于空間光通信中的卡塞格倫光學(xué)天線的重要性，文中介紹了一種典型的卡塞格倫光學(xué)天線設(shè)計，利用CODE-V軟件進行了仿真，并分析了發(fā)散角（半角）為2.8263o的點光源在卡塞格倫光學(xué)天線中傳輸?shù)奶攸c。最后，利用MATLAB軟件仿真了發(fā)射光束發(fā)散角與點光源偏離焦點距離之間的關(guān)系圖。

關(guān)鍵詞：卡塞格倫光學(xué)天線 主鏡 次鏡

中圖分類號：TN822 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0057-02

The Design and Analysis of a Typical Optical Cassegrain Antenna

HUANG Kai Liu Haifeng

（The Engineering and technical College of Chengdu University of Technology，Leshan，614000，China）

Abstract：Based on the importance of the optical Cassegrain antenna in the space optical communication，the paper introduced a typical optical Cassegrain antenna design，and simulated it by using the CODE-V software.The characteristics of transmission of the point light source with divergence angle（half-width）2.82630 through the optical Cassegrain antenna was analysed，and compiled procedures by using the MATLAB software，to describe the relationship between the divergence angle and the distance of the point light source from the focus.

Key words：Optical Cassegrain antenna Primary mirror Secondary mirror

光學(xué)天線是當(dāng)代空間光通信發(fā)展的重要組成部分，目前國內(nèi)外已研制出各種光學(xué)天線系統(tǒng)[1]。卡塞格倫光學(xué)天線作為光學(xué)發(fā)射和接收天線，其突出的優(yōu)點有：（1）口徑可以做得較大，不產(chǎn)生色差且可用波段范圍較寬[2]；（2）采用非球面鏡后，有較大的消像差能力[3]；（3）可以做到收發(fā)合一。本文設(shè)計了一種典型卡塞格倫光學(xué)天線，并討論了點光源在其中傳輸?shù)奶攸c。

1 卡塞格倫光學(xué)天線的設(shè)計

1.1 卡塞格倫光學(xué)天線設(shè)計的理論推導(dǎo)

我們都知道，遮擋比的增加，會使得天線的增益有所下降。在具體設(shè)計光學(xué)天線時，應(yīng)選擇合適的遮擋比，在保證系統(tǒng)像差的要求下，盡量降低遮擋比α，但是它不能太小，因為那樣將會降低天線增益。綜合分析各種因素，遮擋比取0.2較為合適。

1.2 卡塞格倫光學(xué)天線的仿真

根據(jù)以上理論，本文設(shè)計的卡塞格倫光學(xué)天線參數(shù)是：主鏡直徑150 mm，次鏡直徑30 mm，系統(tǒng)的放大倍數(shù)為5倍，系統(tǒng)的遮擋比為0.2，其模型圖仿真如圖2所示。

2 發(fā)散角（半角）為2.8263o的點光源在天線中的傳輸特點

2.1 點光源偏離焦點F1引起天線發(fā)射光束發(fā)散角的變化

本文采用光線追跡法，對天線發(fā)射光束的發(fā)散角與點光源偏離焦點F1的距離的關(guān)系進行了分析。圖3、圖4分別表示點光源在焦點F1附近移動時，發(fā)射光束發(fā)散角的變化。在圖3、圖4中，θ4表示發(fā)射光束的發(fā)散角，l表示點光源與焦點F1的水平距離，h表示點光源與焦點F1的豎直距離。點光源從焦點F1左方逐漸移向焦點右方時（主、次鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，點光源發(fā)射方向始終保持水平向右），θ4先減小再增大，當(dāng)點光源處在焦點F1時，θ4有最小值，為1.045×10-10rad。當(dāng)點光源位于焦點左方和右方60 mm處時，θ4有最大值，其絕對值為23 mrad。當(dāng)點光源從焦點F1下方逐漸往上移，θ4先減小再增大，當(dāng)點光源處在焦點F1時，θ4有最小值，為1.045×10-10rad。當(dāng)點光源位于焦點F1下方和上方1 mm處時，θ4有最大值，其絕對值為0.662 mrad。

2.2 天線發(fā)射光束發(fā)散角增大的影響

從圖3和圖4可以對比得到以下結(jié)論：點光源在焦點上下移動引起天線發(fā)射光束發(fā)散角的變化，遠大于點光源在焦點F1左右移動引起發(fā)射光束發(fā)散角的變化。當(dāng)點光源不處在焦點F1上時，特別是在某些位置，比如l為60 mm時，發(fā)射光束發(fā)散角會發(fā)生很大的變化。這種情況下，卡塞格倫光學(xué)天線的效率會受到很大的影響，點光源的移動，會導(dǎo)致部分光線的損失。當(dāng)它向焦點左方移動時，到達一定距離后，由于點光源光束發(fā)散角一定，部分光線被主鏡遮擋，進入不了鏡筒，導(dǎo)致天線系統(tǒng)發(fā)射效率降低。當(dāng)點光源向焦點右方移動時，由于點光源光束發(fā)散角一定，部分光線不能入射到次鏡上，導(dǎo)致天線系統(tǒng)發(fā)射效率降低。同時，進入鏡筒的光束，由于發(fā)射光束發(fā)散角增大，在遠處的接收天線，接收不到部分光線，導(dǎo)致天線系統(tǒng)接收效率的降低。另外，光線的丟失，對于空間光通信中目標(biāo)的采集，影響非常大，比如成像不清晰、目標(biāo)圖像變形等等。卡塞格倫光學(xué)天線的輻射具有極強的方向性， 增益因子隨著指向角度因子變化較為明顯，那么光束的發(fā)散將會影響增益因子的變化，從而影響天線的增益，最終影響天線的效率。所以我們在使用卡塞格倫光學(xué)天線時，一定要精確調(diào)整點光源的位置，盡量減少由于人為操作而產(chǎn)生的天線傳輸系統(tǒng)的誤差，使天線系統(tǒng)的工作效率達到最佳值。

3 結(jié)語

經(jīng)過本論文前面的介紹，我們知道了卡塞格倫光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)、模型、優(yōu)缺點以及在空間通信中的應(yīng)用，分析了點光源在卡塞格倫光學(xué)天線中的傳輸特點，同時還討論了由于點光源偏離焦點對天線效率的影響，以及對空間光通信中目標(biāo)成像質(zhì)量的影響。光學(xué)天線的設(shè)計是空間光通信發(fā)展中的一個重要環(huán)節(jié)，光學(xué)天線傳輸?shù)母咝适强臻g光通信中目標(biāo)成像質(zhì)量的重要保證，隨著科技的發(fā)展，光學(xué)天線將做得更好。

參考文獻

[1]高瞻，張一波.自由空間光通信系統(tǒng)中的光學(xué)天線系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電信科技，2003，3（3）：24-27.

[2]Cho Y M，Kong H J and Lee S S.OPTICAL ENGINEERING[M]. Bellingham，1994：33-100.

[3]李玉權(quán)，朱勇，王江平.光通信原理與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.