紧凑型离轴三反射镜激光通信天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 本发明所采用的技术方案如下：
[0007] -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。
[0008] 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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011] 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11，第二反射镜中心点和第三反射镜中心点的距离为h， 第三反射镜中心点和主反射镜中心点的距离为1 3,则有下列等式成立did.ScUhSl.Sd， 13< 1.7d〇
[0012] 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。
[0013] 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);
[0014] 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；
(1)
[0016]其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥常数，z伪泽尼克多项式第j项，c伪第j项的系 数，n为多项式项数，最高可用到66项。
(2)
[0018] 其中，C和k分别为曲面的曲率和圆锥常数，心、81、&、01为4、6、8、10阶非球面系数。
[0019] 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】
[0020] 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。
[0021] 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；
[0022] 图3为本发明光学天线各反射镜之间的距离的示意图；
[0023] 图4为本发明光学天线的出瞳波像差示意图；
[0024]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，ll、主反射镜与第二反射镜中心点之间距呙，12、第二反射 镜与第三反射镜中心点之间距离，13、第三反射镜与主反射镜中心点之间距离。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
[0026]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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029]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