1 引 言
光学天线是无线激光通信(FSO)系统的重要组成部分[1-5]。在FSO系统中高效率的收发一体天线是研究的热点问题。卡塞格伦天线以其结构简单、增益大、焦距长(容易满足空间到光纤耦合条件)获得了广泛应用，但其存在一定的遮光比，影响天线的发射效率。提高卡塞格伦天线发射效率的方法有附加器件法[6]、衍射光学元器件法[7-8]和离轴发射法[9-11]等。Takahashi等[12]利用“红透绿反”滤光片实现收发一体，但该方法不能规避卡塞格伦天线盲区；Shang等[13]通过在圆筒上均匀间隔分布接收单元和发射单元，以恒定或者变速旋转圆筒实现收发一体，但该天线对准困难且加工难度大。王宏锋[14]采用伽利略望远镜作为发射天线、格里高利望远镜作为接收天线，并将发射天线固定到接收天线次镜遮挡的地方实现收发一体，该结构虽然发射效率提高，但结构复杂；杨华军[15]利用准直系统、光纤隔离器、分光棱镜等光学器件在卡塞格伦天线焦点后方实现收发一体，该结构安装精度要求高、对准困难，收发效率低；冯涛[16]用偏振光分束器把光束分成2个正交的偏振态，然后输出到2个保偏光纤中，实现收发一体光学系统，但该结构分束/合束时能量损失比较大。
本文设计了一种基于卡塞格伦望远镜的收发一体天线，充分利用卡塞格伦天线有效区域(盲区以外的部分)作为发射，通过自聚焦透镜的端面环形分布、离轴发射代替激光器点沿轴发射。这种设计保证发射点与接收点位置分离使得发射光路和接收光路分离，最终发射效率达到了80%，实现收发一体。
2 理论分析
2.1 天线设计
卡塞格伦天线[17]为双反射设计，如图1所示，光线通过弯月校正镜后入射到主反射镜上，经过反射镜反射到次反射镜上，将光束进一步压缩在焦平面位置会聚，此处为整个卡式系统的焦点。由几何光学知识可知，将满足一定发散角的光源放置在系统的焦点位置，经过该卡塞格伦系统后，理想状态下将会得到一束平行光。但不难发现作为信号光发射天线，卡塞格伦天线存在盲区，如图1中阴影区所示，发散角较小的区域被第2遮拦遮挡，光线不能入射到主反射镜面上。从图2可以看出阴影部分的光束返回到第2遮拦内不能出射，对于基横模输出的激光光源来说，该部分光造成的发射能量损失至少在50%以上。
由图1可以看出从天线焦点f发出的光经过卡塞格伦天线后平行出射；由于光路可逆，所以天线接收到平行光后必定会聚到f点。如果要实现收发一体，则f点既要充当发射点也要充当接收点，发射和接收不能同时满足，因为两者存在遮挡。因此，要实现收发一体，必须确保发射与接收是不同光路并且发射点和接收点分离[18]。
如图3所示，如果只考虑光路分离，发射点和接收点都在f点，不能解决遮挡问题。将激光耦合进光纤通过自聚焦透镜发射，用自聚焦透镜端面发射来代替激光器点发射，本质就是将光源前移并离轴(如图 4所示)，这样就可以满足发射与接收点分离，并且理论上可以实现光功率100%发射。从图4可看出，发射和接收光路分离，而且发射点和接收点也分离。
2.2 Zemax仿真
用Zemax对望远镜(SICONG)105 mm口径卡塞格伦天线进行单光源前移离轴发射仿真，利用1束带有发散角的高斯光束，避过盲区进行离轴发射。表1仿真所对应器件类型以及相应的参数，图中序号3-6为卡塞格伦天线整体系统，序号7为带发散角的光源，序号8为探测器。表中Detector表示探测器，Z-position表示探测器与卡塞格伦天线的距离，Source diode代表光源，X-divergence表示X方向发散角；Y-divergence表示Y方向发散角；Tilt about X表示X方向的倾斜角，Z-positon表示光源与次反射镜的位置。
从表1可以看出，如果要求出射光束为平行光，则光源必须在距离次反射镜90 mm的位置以1°的发散角倾斜5°旋转进行发射。
图5是2维(2D)和3维(3D)卡塞格伦天线发射仿真图，从图中可以看出发射没有受到卡塞格伦天线盲区的影响，光能量几乎全部发射。
通过理论计算和仿真分析，为满足收发一体设计要求，最终选取端面大小为2.8 mm、发散角为1°的自聚焦透镜准直器作为发射，并在距离次镜88 mm处倾斜5°放置。
2.3 收发过程
图6为卡塞格伦天线收发一体示意图，f为卡塞格伦天线系统焦点，通过自聚焦透镜离轴发射代替激光器点沿轴发射，同时在焦点f处通过塑料光纤接收。可以看出，自聚焦透镜反向延长线正好会聚到接收点(焦点)，说明发射和接收焦点都在f处。同时发射光斑规避了卡塞格伦天线盲区，利用盲区以外的有效区域发射。可以明显看出：发射和接收的光路不同、位置分离，发射光斑等效从焦点f发射，接收光斑会聚到焦点f，实现了卡塞格伦收发一体天线。图7为实现收发一体的实际机械结构图，只需对卡塞格伦第2遮拦进行简单改造，利用自聚焦透镜准直器、光纤和机械结构即可实现收发一体。
3 实验研究
实验设备如表2所示，2个卡塞格伦天线(以下称望远镜A和望远镜B) 分别作为上下行天线，每个天线安装4个自聚焦透镜准直器(如图7所示) ，其中每个安装自聚焦透镜准直器的光纤都通过光纤(FC接口)连接1个带尾纤输出的激光器作为发射进行收发一体实验。实验地点为西安理工大学教学6楼8层，实验最远距离可达120 m。
3.1 4个自聚焦透镜发射
图8~10为4个自聚焦透镜在不同距离时光斑发射图。图8为望远镜A和望远镜B在10 m处的光斑图；图9为望远镜A和B在50 m处的光斑；图10为望远镜A和B在100 m处的光斑图。理论情况下出射光为4束平行光，即它们的光轴是平行的。但是通过对比明显看出100 m处的光斑比50 m处的光斑大，说明出射光束还存在发散角，但是4束光的光轴依然平行，100 m处光斑大小仍然满足望远镜接收要求。
在卡塞格伦天线焦点处，通过塑料光纤接收发射光斑。表3和表4分别记录了不同距离时2个望远镜的发射和接收功率。可以看出随着距离的增大，接收功率变小。通过实验可以看出：卡塞格伦天线可以成功发射出规则且满足要求的光斑；同时通过塑料光纤在卡塞格伦焦点处成功接收光斑。虽然耦合接收效率较低，但是光纤阵列的卡塞格伦系统可使发射与接收相互独立并且同时进行，最终实现基于光纤阵列的卡塞格伦收发一体天线。
实验中分析了不同距离下2个望远镜的发射光斑和接收到对方望远镜并耦合进光纤的光功率。测得望远镜出射光斑是圆形光斑，表明自聚焦透镜发射光束成功规避了盲区全部出射；在天线出射光束的同时，接收到对方天线出射光斑，用光功率计测得耦合进光纤的功率，发现随着距离的增加，接收功率逐渐减小，光斑变大，接收效率大约在20%，发射效率高达80%。一方面，光纤阵列收发天线对安装精度要求很高，相比于理想状态而言，存在更多干扰因素，导致接收到的4个光斑在焦点处很难严格地会聚成一点，所以导致接收效率下降；另一方面，由于理论和实际存在误差，达不到将发散角控制在微弧度的要求，所以存在一定发散角，光斑变大。
3.2 光斑模式分析
利用OPHIR-SP620U光束分析仪对2组望远镜发射光斑进行了分析。光束分析仪中光束强度等级从高到低依次用红、橙、黄、绿、青、蓝、紫代表。图11为一束高斯光束，从中间向四周按从强到弱等级划分。
在望远镜出射口对4束光斑进行分析，望远镜A的光斑强度分布如图12所示。图12(a)为强度分布的2D图形，可以看出光斑从中间到四周强度变弱；图12(b)为强度分布的3D图形，可以看出4束光都类似高斯分布，中间最高为红色，然后向四周扩展的同时强度降低，扩展到最边缘时变为紫色。虽然光束不是连续而且光滑地向四周扩展，但是整体上仍为高斯光束，并且单个光斑模式为 TEM00 模式，4个光斑整体为 TEM11 模式。
望远镜 B的光斑强度分布如图 13所示。图 13(a)为强度分布的 2D图形，图 13(b)为强度分布的 3D图形，整体上为高斯光束，且单个光斑模式为 TEM00 模式，整体光斑为 TEM11 模式，与望远镜A类似。
4 结 论
研制了一种基于卡塞格伦的收发一体天线，利用有效区域作为发射和接收，使发射和接收光路分离，同时提高了发射效率；将激光耦合进光纤连接到自聚焦透镜，使用自聚焦透镜端面发射代替激光器点发射，从而使发射点和接收点分离。分析了10、50、100 m距离下2个望远镜的发射光斑和接收到对方望远镜并耦合进光纤的光功率。并且通过光束分析仪分别对望远镜端口和50 m处光强分布进行了分析，通过光强分布图可以看出，出射光斑依然是高斯光束。最终完成2个望远镜天线同时发射且同时接收的效果，实现了接收效率大约在20%，发射效率高达80%的基于卡塞格伦的收发一体天线。
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