CN108281800A - 一种涡旋电磁波的发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种涡旋电磁波的发生装置，用于解决现有涡旋波发生装置存在的有效工作频率范围较窄的问题。包括微波透镜，金属反射板和馈源；微波透镜为由多个扇形柱体结构构成的圆柱状结构，每个扇形柱体结构由多个扇形结构层叠，扇形结构由位于中心的部分基础单元和多个扇形弧组成；基础单元由三个相互垂直的圆柱体组成，微波透镜各层基础单元圆柱半径自上而下递减，同一层基础单元圆柱半径自里向外递减，同一扇形弧里基础单元圆柱半径相同，从各层圆柱半径最大的扇形结构起，各扇形弧里的基础单元圆柱半径沿顺/逆时针递减；馈源产生的平面波由微波透镜获第一次相位补偿，由金属反射板反射后经微波透镜获第二次相位补偿，得到涡旋电磁波。

Description

一种涡旋电磁波的发生装置

技术领域

本发明属于变换光学及无线通信领域，涉及一种涡旋电磁波的发生装置，可用于无线通信领域。

技术背景

随着无线通信技术的高速发展，无线通信系统所分配的频谱变得异常拥挤，频谱资源贫乏的问题日益严重，已成为无线移动通信与服务应用持续发展的瓶颈。为缓解频谱资源与日益增长的无线业务需求之间的矛盾，瑞典空间物理研究所Bo Thide教授等人另辟蹊径，通过实验将一束电磁波扭曲成一束涡旋电磁波，并提出了利用涡旋电磁波用于增大无线通信容量的设想。

2011年6月24日，Bo Thide教授研究团队在意大利威尼斯的泻湖展开了一个引人注目的实验，证明利用电磁波的轨道角动量即通过扭曲电磁波，可大幅提升无线通信的容量。在通常情况下，同一频率只能传输一路信息。而在此，他们通过对电磁波的不同轨道角动量进行编码，即使在现实环境中，也可实现同一频率(实际上是一个频带)传输多路信息，这就有可能大幅度提升现有的无线通信容量(带宽)。理论上，即使在不使用偏振或密集编码技术的情况下，这项新的无线通信技术也可在某一固定频带范围内实现无限多的信道传输，这对解决日益突出的无线通信频谱拥挤问题提供了一个全新的解决思路。

传统产生涡旋波的装置有旋转相位板、螺旋拋物面和阵列天线，这几种装置中旋转相位板的特点在于理论与结构简单，转换效率较高；但是在射频微波波段，其产生的波束发散角较大不利于远距离传输，且只能针对特定的频率做出响应。而螺旋抛物面则是将已有的抛物面天线弯曲螺旋成螺旋曲面，本质上是一种反射型旋转相位板，由于抛物面的汇聚作用，可以将发散的涡旋波束汇聚，但是，该装置只能针对一定的频率且很难产生多个模态的涡旋波束的复用；阵列天线技术近些年得到了广泛研究，但是为了产生旋转相位的波束，需要复杂的馈电移相网络。当要产生的涡旋波模态值较大时，需要更多的天线单元，这会使系统的复杂度和设计难度大大增加，不利于实际的应用。近年来随着电磁超表面结构的出现，解决了传统产生涡旋波装置存在的结构复杂，成本高，效率低的问题，但是由于电磁超材料反射单元必须采用金属谐振单元结构，导致电磁超表面结构只能有效工作在金属谐振单元的谐振频率附近，有效工作频率范围较窄。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种涡旋电磁波的发生装置，用于解决现有技术存在的有效工作频率范围较窄的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种涡旋电磁波的发生装置，包括微波透镜1、金属反射板2和馈源3，所述金属反射板2附着于微波透镜1的底面，所述馈源3的中心位于微波透镜1的中心轴线。

所述微波透镜1，采用3D打印的由m个扇形柱体结构11构成的圆柱状结构，m≥3，每个扇形柱体结构11由n个扇形结构111层叠而成，n≥2，所述扇形结构111由位于中心位置的第二基础单元1112和从里到外依次排布的k个曲率相同的扇形弧结构组成，每个扇形弧结构包括p个第一基础单元1111；所述第一基础单元1111，采用由三个相互垂直的圆柱体组成的立体结构，所述第二基础单元1112，采用沿第一基础单元1111中的三个圆柱中任一圆柱轴线切割而成的楔形立体结构，所述第一基础单元1111和第二基础单元1112采用全电介质材料；

所述微波透镜1，其各层中相同位置的基础单元圆柱的半径自上而下依次递减，同一层中的基础单元圆柱的半径自里向外依次递减，且同一层中各扇形结构111内同一扇形弧结构里的基础单元圆柱的半径相同，以各层内部圆柱半径整体最大的扇形结构111为起点，各扇形结构111内相同位置的扇形弧结构里的基础单元圆柱半径沿顺时针或逆时针方向依次递减；

所述扇形结构111，其组成扇形弧结构的第一基础单元1111，以y轴为轴线的圆柱向扇形结构111的圆心弯曲，用于实现与相邻的基础单元平滑连接。

所述微波透镜1，其中的各基础单元中的圆柱高度h_l＝λ/6，其中λ为馈源发射的平面入射波的波长。

所述扇形弧结构，包括的第一基础单元1111的个数为p，其中i为扇形弧结构由里到外的编号，i＝1,2,…,k，θ为扇形弧对应的圆心角。

所述第一基础单元1111的立体结构，是以原点为中心，以x轴、y轴和z轴为轴线的三个圆柱体构成。

所述第二基础单元1112的楔形立体结构，是以z轴为轴线，yoz平面为中心面，在中心面两侧等角度对第一基础单元1111进行纵向切割而成，该楔形立体结构的楔形角度与其所在扇形结构11的圆心角相等。

所述馈源3产生的平面入射波通过微波透镜1后获取第一次相位补偿，再经金属反射面2反射后通过微波透镜1获取第二次相位补偿，两次相位补偿后的反射波即为涡旋电磁波。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明中圆柱状微波透镜的基础单元采用全电介质材料，每个单元由三个相互垂直的圆柱体组成，微波透镜同一层中基础单元的圆柱半径自里向外依次递减，各扇形结构内相同位置的扇形弧结构里的基础单元圆柱半径沿顺时针或逆时针方向依次递减，通过改变基础单元圆柱的半径大小，改变等效单元中介质体与空气的比例以确定不同的等效介电常数数值，基础单元结构不会发生共振，可在较宽的频率范围形成涡旋电磁波，与现有技术相比，有效地拓宽了工作频率范围。

(2)本发明中微波透镜采用3D打印技术制成，设计简单，价格低廉，与现有技术相比，能大大降低工业制造成本。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中组成微波透镜的扇形结构的结构示意图；

图3是本发明中组成微波透镜的第一基础单元的结构示意图；

图4是本发明中组成微波透镜的第二基础单元的结构示意图；

图5是本发明中微波透镜设计从虚拟空间到物理空间的空间转换示意图；

图6是本发明在中心频率为10GHz，工作频率分别为7GHz、8GHz、9GHz、10GHz、11GHz、12GHz、13GHz时生成模态为1的涡旋波的相位分布图。

图7是现有的轨道角动量涡旋波束产生装置在中心频率为10GHz，工作频率分别为7GHz、8GHz、9GHz、10GHz、11GHz、12GHz、13GHz时生成模态为1的涡旋波的相位分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细详述：

本发明可用于产生各种模态的涡旋电磁波，本实施例以产生中心频率为10GHz的本征模态为1的涡旋电磁波为例。

参照图1，一种涡旋电磁波的发生装置，包括微波透镜1、金属反射板2和馈源3，所述馈源3采用喇叭天线，其中心位于微波透镜1的中心轴线，取喇叭天线的中心相对位置为与透镜中心的距离为90mm，入射平面波频率f＝10GHz，波长λ＝30mm；微波透镜1为采用3D打印的由8个等分的扇形柱体结构11构成的圆柱状结构。

扇形柱体结构11，其结构如图2所示，每个由7个扇形结构111层叠而成，所述扇形结构111由位于中心位置的第二基础单元1112和从里到外依次排布的20个曲率相同的扇形弧结构组成，每个扇形弧结构包括p个第一基础单元1111，其中i为扇形弧结构由里到外的编号，i＝1,2,…,20；

第一基础单元1111，其结构如图3所示，由以原点为中心，以x轴、y轴和z轴为轴线的三个圆柱体构成，其中各圆柱高度

第二基础单元1112，其结构如图4所示，是以z轴为轴线，yoz平面为中心面，在中心面两侧等角度对第一基础单元1111进行纵向切割而成的楔形立体结构，该楔形立体结构的楔形角度与其所在扇形结构111的圆心角均为45°。

第一基础单元1111和第二基础单元1112采用全电介质材料，反射小，在电磁场中不会发生共振，受频率影响小，所述微波透镜1，其各层中相同位置的基础单元的圆柱半径自上而下依次递减，通过改变基础单元的圆柱半径大小，可改变等效单元中介质体与空气的比例以确定等效介电常数数值使入射波在透镜中的传播路径更平滑。同一层中的基础单元的圆柱半径自里向外依次递减，且同一层中各扇形结构111内同一扇形弧结构里基础单元的圆柱半径相同，以各层内部圆柱半径整体最大的扇形结构111为起点，各扇形结构111内相同位置的扇形弧结构里的基础单元圆柱半径沿顺时针或逆时针方向依次递减，使每一个扇形柱体结构对入射波的相位改变45°，用以生成涡旋波。

本发明基于变换光学理论的设计，确定微波透镜的边界条件从虚拟空间到物理空间的转换，其变换关系如图5(a)和5(b)所示。物理和虚拟空间坐标分别用(x,y)和(x',y')表示。将微波透镜放置在平面反射表面上，并由图5所示的馈源发射平面波。波端口与原点之间的距离在虚拟空间和物理空间中都是相同的，圆弧CD和直线段C'D'都代表完美的电导体(PEC)表面。由于从圆弧CD到直线段C'D'的转换，涡旋波可以由平面而不是曲面生成。为了获得作为虚拟空间的自由空间与作为变换介质的物理空间之间的期望映射，使用商业软件Comsol Multiphysics的偏微分方程(PDE)求解器来求解拉普拉斯方程预定义边界条件。

坐标A和A'以及B和B'共享相同的位置，设得线段AB和A'B'的长度等于W.BC的长度被取为变量L，而线段DE的长度被取为变量H，其中CE垂直于DA。线段DA被转换为长度为M的线段D'A'，而线段BC被转换为线段B'C'。类似地，圆弧CD被转换成水平线段C'D'。因此，定义为A'B'C'D'的矩形是从四边形ABCD映射而来的。

所设计的模型是基于变换光学理论，通过求解拉普拉斯方程来实现。为了在虚拟空间外边界的场中建立等价关系，在微波透镜的边缘设置Neumann-Dirichlet滑动边界条件如下式所示：

其中是法线向量的边界的表面。考虑到激励的极化，中间介质的特性可以进一步简化为：

其中μ为磁导率，xⁱ，x^i′分别为光学变换前后的坐标位置。

通过PDE求解器来计算不同扇柱形结构的连续介电常数分布，接下来将每个扇柱形结构的介电常数分布离散成147个介电常数值。计算出微波透镜每一个单元结构的介电常数ε。

每个第一基础单元1111与其所在的5mm*5mm*5mm的正方体区域内其余空气部分形成一个等效单元，参照图3。根据上述理论计算得出的该区域内的等效介电常数。通过改变基础单元圆柱的半径大小，可调节等效单元中介质体与空气的比例，以控制等效介电常数数值。

选取不同尺寸的12880个第一基础单元和56个第二基础单元，与微波透镜相应位置上介电常数一一对应；其组成扇形弧结构的第一基础单元1111，以y轴为轴线的圆柱向扇形结构111的圆心弯曲，使弯曲后圆柱的曲率与所在扇形弧曲率相同，用于实现与相邻的基础单元平滑连接，解决拼接上的问题。

位于微波透镜的中心轴向处的喇叭天线产生的平面入射波通过微波透镜时在不同相对介电常数的基础单元处发生传播路径的改变，获取第一次相位补偿，再经金属反射面2反射后通过微波透镜1获取第二次相位补偿，两次相位补偿后的反射波即为模态为1的涡旋电磁波。

以下结合仿真实验，对本发明技术效果作进一步说明：

1.仿真条件和内容

利用商业仿真软件HFSS_15.0，对中心频率为f＝10GHz的本发明和现有的轨道角动量涡旋波束产生装置进行仿真计算。

仿真1，在工作频率为7GHz、8GHz、9GHz、10GHz、11GHz、12GHz、13GHz时对本发明实施例进行仿真计算，生成模态为1的涡旋波的相位特性如图6所示。

仿真2，在工作频率为7GHz、8GHz、9GHz、10GHz、11GHz、12GHz、13GHz时对现有的轨道角动量涡旋波束产生装置进行仿真计算，生成模态为1的涡旋波的相位特性如图7所示。

2.仿真结果分析

参照图6，图6(a)～图6(g)分别是中心频率为10GHz的本发明在工作频率为7GHz、8GHz、9GHz、10GHz、11GHz、12GHz、13GHz时所产生的模态为1的涡旋波的相位分布图，颜色深浅代表每一处涡旋波的相位大小，所产生模态为1的涡旋波每绕轴线旋转一周，相位增加360°，在7GHz-13GHz的频率范围内本发明产生的模态为1的涡旋波的相位特性与理论相位特性基本一致。

参照图7，图7(a)～图7(g)分别是中心频率为10GHz的现有轨道角动量涡旋波束产生装置在工作频率为7GHz、8GHz、9GHz、10GHz、11GHz、12GHz、13GHz时所产生的模态为1的涡旋波的相位分布图，在工作频率为10GHz时生成模态为1的涡旋波相位特性较好，如图7(d)所示；在工作频率为9GHz和11GHz时生成模态为1的涡旋波相位特性一般，如图7(c),图7(e)所示；在工作频率为8GHz和12GHz时生成模态为1的涡旋波相位特性较差，如图7(b),图7(f)所示；在工作频率为7GHz和13GHz时生成模态为1的涡旋波相位特性很差，如图7(a),图7(g)所示。

以上仿真结果说明，本发明的有效工作频率范围大于6GHz，与现有技术相比，可以在更宽的频率范围有效工作。

以上描述仅是本发明的实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种涡旋电磁波的发生装置，其特征在于，包括微波透镜(1)、金属反射板(2)和馈源(3)，所述金属反射板(2)附着于微波透镜(1)的底面，所述馈源(3)的中心位于微波透镜(1)的中心轴线；

所述微波透镜(1)，采用3D打印的圆柱状结构，由m个扇形柱体结构(11)组成，m≥3，每个扇形柱体结构(11)由n个扇形结构(111)层叠而成，n≥2，所述扇形结构(111)由位于扇形中心的第二基础单元(1112)和k个曲率相同的扇形弧结构组成，每个扇形弧结构包括p个第一基础单元(1111)；所述第一基础单元(1111)，采用由三个相互垂直的圆柱体组成的立体结构，所述第二基础单元(1112)，采用沿第一基础单元(1111)中的三个圆柱中任一圆柱轴线切割而成的楔形立体结构，所述第一基础单元(1111)和第二基础单元(1112)采用全电介质材料；

所述微波透镜(1)，其各层中相同位置的基础单元的圆柱半径自上而下依次递减，同一层中的基础单元的圆柱半径自里向外依次递减，且同一层中各扇形结构(111)内同一扇形弧结构里的基础单元的圆柱半径相同，以各层内部圆柱半径整体最大的扇形结构(111)为起点，各扇形结构(111)内相同位置的扇形弧结构里的基础单元圆柱半径沿顺时针或逆时针方向依次递减；

所述馈源(3)产生的平面入射波通过微波透镜(1)后获取第一次相位补偿，再经金属反射面(2)反射后通过微波透镜(1)获取第二次相位补偿，两次相位补偿后的反射波即为涡旋电磁波。

2.根据权利要求1所述的一种涡旋电磁波的发生装置，其特征在于：所述扇形结构(111)，其组成扇形弧结构的第一基础单元(1111)，以y轴为轴线的圆柱向扇形结构(111)的圆心弯曲，用于实现与相邻的基础单元平滑连接。

3.根据权利要求1所述的一种涡旋电磁波的发生装置，其特征在于：所述微波透镜(1)，其中的各基础单元中的圆柱高度h_l＝λ/6，其中λ为馈源发射的平面入射波的波长。

4.根据权利要求1所述的一种涡旋电磁波的发生装置，其特征在于：所述扇形弧结构，其包括的第一基础单元(1111)的个数为p，其中i为扇形弧结构由里到外的编号，i＝1,2,…,k，θ为扇形弧对应的圆心角。

5.根据权利要求1所述的一种涡旋电磁波的发生装置，其特征在于：所述第一基础单元(1111)的立体结构，是以原点为中心，以x轴、y轴和z轴为轴线的三个圆柱体构成。

6.根据权利要求1所述的一种涡旋电磁波的发生装置，其特征在于：所述第二基础单元(1112)的楔形立体结构，是以z轴为轴线，yoz平面为中心面，在中心面两侧等角度对第一基础单元(1111)进行纵向切割而成，该楔形立体结构的楔形角度与其所在扇形结构(111)的圆心角相等。