一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统及其应用的制作方法

本发明涉及卫星激光通信技术领域，具体涉及一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统及其应用。

背景技术：

相较于传统的微波通信，卫星激光通信具有传输速率高、抗干扰能力强、终端体积小重量轻等特点，成为下一代无线通信技术发展的热门方向，特别是在没有遮挡物的卫星与卫星之间以及卫星与地面之间的通信具有较大的应用前景。收发光学天线作为卫星激光通信中的关键器件，其性能的好坏直接关系到卫星激光通信的成功与否，因此设计出性能优越的收发光学天线成为卫星激光通信中重中之重。

星载设备对集成化、轻量化的要求很高，收发一体光学天线可以有效的降低卫星激光通信终端的复杂度，有效的降低终端的质量，因此得到了国内外广泛的研究。

卡塞格伦形式是光学天线系统最常用的形式，一般卡塞格伦物镜主镜采用抛物面，次镜采用双曲面，整个系统没有球差，光学系统结构简单，像质优良，广泛应用在卫星激光通信终端上。

但是现有的卡塞格伦光学天线在作为星载激光通信终端收发天线时，存在波像差较大，激光通信系统的误码率较高，混频效率的损耗的较大等问题。

因此，有必要针对应用于星载激光通信终端收发天线中的卡塞格伦光学天线进行设计，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：现有的卡塞格伦光学天线在作为星载激光通信终端收发天线时，存在波像差较大，激光通信系统的误码率较高，混频效率的损耗的较大的问题。

本发明可通过下述技术方案实现：

一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统，包括物镜镜组和目镜镜组，所述物镜镜组包括主镜和次镜，所述主镜和次镜为同轴的卡塞格伦型光学天线，所述目镜镜组由若干透镜组成。

本发明优选一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统，所述主镜的面型为旋转抛物面，所述主镜的口径为110mm，所述主镜的有效口径为100mm，所述主镜的顶点的曲率半径为320mm。

本发明优选一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统，所述主镜中心开设有第一通孔，所述第一通孔的直径为10mm。

本发明优选一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统，所述次镜的面型为旋转双曲面，次镜的口径为25mm，次镜的有效口径为21.4mm，次镜的顶点的曲率半径为87.8mm。

本发明优选一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统，所述主镜和次镜之间的间距为128mm。

本发明优选一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统，所述物镜镜组由4片透镜组成，所述物镜镜组为有焦系统，焦点伸出量为-10mm，所述物镜镜组的焦平面与所述卡塞格伦型光学天线重合。

本发明优选一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统，所述主镜和次镜的反射表面镀有增加激光反射效率的高反膜。

本发明优选一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统，所述卡塞格伦型光学天线的入瞳直径为100mm，出瞳直径为10mm，放大倍率为10倍。

本发明优选一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统，所述主镜采用的材料为微晶玻璃、融石英、碳化硅、碳纤维复合材料和硅片以及热变形系数小的金属材料中的一种。

本发明通过天线结构和尺寸的设计，得到了波像差优异，误码率低，混频效率的损耗低的卡塞格伦光学天线系统。

一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统的应用，上述的光学天线系统适用于激光波长为1550nm的星载激光通信终端。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的系统视场角为±5mrad，在全视场的波像差rms值都优于1/30波长，在中心视场的波像差优于1/50波长，能够有效的减小激光通信系统的误码率，降低混频效率的损耗，因此本发明十分适合作为星载激光通信终端的收发天线来使用。

2、本发明光学天线出射光束为平行光，在平行光束截面上加入了一个理想透镜来会聚平行光束，通过理想透镜的成像质量来对平行光束进行评价，从该理想透镜成像面点列图，可见0视场光斑rms直径仅为0.588μm，±5mrad视场光斑rms直径仅为0.718μm，说明本发明设计的光学天线系统达到衍射极限水平。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是光学天线和目镜镜组整体示意图；

图2是光学天线物镜镜组设计结果的几何结构图；

图3是光学天线物镜镜组设计结果点列图分析；

图4是光学天线物镜镜组设计结果0视场波像差分析；

图5是光学天线传递函数mtf；

图6是光学天线设计结果0视场波像差分析；

图7是光学天线设计结果5mrad视场波像差分析；

图8是光学天线设计结果-5mrad视场波像差分析；

图9是光学天线设计结果点列图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-主镜，2-次镜，3-物镜镜组，4-焦平面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1和图2所示，一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统，包括物镜镜组3和目镜镜组，所述物镜镜组3包括主镜1和次镜2，所述主镜1和次镜2为同轴的卡塞格伦型光学天线，所述目镜镜组由4个透镜组成。

所述主镜1的面型为旋转抛物面，所述主镜1的口径为110mm，所述主镜1的有效口径为100mm，所述主镜1的顶点的曲率半径为320mm，所述主镜1中心开设有第一通孔，所述第一通孔的直径为10mm。

所述次镜2的面型为旋转双曲面，次镜2的口径为25mm，次镜2的有效口径为21.4mm，次镜2的顶点的曲率半径为87.8mm。

所述主镜1和次镜2之间的间距为128mm。

卡塞格伦型光学天线物镜由抛物面主镜1和双曲面次镜2组成，两个二次曲面的焦点重合。

所述卡塞格伦型光学天线的入瞳直径为100mm，出瞳直径为10mm，放大倍率为10倍。

所述物镜镜组3为有焦系统，焦点伸出量为-10mm，所述物镜镜组3的焦平面4与所述卡塞格伦型光学天线的焦平面4重合。

远端传输过来的激光光学在主镜1面上可视为平行光处理，平行光束入射后光束会聚到一次像面，这个成像的过程没有球差。卡塞格伦系统为等光程系统，当入射的平行光束发生偏转时在一次像面上会出现较大的慧差。

天线参数的计算过程如下：

1.确定天线主镜相对口径

卡塞格伦天线主镜的相对口径受多方因素制约，主镜的相对口径越大天线整体越经凑，相应的加工难度越大。本天线的口径d为100mm，综合考虑相对口径取1:1.6。根据符号规则，主镜像方焦距为负数，那么主镜焦距为f1’＝-1.6d＝-160mm。

2.确定卡塞格伦天线次镜遮拦比α

卡塞格伦天线次镜遮拦比与次镜大小有关，近似于主次镜孔径之比。本设计选取卡塞格伦天线遮拦比的一个经典值α＝0.2。

3.确定卡塞格伦天线物镜焦点伸出量δ

卡塞格伦天线物镜为有焦系统，星上终端有轻量化、小型化的要求，设计上为使系统紧凑，减小轴向长度，将物镜的焦距落在主镜左侧，也就是说物镜焦点伸出量δ取负值。但是物镜焦距也不宜深入到主镜左侧太多，否则目镜镜组会进入到天线主镜的开口内，导致装调难度大幅增加。综合考虑下本设计取δ＝-10mm。

4.确定卡塞格伦天线次镜放大率β值

次镜放大率β由天线结构决定，其值由一下公式计算：

带入相应数值，计算得β＝-3.6875。

5.计算主镜曲率半径r1和次镜曲率半径r2及两镜之间的间距

带入相应数值，计算得r1＝-320mm，r2＝-87.8mm，d＝-128mm。

6.计算二次曲面系数

本设计卡塞格伦天线主镜为抛物面，其二次曲面系数次镜为抛物面，二次曲面系数在消球差条件下计算公式为：

带入数据计算可得

天线目镜组采用4片式结构，可以较好地平衡物镜组残留的慧差和矫正色差，并部分平衡物镜组场曲。

参见图3为本发明中卡塞格伦光学天线物镜在一次像面上的点列图。从图3中可以看出本发明中的卡塞格伦光学天线物镜在0视场下成像为理想成像，说明本发明的设计达到了极限的效果；本发明中整个光学天线的视场范围为±5mrad，图3所示的点列图同时还显示出了5mrad视场和-5mrad视场下的一次像面成像情况，可以看出在这两个视场下所成的像引入了很大的慧差，这些像差由后续目镜镜组来进行校正出射平行光。

参见图4为本发明卡塞格伦光学天线物镜在0视场下的波像差示意图，由图可见卡塞格伦光学天线物镜的0视场波像差为0，这是一个无像差点，这个特性在加工装配中有很大作用，可以在装调时作为安装的基准。

参见图5为本发明光学天线传递函数，其中，f1表示的是光学天线在0视场的传递函数值，f2表示光学天线在﹢5mrad视场的传递函数值，f3表示光学天线在﹣5mrad视场的传递函数值，而t和r代表的是子午面和弧矢面，图中可见本发明设计的光学天线在三个视场的传递函数曲线重合性好，说明其成像质量达到了衍射极限水平。

参见图6、图7、图8为本发明光学天线出射光束在接受面上的不同视场下的波像差示意图。其中图6为0所示为0视场波像差，图7为5mrad视场波像差，图8为-5mrad视场波像差。数值计算显示0视场波像差rms值为0.019波长，±5mrad视场波像差rms值都为0.031波长。即本发明设计的光学天线在全视场波像差优于1/30(0.033)波长，在中心视场的波像差优于1/50(0.02)波长，能够有效的减小激光通信系统的误码率，降低混频效率的损耗，完全符合星载激光通信终端收发天线的技术要求。

本发明光学天线出射光束为平行光，设计中在平行光束截面上加入了一个理想透镜来会聚平行光束，通过理想透镜的成像质量来对平行光束进行评价。

参见图9为该理想透镜成像面点列图，由图可见0视场光斑rms直径仅为0.588μm，±5mrad视场光斑rms直径仅为0.718μm，说明设计结果达到衍射极限水平。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述主镜1和次镜2的反射表面镀有增加激光反射效率的高反膜，所述主镜1采用的材料为微晶玻璃。

实施例3

一种星载收发一体卡塞格伦光学天线系统的应用，实施例1或2中的光学天线系统应用在激光波长为1550nm的星载激光通信终端，其视场角为±5mrad。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。