基于双反射面的紫外光通信光学天线的研究＊

李晓明，华文深，吴先权

（军械工程学院 光学与电子工程系，河北 石家庄 050003）

引 言

自由空间紫外光通信是一种新型的局域通信技术，它是将信号加载到200～300nm的日盲区紫外光中，利用大气的光散射效应进行传输，接收端通过光学天线收集后采用光电探测器件接收，经过光电转换和放大解调等电路处理还原出初始信号［1］。整个系统中，光学天线具有收集大气中微弱的散射信号并进行放大和频谱滤波的作用。实际应用中，进行通信的发射端和接收端相对位置不断地发生变化，因此设计一种具有大视场的光学天线具有重要意义［2］。文中旨在探索一种大视场光学天线的设计方法，利用TracePro软件仿真了一种基于双反射面的大视场光学接收天线，并对其视场和照度特性等进行分析。

1 理论与分析

基于双反射面的紫外光通信光学天线的结构和设计原理如图1所示［3］，其中R1和R2面是反射式窄带滤光片，通过其对不同波段光反射率的差异能够有效地滤除背景噪声，提高性噪比；F为日盲区紫外滤光片。光经过具有低通反射滤波功能的R1和R2反射面的两次反射滤波后，再通过透射滤波片F，进入CPC，利用CPC进行聚光后入射到光电探测器完成光电转换，这就是双反射光学天线的基本原理。

1.1 CPC的计算

CPC全称为复合抛物面聚光器，它是利用边缘光学原理制成的，并广泛应用于太阳能聚光器中［4］。图2为CPC的截面示意图。CPC将光能量采集到焦平面FF′上，并通过焦平面处的光电探测器变成电信号，再进行后续处理。如图2所示，将入射光线与Y轴的夹角定义为θi，FS′和F′S的夹角为2θmax。当θi＞θmax时，入射光线经CPC反射从入射口射出；而当θi＜θmax时，入射光线经反射能够全部汇聚在焦平面FF′上，由此把θi＜θmax的光能量全部收集到焦面处的探测器上，这就是CPC的聚光原理，其视场角即为2θmax［5］。

对于标准的CPC，它的焦距f、长度l、入射孔径2r和出射孔径2a之间满足以下关系［5－7］

式（3）中，Cmax为CPC（二维）的聚光比。

1.2 双反射面的计算

在图1所示的光学天线系统中，双反射面R1和R2担负着接收光信号进行滤波并将其反射到CPC中的作用，对它的设计要求具有全视角和较高的效率。为方便计算，现将反射面R2近似看作锥面，R1为平面，入射光线经过两次反射后进入CPC系统中，图3为其结构框图。光线1、2为两条入射光线，设光线1沿水平方向入射到反射面R2，交R2于A点，经过R2反射后以最大接收角入射到CPC中；光线2以入射角φ入射到反射面R1上，交R1于D点，经R1平面反射后垂直入射到R2反射面上，入射光线2′垂直于AC，交R2于A点，光线1、2的夹角为α。

图3 双反射面的剖面图Fig.3 The profile of the two－surface reflection

由反射定律易知α＋β＝90°，且∠BAC＝β，则根据几何关系易求得：

下面还需要考虑反射面R2的底面半径r2、反射面R1的环径r1以及反射面R2与CPC距离s的关系。

由几何关系可得：

综合式（4）～式（9），可求得：

2 视场角与照度分析

为了保证增益，现设定CPC的增益为2，探测器采用日本滨松光子技术有限公司生产的R212型光电倍增管，其阴极尺寸为24mm×8mm，故可设定CPC出射焦平面的半径a为13mm，由式（1）～式（3）可求得最大入射角θmax为30°，出射面半径r为26mm，焦距f为19.5mm，l为67.896mm。利用TracePro建模如图4所示。

图4 CPC和双反射面的三维框架图Fig.4 The wireframe of the CPC and two－surface reflection

2.1 视场角分析

设定CPC的最大视场角为30°，根据设计要求，入射光线角度以从左上方入射为正、左下方入射为负，对双反射面的实体模型进行光线追迹如图5所示。可以看出双反射面存在两个有效的视场区：－30°～0°和30°～60°，故有效地增加了视场。在实际应用中，紫外通信终端的位置不断变化，标准CPC光学天线具有较强的指向性，而双反射面能够接受周围360°的较大视场的光，无需改变位置，更符合实际要求。

图5 不同入射角入射双反射面Fig.5 Two－surface reflection in different incident angle

2.2 照度分析

在非视线紫外光通信系统中，以光学天线和光电探测器为核心的接收机将接收来自半球空域的信号，将带有光学天线的接收机置于地表附近，接收来自半球空域的光信号。

利用半径为300mm半球空域的随机光线，采用Lambert角分布的表面光源发射光线，功率为100W，设置CPC的出射面为接收平面。单独CPC的照度图如图6所示，s为55mm时带双反射面时CPC得到的照度图如图7所示，当s取不同值时，R1和R2发生变化，即双反射面接收器的口径得到接收面的辐射通量如表1和图8所示。

双反射面光学天线的聚光效率随着两反射面的距离成正相关变化，这主要是因为按照设计要求，随着距离s的增加，导致双反射面尺寸加大、即光学天线孔径增加，导致进入CPC的光线数量的增多。实际应用中，光学元件太大会增大加工的难度，因此需要综合考虑双反射面大小和聚光比的值。

表1 出射面的辐射通量值ΦTab.1 Total flux（Φ）in the plane of light incidence

图8 不同距离的辐射通量值Fig.8 Total flux in different distance

3 结 论

现设计的一种双反射面大视场的光学天线对紫外通信系统的实际应用具有重要意义。文中对该光学天线的CPC和双反射镜进行了设计计算，对双反射面的视场和辐照度进行了仿真分析，并与标准的CPC进行了对比。文中设计的双反射光学天线能够有效地增大探测器的视场，并有较大的聚光比。下一步的研究工作是通过对反射面的优化，进一步提升其性能。

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