CN106324735A - 一种电磁波准直元件及组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁波准直元件及组件。该电磁波准直元件包括金属反射面，所述金属反射面用于将波源发射的电磁波进行准直反射；所述金属反射面为预设曲线绕其对称轴旋转预设角度而成的曲面，所述预设曲线的表达式为:y²＝2cx+c²；所述金属反射面的开口半径r与准直反射后的所述电磁波的发散角2θ满足：其中，c为常数，所述波源位于所述对称轴上。本发明中的电磁波准直元件不但可以对电磁波进行低损耗的准直反射，还可以根据准直反射后的电磁波的发散角来设计金属反射面的开口半径，使得电磁波可准直角度范围可调，给实际生产应用带来极大的便利性。

Description

一种电磁波准直元件及组件

技术领域

本发明涉及准直器件技术领域，特别是涉及一种电磁波准直元件及组件。

背景技术

电磁波为横波，其可以应用在探测、定位、通信等领域。太赫兹波段是电磁波应用中较为重要的一个波段。一般在太赫兹波段应用中，经常需要对太赫兹波进行准直。目前对太赫兹波进行准直的方法主要包括透镜准直和离轴抛物面镜准直。然而，两种准直方法只能对发散角度在正负2arctan(r/f)范围内的太赫兹波进行准直，其中，r为透镜或离轴抛物面镜的半高值，f为波源与透镜或离轴抛物面镜的距离。上述两种准直方法的准直角度范围很小，受到透镜和离轴抛物面镜尺寸的影响；而且当采用透镜对太赫兹波进行准直时，透镜会对太赫兹波产生较大的损耗，其中，这些损耗主要包括：太赫兹波在透镜介质中传播时产生的透射损耗以及太赫兹波在透镜表面反射时产生的反射损耗。

因此，有必要提供一种电磁波准直元件及组件，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种电磁波准直元件及组件；以解决现有的准直方法中准直角度范围小等技术问题。

本发明提供一种电磁波准直元件，其包括金属反射面，所述金属反射面用于将波源发射的电磁波进行准直反射；所述金属反射面为预设曲线绕其对称轴旋转预设角度而成的曲面，所述预设曲线的表达式为:y²＝2cx+c²；所述金属反射面的开口半径r与准直反射后的所述电磁波的发散角2θ满足：其中，c为常数，所述波源位于所述对称轴上。

在本发明所述的电磁波准直元件中，所述常数c大于所述电磁波波长，所述开口半径r大于5倍的所述电磁波波长。

在本发明所述的电磁波准直元件中，所述预设角度的取值范围为大于0°且小于等于180°。

在本发明所述的电磁波准直元件中，所述金属反射面包括：金金属反射面、银金属反射面、铜金属反射面和/或铝金属反射面。

本发明还提供一种电磁波准直组件，其包括：波源和电磁波准直元件，所述波源用于向所述电磁波准直元件发射电磁波；所述电磁波准直元件包括金属反射面，所述金属反射面用于将所述波源发射的电磁波进行准直反射，所述金属反射面为预设曲线绕其对称轴旋转预设角度而成的曲面，所述预设曲线的表达式为:y²＝2cx+c²，所述金属反射面的开口半径r与准直反射后的所述电磁波的发散角2θ满足：其中，c为常数，所述波源位于所述对称轴上。

在本发明所述的电磁波准直组件中，所述常数c大于所述电磁波波长，所述开口半径r大于5倍的所述电磁波波长。

在本发明所述的电磁波准直组件中，所述预设角度的取值范围为大于0°且小于等于180°。

在本发明所述的电磁波准直组件中，所述金属反射面包括：金金属反射面、银金属反射面、铜金属反射面和/或铝金属反射面。

在本发明所述的电磁波准直组件中，所述波源包括太赫兹波段波源、微波波段波源或光波波段波源。

在本发明所述的电磁波准直组件中，所述波源为点源。

本发明提供一种电磁波准直元件及组件。该电磁波准直元件中的金属反射面为预设曲线绕其对称轴旋转预设角度而成的曲面，该预设曲线的表达式为:y²＝2cx+c²；金属反射面的开口半径r与准直反射后的电磁波的发散角2θ满足：本发明中的电磁波准直元件不但可以对电磁波进行低损耗的准直反射，还可以根据准直反射后的电磁波的发散角来设计金属反射面的开口半径，使得电磁波可准直角度范围可调，给实际生产应用带来极大的便利性。

附图说明

图1为本发明优选实施例中预设曲线与波源的位置关系示意图；

图2为本发明优选实施例中金属反射面的结构示意图；

图3为本发明优选实施例中电磁波与金属反射面交点位于y坐标轴左侧时的光路示意图；

图4为本发明优选实施例中电磁波与金属反射面交点位于y坐标轴右侧时的光路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1和图2，图1为本发明优选实施例中预设曲线与波源的位置关系示意图；图2为本发明优选实施例中金属反射面的结构示意图。本优选实施例中的电磁波准直元件包括金属反射面11。金属反射面11为预设曲线10绕其对称轴旋转预设角度而成的曲面，预设曲线10的表达式为:y²＝2cx+c²，由预设曲线10的表达式容易得知，预设曲线10的对称轴为x坐标轴。

在本优选实施例中，预设角度取值为180°，这样预设曲线10绕其对称轴旋转180°可得图2中所示的金属反射面11的结构示意图。当然，在其他实施例中，预设角度也可以为大于0°且小于等于180°范围内任意值，预设角度的具体取值可以根据实际应用情况进行设置，在此不做具体限制。

在本优选实施例中，波源20位于预设曲线10的对称轴上，即位于x坐标轴上。波源20发出发散的电磁波至该金属反射面11上，该金属反射面11将发散的电磁波进行准直反射。由于电磁波无需透过金属反射面即可以进行准直，因此本实施例中的电磁波准直元件不会对电磁波产生透射损耗。

为了可以提高金属反射面11对电磁波的反射率，本优选实施例中的金属反射面11为铜金属反射面。在其他优选实施例中，金属反射面11也可以采用金金属反射面、银金属反射面和/或铝金属反射面等其他金属材质的反射面，只要对电磁波具有较高的反射率即可，在此不做具体限制。

另外，金属反射面11的制作方式可以采用金属模内注塑形成，也可以采用在器件表面喷涂金属材料等方式制作，只要满足本优选实施例中的金属反射面11的要求即可。

在本优选实施例中，金属反射面11为一侧封闭，另一侧开口的器件，如图2所示。在图2中，波源20左侧为封闭结构，波源20的右侧为开口结构。根据金属反射面11的开口半径r与准直反射后的电磁波的发散角2θ的关系设置波源右侧金属反射面11的长度，其中，金属反射面11的开口半径r与准直反射后的电磁波的发散角2θ满足：其中，c为常数。为了降低衍射效应的影响，常数c需大于电磁波波长，而开口半径r需大于5倍的电磁波波长。在这里，电磁波波长优选为波源的中心波长。

需要说明的是，若波源20向四面八方发射电磁波，即波源20相当于理想的点源。由于位于波源20右侧的金属反射面11为一开口结构，因此，从金属反射面11的开口结构出射的准直反射电磁波中，一部分为经过金属反射面11表面准直反射的电磁波，一部分为未经过金属反射面11准直反射的电磁波。其中未经过金属反射面11准直反射的电磁波的发散角定义为准直反射后的电磁波的发散角2θ。从另一角度解释，未经过金属反射面11准直反射的电磁波也可以理解为波源20发射的电磁波中无需进行准直反射的电磁波。

例如，在二维平面内，波源20向360°角度范围内发射电磁波，但是根据实际的需求，正负10°角度范围内的电磁波无需进行准直反射，那么可以设置准直反射后的电磁波的发散角2θ等于20°，从而反推出金属反射面11的开口半径r。这样就可以制作出只有正负10°角度范围内的电磁波不进行准直反射，而其他方向电磁波均被准直反射的金属反射面11。因此，本实施例中的金属反射面11可以根据实际的需求调节电磁波的可准直角度范围。

为了说明本优选实施例中预设曲线的表达式的准确性和可行性，下面将给出该表达式的推导过程。

为了方便推导计算，本优选实施例中的波源20放置在x＝0的位置，可以理解的是，波源20可以在x坐标轴的任意位置，不局限于x＝0的位置。

请参照图3，图3为本发明优选实施例中电磁波与金属反射面交点位于y坐标轴左侧时的光路示意图。入射电磁波21与y坐标轴的夹角为α，准直反射电磁波22与法线23的夹角为β，准直反射电磁波22与金属反射面11的切线24的夹角为γ。在本优选实施例中，准直反射电磁波22平行于x坐标轴出射。

由几何三角关系可知：

$\mathrm{\α}+2\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

$\mathrm{\γ}+\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

对上面两个方程式求解可得：

$\mathrm{\β}=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α})$

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\α}}{2}$

根据角度与坐标的关系可得：

$tan\mathrm{\γ}=\frac{dy}{dx}$

$tan\mathrm{\α}=-\frac{x}{y}$

其中x、y分别为光线与镜面交点处的横坐标和纵坐标，为交点处金属反射面11的斜率。

将表示为y′＝tanγ，下面将对y′＝tanγ进行化简：

$\begin{array}{c}{y}^{\′}=\tan \mathrm{\γ}=\tan (\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\α}}{2})=\frac{\tan \frac{\mathrm{\π}}{4}+\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}{1-\tan \frac{\mathrm{\π}}{4}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}=\frac{1+\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}{1-\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}=\frac{1+\frac{\sin \mathrm{\α}}{1+\cos \mathrm{\α}}}{1-\frac{\sin \mathrm{\α}}{1+\cos \mathrm{\α}}}\\ =\frac{1+\sin \mathrm{\α}+\cos \mathrm{\α}}{1+\cos \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\α}}=\frac{1+\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}-\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}}{1+\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}+\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}}\end{array}$

$=\frac{\sqrt{x^2+y^2}+y-x}{\sqrt{x^2+y^2}+y+x}$

由此，y′＝tanγ最后化简成：

请参照图4，图4为本发明优选实施例中电磁波与金属反射面交点位于y坐标轴右侧时的光路示意图。入射电磁波21与y坐标轴的夹角为α，入射电磁波21与法线23的夹角为β，准直反射电磁波22与金属反射面11的切线24的夹角为γ。在本优选实施例中，准直反射电磁波22平行于x坐标轴出射。

由几何三角关系可得：

$2\mathrm{\β}-\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

$\mathrm{\γ}+\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

对上面两式进行化简得到：

$\begin{array}{c}\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α}+2\mathrm{\β}=\mathrm{\π}\\ \mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}\end{array}\⇒\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\β}=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\α})\\ \mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}}{4}-\frac{\mathrm{\α}}{2}\end{array}\right.\\ \⇒\left\{\begin{array}{c}\tan \mathrm{\α}=\frac{x}{y}\\ \tan \mathrm{\γ}=\frac{dy}{dx}\end{array}\right.\end{array}$

将表示为y′＝tanγ，下面将对y′＝tanγ进行化简：

$\begin{array}{c}{y}^{\′}=\tan \mathrm{\γ}=\tan (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\frac{\mathrm{\α}}{2})=\frac{\tan \frac{\mathrm{\π}}{4}-\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}{1+\tan \frac{\mathrm{\π}}{4}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}\\ =\frac{1+\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}-\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}}{1+\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}+\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}}=\frac{\sqrt{x^2+y^2}+y-x}{\sqrt{x^2+y^2}+y+x}\end{array}$

$\begin{array}{c}=\frac{1-\frac{\sin \mathrm{\α}}{1+\cos \mathrm{\α}}}{1+\frac{\sin \mathrm{\α}}{1+\cos \mathrm{\α}}}\\ =\frac{1+\sin \mathrm{\α}+\cos \mathrm{\α}}{1+\cos \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\α}}=\frac{1+\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}-\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}}{1+\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}+\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}}\\ =\frac{\sqrt{x^2+y^2}+y-x}{\sqrt{x^2+y^2}+y+x}\end{array}$

由此，y′＝tanγ最后化简成：

综上可知，无论入射电磁波21与金属反射面11相交于y坐标轴左侧还是右侧，最终y′＝tanγ化简的表达式都是一样的，即均为

利用三角函数之间的关系化简方程，过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{\γ}sin\mathrm{\α}\\ y=\mathrm{\γ}cos\mathrm{\α}\end{array}\right.$

对上式两边求导可得到如下的方程组：

$\left\{\begin{array}{c}dx=\mathrm{\γ}cos\mathrm{\α}d\mathrm{\α}+sin\mathrm{\α}d\mathrm{\γ}\\ dy=-\mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}d\mathrm{\α}+\cos \mathrm{\α}d\mathrm{\γ}\end{array}\right.$

即又由于结合两个方程很容易得到：

$\frac{-\mathrm{\γ}sin\mathrm{\α}d\mathrm{\α}+cos\mathrm{\α}d\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}d\mathrm{\α}+\sin \mathrm{\α}d\mathrm{\γ}}=\frac{1+cos\mathrm{\α}-sin\mathrm{\α}}{1+cos\mathrm{\α}+sin\mathrm{\α}}$

对方程进行求解可得：

γdα(cosα+cos²α-sinαcosα+sinα+sinαcosα+sin²α)＝dγ(cosα+cos²α+sinαcosα-sinα-sinαcosα+sin²α)

最后可得到关于γ的方程，

γ＝(1+sinα+cosα)dα＝(1+cosα-sinα)dγ

下面将对γ的方程进行分析：

当时，通过推导可得，

$ln\mathrm{\γ}=-2ln(cos\frac{\mathrm{\α}}{2}-sin\frac{\mathrm{\α}}{2})+c$

$\mathrm{\γ}=\frac{c}{{(cos\frac{\mathrm{\α}}{2}-sin\frac{\mathrm{\α}}{2})}^2}$

$\mathrm{\γ}({\cos }^2\frac{\mathrm{\α}}{2}-2sin\frac{\mathrm{\α}}{2}cos\frac{\mathrm{\α}}{2}+{\sin }^2\frac{\mathrm{\α}}{2})=\mathrm{\γ}(1-sin\mathrm{\α})=c$

又因为且γsinα＝x，所以可进一步化简为：

$\sqrt{x^2+y^2}-x=c$

y²＝2cx+c²

当时，γ的方程可化简为：

$ln\mathrm{\γ}=-2ln(sin\frac{\mathrm{\α}}{2}-cos\frac{\mathrm{\α}}{2})+c$

$\mathrm{\γ}=\frac{c}{{(sin\frac{\mathrm{\α}}{2}-cos\frac{\mathrm{\α}}{2})}^2}$

又因为且γsinα＝x，可得y²＝2cx+c²。

综上可知，无论与的大小关系如何，都不影响y²＝2cx+c²的表达式。

在本优选实施例中，电磁波准直元件中的金属反射面为预设曲线绕其对称轴旋转预设角度而成的曲面，该预设曲线的表达式为:y²＝2cx+c²；金属反射面的开口半径r与准直反射后的电磁波的发散角2θ满足：本发明中的电磁波准直元件不但可以对电磁波进行低损耗的准直反射，还可以根据准直反射后的电磁波的发散角来设计金属反射面的开口半径，使得电磁波可准直角度范围可调，给实际生产应用带来极大的便利性。

本发明优选实施例还提供一种电磁波准直组件，其包括波源和电磁波准直元件。波源用于向电磁波准直元件发射电磁波。在本优选实施例中，波源为点源，且波源为太赫兹波段波源，当然，在其他实施例中，波源也可以为微波波段波源、光波波段波源等，在此不做具体限制。

电磁波准直元件包括金属反射面，金属反射面用于将波源发射的电磁波进行准直反射。金属反射面为预设曲线绕其对称轴旋转预设角度而成的曲面，预设曲线的表达式为:y²＝2cx+c²，金属反射面的开口半径r与准直反射后的电磁波的发散角2θ满足：其中，c为常数，波源位于对称轴上。

由于说明书前面已经对电磁波准直元件做了详细地说明，为了说明书的简洁性，在此不再赘述。

本优选实施例中的电磁波准直组件，由于其采用本发明提供的电磁波准直元件，使得电磁波准直组件可以将发散的电磁波转换为准直的电磁波，同时可以根据准直反射后的电磁波的发散角设计金属反射镜的开口半径，实现电磁波的准直角度范围可控。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电磁波准直元件，其特征在于，包括金属反射面，所述金属反射面用于将波源发射的电磁波进行准直反射；所述金属反射面为预设曲线绕其对称轴旋转预设角度而成的曲面，所述预设曲线的表达式为:y²＝2cx+c²；所述金属反射面的开口半径r与准直反射后的所述电磁波的发散角2θ满足：其中，c为常数，所述波源位于所述对称轴上。

2.根据权利要求1所述的电磁波准直元件，其特征在于，所述常数c大于所述电磁波波长，所述开口半径r大于5倍的所述电磁波波长。

3.根据权利要求2所述的电磁波准直元件，其特征在于，所述预设角度的取值范围为大于0°且小于等于180°。

4.根据权利要求1所述的电磁波准直元件，其特征在于，所述金属反射面包括：金金属反射面、银金属反射面、铜金属反射面和/或铝金属反射面。

5.一种电磁波准直组件，其特征在于，包括：波源和电磁波准直元件，所述波源用于向所述电磁波准直元件发射电磁波；所述电磁波准直元件包括金属反射面，所述金属反射面用于将所述波源发射的电磁波进行准直反射，所述金属反射面为预设曲线绕其对称轴旋转预设角度而成的曲面，所述预设曲线的表达式为:y²＝2cx+c²，所述金属反射面的开口半径r与准直反射后的所述电磁波的发散角2θ满足：其中，c为常数，所述波源位于所述对称轴上。

6.根据权利要求5所述的电磁波准直组件，其特征在于，所述常数c大于所述电磁波波长，所述开口半径r大于5倍的所述电磁波波长。

7.根据权利要求6所述的电磁波准直组件，其特征在于，所述预设角度的取值范围为大于0°且小于等于180°。

8.根据权利要求5所述的电磁波准直组件，其特征在于，所述金属反射面包括：金金属反射面、银金属反射面、铜金属反射面和/或铝金属反射面。

9.根据权利要求5所述的电磁波准直组件，其特征在于，所述波源包括太赫兹波段波源、微波波段波源或光波波段波源。

10.根据权利要求5所述的电磁波准直组件，其特征在于，所述波源为点源。