一种涡旋电磁波的发生装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种涡旋电磁波的发生装置
本专利技术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BoThide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，BoThide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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采取的技术方案为：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hl＝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。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：(1)本专利技术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)本专利技术中微波透镜采用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是本专利技术的整体结构示意图；图2是本专利技术中组成微波透镜的扇形结构的结构示意图；图3是本专利技术中组成微波透镜的第一基础单元的结构示意图；图4是本专利技术中组成微波透镜的第二基础单元的结构示意图；图5是本专利技术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是本专利技术在中心频率为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，对本专利技术作进一步详细详述：本专利技术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，该楔形立体结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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)...

【专利技术属性】
技术研发人员：衣建甲，曹雪琦，冯瑞，孟颖繁，张海林，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61