卡塞格倫天線光傳輸特性探究

孫全國

（中電二十九所,610000）

信息化時代的全面到來，使得社會各界對通信質量的要求越來越高，目前國內外光通信系統研究層次不斷提高，對通信質量的提升發揮了重要的作用。但目前，對該項技術的研究仍是美國、日本和歐洲一些國家最為先進，我國要達到空間光通信系統研究的國際領先水平還有很長一斷路要走。光學天線系統對整個空間光通信系統的性能的影響十分顯著，發射光學天線系統的主要功能是壓縮光束發散角,對光束進一步進行擴束和準直；接收光學天線系統的作用是盡可能多地接收包含信標光、信號光在內的自由空間的微弱光輻射,然后靠耦合系統把接收到的光耦合到接收端,然后被探測器所檢測并轉換成電信號。由于光學天線是空間光通信發射與接收系統的關鍵性部件，其精密程度和技術水平對于空間光通信的質量有著顯著的影響。空間光通信的優勢十分顯著，主要包括容量大、無線優勢、尺寸優勢、保密性能強、成本較低、功耗較小、擴容較容易實現、電磁兼容性能優越，等等。因此，強化對光通信技術的研究，對于改善通信質量而言勢在必行。

1 卡塞格倫光學天線傳輸理論分析

卡塞格倫天線是雙反射面天線的一種，它的工作原理與拋物面天線類似，因此與拋物面天線相同，卡塞格倫天線利用拋物面反射特性，將饋源治愈拋物面焦點，直接照射到拋物面口徑上，不但結構十分簡潔，工作原理也較為簡單。但是，卡塞格倫不能對口徑面上的波束和功率進行有效的調整。

卡塞格倫天線的結構與原理如圖1 所示：

圖1 卡塞格倫發射天線結構圖

如圖1 所示，卡塞格倫天線存在中心遮擋的問題，光線1 與4 能夠通過次鏡的發射發射出去，而光線2 與3 則因被次鏡遮擋而不能被發射出去，且處于光線2 與光線3 之間的光線，同樣也會因被此景遮擋而不能發射出去，光線2 與光線3 范圍之外的光線則會被次鏡反射而被發射出去。

假設發射天線的傳輸的光束為基模高斯光束，那么可將其分布情況表示如下：

在公式1 中，ω 表示光腰大小，R 表示天線處的波面曲率；

在公式2 中，a 表示卡塞格倫天線主鏡的半徑，b 表示副鏡的半徑。

那么該光學天線的增益則為：

則有：

此時，天線增益可表達如下：

在公式5 中， 表示天線增益效率因子， ，由此可得天線的增益效率因子：

2 卡塞格倫天線的仿真與實驗

2.1 實驗方法

實驗的方法為：將半導體激光器連接到電源上，通過調節旋鈕將電壓調整到合適的狀態下，通過套筒連接到發射光學天線上，將發射光學天線和接收光學天線進行準直調節，從而使發射的激光能夠正好進入接收光學天線中，再進行調焦處理，從而得到出射光強度最大值。同時，試驗中要通過合理放置耦合透鏡支架，來保障出射光完全進入耦合透鏡，若發現其中存在偏差，應通過調節支架旋鈕來調整耦合透鏡位置，耦合透鏡后面接有多模光纖，調節支架旋鈕使得多模光纖出來的激光功率達到最大值，通過激光功率探測器進行功率的探測，測量五次以上得到相應的數值，計算平均數和方差，并進行分析。

2.2 實驗器材

本實驗用到的基本器材包括：穩壓電源、光功率計、半導體激光器、光纖耦合調節架、耦合透鏡、聚焦透鏡、卡塞格倫光學天線、多模光纖、計算機、光束質量分析儀等。

2.3 檢測光斑仿真

當卡塞格倫天線完全對準時，其傳輸效率達到最高，接收天線接收到的光線質量最好，準直時的仿真圖像如下：

圖2 準直時光束的二維圖像分布

此時其光束的三維圖像分布為：

圖3 準直時光束的三維圖像分布

偏軸時的情況如圖4、圖5 所示：

2.4 接收光斑實驗

將卡塞格倫天線的原理簡化地表示如下：

其中1 為準直系統，2 為發射天線，3 為接收天線，4 為耦合系統，A 點為發射端，B 點為接收端，C 點為測試點，以上三點分別用于測試：天線發射端功率，天線接收端功率，經過多模耦合后的出射功率。設A 處功率為P1，B 處功率為P2，C 處功率為P3 那么天線效率應為耦合效率應為。

經5 次測量，得到A 點處功率平均值為145.28mw，B 點處功率平均為20.68mw,C 點處功率平均為6.24mw，天線效率平均值為37.73%，耦合效率平均值為30.17%，而在準直條件下重復實驗并測量，所得天線效率可達52.09%，耦合效率可達49.14%。可見空間光——光纖耦合系統中，偏軸現象的存在會直接導致卡塞格倫天線的傳輸效率和耦合效率。由于次鏡的遮擋，中心能量損失，傳輸效率隨之下降。

在以上試驗中，可能引起誤差的因素包括：1）激光功率計在測量過程中存在的誤差；2）中心遮擋導致的能量損失和測量誤差；3）中心軸線對準不精確所引起的誤差；4）光學系統加工質量問題而導致的能量損失和相應誤差。

3 總結

綜上所述，本文建立了卡塞格倫光學天線系統測試平臺，對卡塞格倫天線的光學傳輸特性進行了測試分析，對卡塞格倫天線的傳輸效率和耦合效率進行了測試。通過本文的研究，認為偏軸嚴重影響著卡塞格倫天線的傳輸效率和藕合效率，因此因溝通過提高激光束強度和提升準直系統性能，并強化對軸對準機制的檢測與調試等方式，來消除像差，盡可能提升準直程度，進而保障卡塞格倫天線的傳輸效率和藕合效率。

圖4 偏軸時光束的二維圖像分布

圖5 偏軸時光束的三維圖像分布

圖6 卡塞格倫光學天線原理示意圖

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