毕业设计论文

毕业设计（论文）题目马卡天线离轴发射仿真与实现专业通信工程班级学生指导教师2013年I马卡天线离轴发射仿真与实现专业：通信工程班级：作者：指导教师：职称：答辩日期：2013-06-23摘要在空间激光通信系统中，光学天线是一个物镜系统，通过折射、反射和折射-反射光学系统实现，目前应用比较广泛的是牛顿系统、卡塞格林系统。卡塞格林天线系统因副镜遮挡造成光能量浪费，本论文就是针对此问题进行了研究，研究的内容如下：（1）简单介绍了无线激光通信系统，对光学天线的应用和发展动态进行了简要介绍，并讨论了卡塞格林天线系统的优缺点。（2）分析卡塞格林天线的镜面参数，说明马卡望远镜的基本设计原理。阐述各种常见的望远镜系统的发展史、结构、功能等。（3）介绍ZEMAX软件的基本参数应用和参数设置，利用ZEMAX软件在序列模式下仿真出卡塞格林系统，分析说明马卡望远镜的各参数的具体意义。（4）对马卡天线系统离轴发射建模，分析激光器位置参数的变化对光斑的影响，找出激光器最佳安放位置，得出激光器发射功率。将发射功率与功率测试实验相结合，判断出轴偏离程度，再调整系统，进一步提高光功率。关键词：激光通信，卡塞格林，天线，离轴，望远镜西安理工大学本科生毕业设计（论文）IIAbstractNewtonsystemandCassegrainsystemareacceptedcommonlyinopticalantennasystemsasfieldlenswhichincluderefractionsystem,inflectionsystemandrefraction-and-inflectionsystem.However,thepotentialproblemofshelteringratioinCassegrainsystemleadstoalossofeffectivepoweroftheopticalsystem,Thispaperistosolvethisproblem,thecontentsoftheresearchareasfollows:(1)BrieflyIntroducedthewirelesslasercommunicationsystem,applicationanddevelopmentofopticalantennaisintroducedbriefly,anddiscussedtheadvantagesanddisadvantagesoftheCassegrainantennasystem.(2)AnalyzethemirrorparameterofCassegrainantenna,illustratedthebasicprincipleofdesignofCassegraintelescope,thedevelopmenthistory、variety、structureofcommontelescopesystem.(3)IntroducethebasicparametersandparametersettingofZEMAXsoftware,simulatedtheCassegrainsysteminthesequencemodewithZEMAXsoftware,explaineachparameteroftheCassegraintelescope.(4)Theoff-axisemissionofMarcaantennasystemismodeled.Analyzetheeffectoflaserparametersonthechangeofpositionofthelaserspot,findthebestposition,getthelasertransmittingpower.Thetransmitpowerandpowertestexperimentcombined,theaxisdeviationdegree,andthenadjustthesystem,furtherimprovetheopticalpower.Keywords:Lasercommunication，Cassegrain，antenna，off-axis，telescope1目录目录.........................................................1第1章绪论..................................................21.1无线激光通信...........................................21.2光学系统概述...........................................41.3国内外光学天线的发展动态...............................51.4卡塞格林天线优缺点.....................................71.5论文的目的及研究方法...................................9第2章望远镜的设计及发展历程................................102.1望远镜概述..........................................102.2望远镜的发展史........................................112.2.1折射式望远镜....................................112.2.2反射式望远镜....................................132.2.3折反式望远镜...................................15第3章马卡天线的基本设计理论................................163.1基本光学理论..........................................163.2卡塞格林天线镜面参数..................................173.3马卡望远镜............................................21第4章马卡天线模拟仿真......................................244.1ZEMAX概述............................................244.2ZEMAX基本应用........................................254.2.1镜头数据编辑器..................................254.2.2系统菜单参数设置................................274.3马卡天线仿真..........................................294.3.1光学天线设计流程及要求.........................294.3.2序列模式下仿真.................................304.3.3序列模式与非序列模式转换.......................324.3.4非序列模式下仿真...............................334.3.5马卡望远镜实物验证.............................41第5章总结..................................................43致谢........................................................44参考文献.....................................................45西安理工大学本科生毕业设计（论文）2第1章绪论1.1无线激光通信随着信息时代的发展，人们对通信的要求也越来越高，因此，有着诸多优点的激光通信就成为了科学家们研究的重点。无线激光通信又称自由空间光通信或大气激光通信,让载波激光在大气中传输有效信息的一种新型的通信技术。无线激光通信和无线电通信一样，都是将信息加载到电磁波上传送，只是激光是光频的电磁波，具有了一些与无线电通信完全不同的特性。无线激光通信的基本构成如图1-1所示[1-4]。激光器调制器发射机光学天线接收机光学天线光学接收机无线电接收机解码器已还原信号调制器激励器编码器信息信号无线电信号光信号图1-1无线激光通信基本构成相对于传统的通信方式相比，无线激光通信的主要优点[5-8]是：(1)具有微米级的波束发散角。激光通信一般在微米量级或更小波段工作，而微波通信在数百米到亚厘米波段之间工作。又由于发散角与波长成正比，所以，与微波通信相比，激光通信的光束发散角至少小3～4个数量级，大约在10微弧度左右。(2)高数据传输率。对激光脉冲进行调制解调后，激光通信提供的数据3传输率最高可达到10Gbps(每秒千兆位)量级，远远高于目前微波通信的数据传输率。(3)体积小、重量轻、功耗低。由衍射定律可知，波束可以达到的最小发散D22.1。其中是载波波长，D是发射天线直径，由公式可得通信中采用的波长越短，所需的天线体积就越小。由于激光通信的波长远小于微波通信的波长，因此，在提供同样功能的情况下，激光通信的天线尺寸远小于微波通信的天线尺寸，激光通信系统的重量和体积相对就显得非常轻小。所以，将会有越来越多的航天卫星采用激光通信。(4)架设灵活方便，无需铺设电缆或光缆，安装迅速、使用方便，成本低廉。在建立通信信道时，无需铺设电缆或光缆，只需将光发射和接收天线对准即可。在地势奇特的地方（山脚和山顶之间要实现高速率通信）、建筑群之间，或不能立即在地下挖设管道铺设光纤的地方，如街道、江河，无线光通信的优势无疑是巨大的。由于采用这种通信方式可大大缩短施工周期，所以，对于通信运营商而言，这无疑是一种迅速抢占市场的最佳选择。(5)保密性强。空间光通信系统的激光束具有很好的方向性，使得信息载体的光束很窄，因此很难被发现和截取。即使被截取，用户也会发现，因为链路被中断了，因此比无线系统安全得多。尤其适用于军事、金融、法律等保密要求高的部门。(6)无需申请频率。由于光通信在无须管制的光波段工作，不占用拥挤的无线电频率资源，设备间没有信号的相互干扰，也不会与其他传输发生干扰，不会引起频率许可问题，因此无需申请频率许可证。线光通信具有非常强的抗电磁干扰性能，一般的无线电波对其不会形成干扰。(7)经济性适用性强。与其他(光缆、电缆、短波、中波、卫星站等)通信手段相比，采用光通信的通信手段，不会带来任何设计、勘察、工程和线路费等附加费用，因此，起始投资和运营费用较低，易于被市场、通信运营商以及用户接受。西安理工大学本科生毕业设计（论文）4表1-1无线激光通信系统与微波系统的比较类型波长天线口径发散角发射功率速率功耗微波0.5cm3m2.7mrad150w20Mbit/s350w激光850nm15cm9urad0.2-2w1Gbit/s100w当然无线激光通信也有其不足的地方：由于无线激光通信以大气为传输媒质，其系统性能受限于大气传输信道，而大气传输信道受雨、雪、雾、云和湍流等的影响，使光衰减和光色散都很不稳定，难于实现全天候通信。1.2光学系统概述光学天线是无线激光通信系统中的重要组成部分。从发射和接收两个方面来考量，光学系统在无线激光通信中主要有以下功能[9]：（1）在发射端，光学系统对信号光进行准直，改变光束波前的分布，压缩发散角，对光束进行准直和扩束，使得光信号经过较远距离传输后具有较小的弥散斑。（2）在接收端，光学系统主要负责尽可能多的收集信号光，将该光信号传输至光电转化器件的中心，滤掉“噪音”，保留目标信号光，实现光信号到电信号的转化。