一种基于展象棱镜的光学天线及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于展象棱镜的光学天线及其设计方法，其中，该方法包括以下步骤：根据光学天线的遮挡比确定展象棱镜实现的高斯光束整形后的空占比；根据步骤一中的光束空占比及发射支路口径确定光线偏移量；根据步骤二中的光线偏移量确定展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率，根据展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率构建展像棱镜；设计光学天线；将步骤四中的展像棱镜设置于光学天线的光路前端。本发明专利技术在传统的光学天线设计方案中引入展像棱镜，可将发射信号光整形为环形光束，避免由光学天线中心遮挡引起的发射效率下降问题，可将光学天线轴上视场的远场增益提高1.46dB。

An optical antenna based on the image prism and its design method

The invention discloses a method which is based on the exhibition as optical antenna prism and its design method, and the method comprises the following steps: according to the optical antenna shielding ratio show as Gauss beam shaping prism implementation after the duty ratio; according to the steps in a light duty to determine the offset ratio of branch diameter light emission; according to light offset step 2 determination show prism edge length, prism length, semi cone angle and the refractive index of the material, according to the exhibition as prism edge length, prism length, semi cone angle and the refractive index of the material construction exhibition like prism; optical antennas; the fourth step like optical prism exhibition is arranged on the front end of optical antenna the. The invention introduces an image prism in the traditional optical antenna design scheme, and can transmit the transmitted signal light to the annular beam, avoiding the problem of decreasing the emission efficiency caused by the shielding of the optical antenna center, and improving the far-field gain of the optical field on the optical antenna axis by 1.46dB.

【技术实现步骤摘要】
一种基于展象棱镜的光学天线及其设计方法
本专利技术属于空间光通信收发技术，主要应用于大气自由空间光通信、星间/星地空间光通信和其他空间光通信领域，尤其涉及一种基于展象棱镜的光学天线及其设计方法。
技术介绍
空间激光通信是高速数据传输的重要技术途径，现代空间应用载荷的遥感数据传输速率高、范围大，单载荷数据传输的速率可高达几十Gbps。数据传输设备将搭载于各类不同的卫星平台、运行于不同的轨道、应用于星间和星地链路，因此星载数据传输设备需要选择与超高速传输相匹配的调制解调方式，具有系列化、通用化和模块化的特点，以尽量低的量产成本，为空间应用载荷提供各种平台、各种速率和各种链路的激光通信数据传输终端。空间激光通信终端以激光作为信号的载体，通过对激光幅度、相位的调制来传输信息，实现信息交换。与微波(Ka、EHF等频段)相比，由于激光的波长在微米量级或更短，因此具有很宽的通信带宽，可提供极高的信息传输速率；激光用于通信的波束发散角很小，具有很好的抗干扰和抗截获性能，可以极大地提高通信系统的安全性；同时，在传输同样高码率条件下，它还具有体积小、重量轻、功耗低的优势。在空间光通信系统中，光学天线主要用于信号的发射和接收。发射时光学天线完成光束准直、压缩光束发散角，以增大远场增益；接收时收集信号光，使信号光束经后续光路到达探测器表面。目前国内外所有激光通信终端均是采用卡赛格伦结构形式(同轴二反)的光学天线，不足之处是具有中心遮挡，由于发射光束为高斯光束，中心较大部分能量无法利用，卡式光学天线中心遮挡20％，光束分布按高斯光束计算，造成的发射效率损失约1.5dB，能量损失达30％左右。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于展象棱镜的光学天线及其设计方法，通过对基模高斯光束的整形，实现与卡式天线通光孔径的匹配，解决了传统卡式天线由于中心遮挡所导致的发射效率下降问题。本专利技术的技术方案是：根据本专利技术一个方面，提供了一种基于展象棱镜的光学天线设计方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：根据光学天线的遮挡比确定展象棱镜实现的高斯光束整形后的空占比；步骤二：根据步骤一中的光束空占比及发射支路口径确定光线偏移量；步骤三：根据步骤二中的光线偏移量确定展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率，根据展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率构建展像棱镜；步骤四：设计光学天线；步骤五：将步骤四中的展像棱镜设置于光学天线的光路前端。上述基于展象棱镜的光学天线设计方法中，在步骤一中，预设光学天线遮挡比为α，则展像棱镜整形后的光束空占比为γ，则γ＝α。上述基于展象棱镜的光学天线设计方法中，在步骤二中，预设发射支路口径为2倍基模高斯光束光腰半径w0，展像棱镜引起的光线偏移量为s，则经过展像棱镜整形后的环形光束空占比γ＝(s-w0)/s，则光线偏移量s＝w0/(1-γ)。上述基于展象棱镜的光学天线设计方法中，在步骤三中，光线偏移量与展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率各参数之间的关系为：其中，a为展像棱镜的棱长、b为边长、θ为棱镜半锥角、n为材料折射率。上述基于展象棱镜的光学天线设计方法中，在步骤四中，光学天线包括主镜、次镜和目镜；其中，主镜为抛物面；次镜为双曲面；目镜包括第一目镜镜片、第二目镜镜片、第三目镜镜片和1/4波片，其中，第一目镜镜片、第二目镜镜片和第三目镜镜片均为透镜；1/4波片、第一目镜镜片、第二目镜镜片、第三目镜镜片、1/4波片、次镜和主镜依次设置。上述基于展象棱镜的光学天线设计方法中，主镜的曲率半径为263.428mm，k＝-1，k为二次曲面常数；次镜的曲率半径为55.221mm，k＝-2.44，k为二次曲面常数；第一目镜镜片的第一曲率半径为31.325mm，第二曲率半径为13.74mm；第二目镜镜片的第一曲率半径为19.31mm，第二曲率半径为-53.21mm；第三目镜镜片的第一曲率半径为-32.377mm，第二曲率半径为-18.403mm。上述基于展象棱镜的光学天线设计方法中，1/4波片与第一目镜镜片的距离为2mm，第一目镜镜片与第二目镜镜片的距离为2.98mm，第二目镜镜片与第三目镜镜片的距离为7.42mm，第三目镜镜与次镜的距离为38.55mm，次镜与主镜的距离为110.165mm。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种基于展象棱镜的光学天线，包括：展象棱镜和光学天线；其中，光学天线包括主镜、次镜和目镜；其中，目镜包括第一目镜镜片、第二目镜镜片、第三目镜镜片和1/4波片；1/4波片、第一目镜镜片、第二目镜镜片、第三目镜镜片、1/4波片、次镜和主镜依次设置；展象棱镜设置于1/4波片的前端。上述基于展象棱镜的光学天线中，主镜为抛物面；次镜为双曲面；第一目镜镜片、第二目镜镜片和第三目镜镜片均为透镜。上述基于展象棱镜的光学天线中，主镜的曲率半径为263.428mm，k＝-1，k为二次曲面常数；次镜的曲率半径为55.221mm，k＝-2.44，k为二次曲面常数；第一目镜镜片的第一曲率半径为31.325mm，第二曲率半径为13.74mm；第二目镜镜片的第一曲率半径为19.31mm，第二曲率半径为-53.21mm；第三目镜镜片的第一曲率半径为-32.377mm，第二曲率半径为-18.403mm。上述基于展象棱镜的光学天线中，1/4波片与第一目镜镜片的距离为2mm，第一目镜镜片与第二目镜镜片的距离为2.98mm，第二目镜镜片与第三目镜镜片的距离为7.42mm，第三目镜镜与次镜的距离为38.55mm，次镜与主镜的距离为110.165mm。上述基于展象棱镜的光学天线中，光线偏移量与展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率各参数之间的关系为：其中，s为光线偏移量，a为展像棱镜的棱长、b为边长、θ为棱镜半锥角、n为材料折射率。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术采用引入展像棱镜的方式，将基模高斯光束整形为环形光束，使环形光束空占比与卡式天线遮挡比相匹配，可以有效地提高光学天线的发射效率。(2)本专利技术所提出的基于展像棱镜的光学天线与离轴反射式光学天线相比，具有易加工，易装调、检测等优点。基于展像棱镜的光学天线属于同轴系统，不存在光轴的折转，对各视场具有良好的对称性，设计、加工、检测较为容易；解决了离轴反射式光学天线存在光轴的偏折，子午与弧矢面内光路特性不同，给设计、加工、检测带来诸多问题。附图说明图1为本专利技术的展像棱镜三维图；图2为本专利技术的展像棱镜剖面图；图3为本专利技术的坐标系定义示意图图4为本专利技术的基于展象棱镜的光学天线的示意图；图5本专利技术的基于展象棱镜的光学天线的另一示意图；图6本专利技术的光源处的光强分布的示意图；图7本专利技术的展象棱镜整形后的光强分布的示意图；图8本专利技术的远场强度对比的示意图；图9本专利技术的远场光强增益曲线的示意图；图10本专利技术的中心视场附近光强增益曲线的示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述。一种基于展像棱镜的光学天线设计方法，包括步骤如下：步骤一：基于通信系统所分解的光学天线的遮挡比指标确定展象棱镜应实现的高斯光束整形后的空占比。具体的，设光学天线遮挡比为α，展像棱镜整形后的光束空占比为γ，则应有γ＝α；步骤二：基于整形后的光束空占比及发射支路口径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于展象棱镜的光学天线设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一：根据光学天线的遮挡比确定展象棱镜实现的高斯光束整形后的空占比；步骤二：根据步骤一中的光束空占比及发射支路口径确定光线偏移量；步骤三：根据步骤二中的光线偏移量确定展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率，根据展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率构建展像棱镜；步骤四：设计光学天线；步骤五：将步骤四中的展像棱镜设置于光学天线的光路前端。

【技术特征摘要】
1.一种基于展象棱镜的光学天线设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一：根据光学天线的遮挡比确定展象棱镜实现的高斯光束整形后的空占比；步骤二：根据步骤一中的光束空占比及发射支路口径确定光线偏移量；步骤三：根据步骤二中的光线偏移量确定展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率，根据展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率构建展像棱镜；步骤四：设计光学天线；步骤五：将步骤四中的展像棱镜设置于光学天线的光路前端。2.根据权利要求1所述的基于展象棱镜的光学天线设计方法，其特征在于，在步骤一中，预设光学天线遮挡比为α，则展像棱镜整形后的光束空占比为γ，则γ＝α。3.根据权利要求2所述的基于展象棱镜的光学天线设计方法，其特征在于，在步骤二中，预设发射支路口径为2倍基模高斯光束光腰半径w0，展像棱镜引起的光线偏移量为s，则经过展像棱镜整形后的环形光束空占比γ＝(s-w0)/s，则光线偏移量s＝w0/(1-γ)。4.根据权利要求3所述的基于展象棱镜的光学天线设计方法，其特征在于，在步骤三中，光线偏移量与展像棱镜棱长、边长、棱镜半锥角和材料折射率各参数之间的关系为：其中，a为展像棱镜的棱长、b为边长、θ为棱镜半锥角、n为材料折射率。5.根据权利要求1所述的基于展象棱镜的光学天线设计方法，其特征在于，在步骤四中，光学天线包括主镜、次镜和目镜；其中，主镜为抛物面；次镜为双曲面；目镜包括第一目镜镜片、第二目镜镜片、第三目镜镜片和1/4波片，其中，第一目镜镜片、第二目镜镜片和第三目镜镜片均为透镜；1/4波片、第一目镜镜片、第二目镜镜片、第三目镜镜片、1/4波片、...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜承志，李帅，幺周石，夏芳园，李向阳，薛婧婧，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61