一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线制造技术

本发明专利技术涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，包括单端口声波导和拓扑声子晶体，所述拓扑声子晶体由多个散射柱组成，所述拓扑声子晶体在单端口声波导内分为上半区域拓扑声子晶体和下半区域拓扑声子晶体，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱旋转角度为

【技术实现步骤摘要】
一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线


[0001]本专利技术涉及天线
，具体涉及一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线。

技术介绍

[0002]声波定向传播技术在军事领域和民用领域都有着广阔的应用场景，如：新型的人工智能机器人需要定向宽频辐射声束来提高声波传输的指向性，以保证声信号的保密性；从而，实现语音频段宽频声波的高指向性辐射不仅是一个具有重要意义的科学问题，而且在人工智能机器人等领域具有重大应用前景。
[0003]现有技术中为解决上述问题，往往使用声子晶体和局域共振型超材料用于实现声波指向性辐射天线，并基于相控阵技术的参量扬声器和麦克风阵列，其依靠非常大的传感器阵列和复杂的信号处理系统来实现波束成形，以获得合理的空间分辨率；但，庞大的主动阵列和复杂的处理系统非常不利于声学器件的小型化和集成化，通常在智能机器人应用场景受到限制。
[0004]由此，为改善上述技术问题，本专利技术提供了一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，改善了上述技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，解决了庞大的主动阵列和复杂的处理系统非常不利于声学器件的小型化和集成化，通常在智能机器人应用场景受到限制的问题。
[0006]本专利技术提供一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，包括单端口声波导和拓扑声子晶体，所述拓扑声子晶体由多个散射柱组成，所述拓扑声子晶体在单端口声波导内分为上半区域拓扑声子晶体和下半区域拓扑声子晶体，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱旋转角度为
‑
30
˚
，下半区域拓扑声子晶体的散射柱旋转角度为30
˚
，形成相反谷霍尔拓扑相的结构，使得辐射出来的声波显然具有更高的指向性；所述单端口声波导包括垂直面、上底面、下底面以及后端面，所述垂直面、上底面、下底面均垂直安装在后端面一侧，所述垂直面一侧分别与上底面和下底面一端连接，所述后端面远离垂直面的一端设为声波导出射端口。
[0007]优选的，多个所述散射柱均由三个角度差120
˚
的实心臂构成，且均呈三角形晶格的基矢平移布置安装在单端口声波导内部一侧。
[0008]优选的，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱靠近上底面的实心臂与上底面垂直，形成正立的三臂结构。
[0009]优选的，利用多个所述散射柱组成带状拓扑声子晶体，所述带状拓扑声子晶体包括上半部
‑
30
˚
旋转角的多个散射柱和下半部30
˚
旋转角的多个散射柱，形成体能带带隙。
[0010]优选的，所述带隙中存在横穿整个带隙的拓扑边界态，所述拓扑边界态的产生源自边界两端的结构具有不同的拓扑谷陈数。
“
前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0020]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0021]为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明；本专利技术提供一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，如图1至8所示，包括单端口声波导和拓扑声子晶体，所述拓扑声子晶体由多个散射柱5组成，所述拓扑声子晶体在单端口声波导内分为上半区域拓扑声子晶体和下半区域拓扑声子晶体，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱5旋转角度为
‑
30
˚
，下半区域拓扑声子晶体的散射柱5旋转角度为30
˚
，形成相反谷霍尔拓扑相的结构，使得辐射出来的声波显然具有更高的指向性；所述单端口声波导包括垂直面1、上底面2、下底面3以及后端面4，所述垂直面1、上底面2、下底面3均垂直安装在后端面4一侧，所述垂直面1一侧分别与上底面2和下底面3一端连接，所述后端面4远离垂直面1的一端设为声波导出射端口；优选地，多个所述散射柱5均由三个角度差120
˚
的实心臂构成，且均呈三角形晶格的基矢平移布置安装在单端口声波导内部一侧；优选地，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱5靠近上底面2的实心臂与上底面2垂直，形成正立的三臂结构；优选地，所述下半区域拓扑声子晶体的散射柱5靠近下底面3的实心臂与下底面3相垂直，形成倒立的三臂结构；实施例1，参见图7，图8，单端口声波导呈直角梯形，上底面2、下底面3和后端面4的长度分别为20 cm，36 cm和27.7 cm，壁厚为1 cm；垂直面1的高度为7 cm；将8个散射柱5按照相应的位置和旋转角度转动安装在单端口声波导内部，多个散射柱5的高均为7 cm，臂长均为3.2 cm，臂宽均为1.12 cm，晶格常数为8 cm；波导的上半区域布置旋转角度为
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30
˚
的散射柱5，下半区域布置散射柱5旋转角度为30
˚
的散射柱5,这两种具有相反谷霍尔拓扑相的结构中间形成了声波拓扑界面；参见图1，对于旋转角为0
˚
的散射柱5组成的拓扑声子晶体，由于此时声子晶体具有C
3v
对称性，所以在其第一布里渊区的角点上会得到能带简并的狄拉克锥，狄拉克锥的频率为2.0 kHz，因此需要通过两种相反的打破镜面对称性的方式来产生具有不同谷陈数的两种拓扑声子晶体；参见图2，通过散射柱5顺时针旋转得到旋转角为
‑
30
˚
的正立三臂型散射柱5，如图2(a)所示，由这种散射柱5形成的拓扑声子晶体的色散曲线，色散曲线如图2(b)所示；由于镜面对称性的破缺，原有的狄拉克锥被打破，形成了体能带带隙，这种拓扑声子晶体的谷陈
数为C
K =，C
K
’
=；图2(c)中旋转角为30
˚
的倒立三臂型散射柱5对应的声子晶体具有和图2(a)中拓扑声子晶体相同的色散曲线，色散曲线如图2(d) 所示，但是其谷陈数相反，为C
K
=，C
K
’
=；参见图4，将本专利技术的宽带指向性声波辐射天线放置在半圆形自由空间内，利用有限元软件模拟计算频率为2 kHz的声波从所述拓扑边界中耦合到自由空间后的场分布，将声波辐射天线的声波导出射端口面沿水平方向放置，如图4(a)所示，由仿真结果可知，拓扑天线可沿角度辐射出语音频段的高指向性声束，这种辐射功能源于谷投影的边界态；具体的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：包括单端口声波导和拓扑声子晶体，所述拓扑声子晶体由多个散射柱（5）组成，所述拓扑声子晶体在单端口声波导内分为上半区域拓扑声子晶体和下半区域拓扑声子晶体，所述上半区域拓扑声子晶体的散射柱（5）旋转角度为
‑
30
˚
，下半区域拓扑声子晶体的散射柱（5）旋转角度为30
˚
，形成相反谷霍尔拓扑相的结构，使得辐射出来的声波显然具有更高的指向性；所述单端口声波导包括垂直面（1）、上底面（2）、下底面（3）以及后端面（4），所述垂直面（1）、上底面（2）、下底面（3）均垂直安装在后端面（4）一侧，所述垂直面（1）一侧分别与上底面（2）和下底面（3）一端连接，所述后端面（4）远离垂直面（1）的一端设为声波导出射端口。2.根据权利要求1所述的一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：多个所述散射柱（5）均由三个角度差120
˚
的实心臂构成，且均呈三角形晶格的基矢平移布置安装在单端口声波导内部一侧。3.根据权利要求1所述的一种宽带高指向性的拓扑声波辐射天线，其特征在于：所述上半区域拓...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志旺，刘晓峻，程营，熊威，狄敏，姚志强，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：