申请/专利权人：西安电子科技大学

申请日：2018-03-21

公开（公告）日：2020-09-15

公开（公告）号：CN108539425B

主分类号：H01Q15/08(20060101)

分类号：H01Q15/08(20060101);H01Q19/06(20060101);H01Q19/10(20060101);G06F30/17(20200101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.15#授权;2018.10.16#实质审查的生效;2018.09.14#公开

摘要：本发明公开了一种轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，包括以下步骤：一、设计圆柱状微波透镜并计算不同尺寸的基础单元结构所对应的相对介电常数；二、形成微波透镜；三、制作微波透镜；四、放置微波透镜和馈源。本发明的有益之处在于：1本发明中的微波透镜与离散的旋转相位板相比，结构连接紧密，更容易固定、携带与使用，产生的涡旋电磁波的波束的发散角更小，方向更集中，传播的距离更远；2本发明中的微波透镜允许发射天线频带宽度拓宽到了7GHz到13GHz；3本发明中微波透镜采用全电介质材料，能耗很低且耐腐蚀；4使用3D打印技术制造微波透镜，价格低廉，能大大降低工业制造成本。

主权项：1.轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：一、设计圆柱状微波透镜并计算不同尺寸的基础单元结构所对应的相对介电常数利用基于拉普拉斯方程的空间变换理论，设计圆柱状微波透镜，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，将每个扇柱形结构的介电常数分布离散成若干个介电常数值，然后计算出微波透镜每一个基础单元所对应的相对介电常数，包括：1选定轨道角动量涡旋电磁波发生装置的本征模态数和中心频率；2计算微波透镜各部分所对应的相对介电常数2a确定微波透镜的边界条件从虚拟空间到物理空间的转换；2b假设将微波透镜放置在平面金属反射板上、将馈源放置在微波透镜的中心轴向处，馈源发射入射平面波，波端口与原点之间的距离在虚拟空间和物理空间都是相同的，使用商业软件ComsolMultiphysics的偏微分方程求解器来求解拉普拉斯方程预定义边界条件；2c在微波透镜的边缘设置Neumann-Dirichlet滑动边界条件；2d将中间介质的特性进一步简化为： 其中，ε为相对介电常数，εr为全电介质材料的介电常数，μ为磁导率，xi，xi′分别为光学变换前后的坐标位置；二、形成微波透镜选取不同尺寸的基础单元，与微波透镜相应位置上介电常数一一对应，将这些基础单元拼接到一起，组成扇形结构，使各基础单元向扇形结构的圆心弯曲，并且使弯曲后各基础单元的曲率与所在扇形的圆弧的曲率相同，从而形成微波透镜；三、制作微波透镜将仿真软件中搭建好的全电介质透镜三维模型导出，采用3D打印技术得到全电介质透镜实体；四、放置微波透镜和馈源将微波透镜放置在平面金属反射板上，将馈源放置在微波透镜的中心轴向处。

全文数据：轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法技术领域[0001]本发明涉及一种装置的设计方法，具体涉及轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，属于变换光学及无线通信技术领域。背景技术[0002]无线系统中的通用通信服务通常是基于电磁EM领域的线性动量，一般采用基于电磁信号的相位、频率或振幅进行调制的通信方案。随着无线通信技术的快速发展，各通信系统可以分配的频谱越来越拥挤，频带资源的匮乏正成为影响无线通信技术发展的重要因素。近年来，能够携带轨道角动量OAM的涡旋电磁波在光学频率和射频频率范围内得到了极大的关注。涡旋电磁波在无线通信中的应用采用基于角动量的新的调制形式，OAM的引入可以通过利用与电磁场相关的基本物理量来进一步改善通信系统的信道容量。由正交OAM波束组成的信号空间基于旋转自由度为无线通信系统提供新的物理层。具有不同模值的OAM波束是相互正交的，它们可以沿相同的波束轴复用在一起，并以低串扰进行解复用，这为无线通信技术中存在的频带拥塞问题提供了新的解决方案。[0003]到目前为止，用于产生微波、毫米波轨道角动量波束的主要方法为透射型旋转相位板、螺旋拋物面和阵列天线。这几种方案中旋转相位板的应用最为广泛，其特点在于理论与结构简单，方便制造，可以双极化激励，转换效率较高，但是产生的波束发散角较大不利于远距离传输、介质板对波束的反射会降低发射效率、复用方案复杂等问题限制了这一在光频段应用广泛的方案。发明内容[0004]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，该设计方法不仅可以解决上述旋转相位板结构复杂的问题，而且可以极大的减小波束的发散角、提升传输距离，同时更易于轨道角动量涡旋电磁波发生装置的安装固定与使用。[0005]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：[0006]轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：[0007]—、设计圆柱状微波透镜并计算不同尺寸的基础单元结构所对应的相对介电常数[0008]利用基于拉普拉斯方程的空间变换理论，设计圆柱状微波透镜，通过TOE求解器来计算不同扇柱形结构的连续介电常数分布，将每个扇柱形结构的介电常数分布离散成若干个介电常数值，然后计算出微波透镜每一个基础单元所对应的相对介电常数；[0009]二、形成微波透镜[0010]选取不同尺寸的基础单元，与微波透镜相应位置上介电常数一一对应，将这些基础单元拼接到一起，组成扇形结构，使各基础单元向扇形结构的圆心弯曲，并且使弯曲后各基础单元的曲率与所在扇形的圆弧的曲率相同，从而形成微波透镜；[0011]三、制作微波透镜[0012]将仿真软件中搭建好的全电介质透镜三维模型导出，采用3D打印技术得到全电介质透镜实体；[0013]四、放置微波透镜和馈源[0014]将微波透镜放置在平面金属反射板上，将馈源放置在微波透镜的中心轴向处。[0015]前述的轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，其特征在于，在步骤一中，设计圆柱状微波透镜的过程具体如下：[0016]1选定轨道角动量涡旋电磁波发生装置的本征模态数和中心频率；[0017]2计算微波透镜各部分所对应的相对介电常数[0018]2a确定微波透镜的边界条件从虚拟空间到物理空间的转换；[0019]2b假设将微波透镜放置在平面金属反射板上、将馈源放置在微波透镜的中心轴向处，馈源发射入射平面波，波端口与原点之间的距离在虚拟空间和物理空间都是相同的，使用商业软件ComsolMultiphysics的偏微分方程求解器来求解拉普拉斯方程预定义边界条件；[0020]2c在微波透镜的边缘设置Neumann-Dirichlet滑动边界条件；[0021]2d将中间介质的特性进一步简化为：[0022][0023]其中，ε为相对介电常数，£1为全电介质材料的介电常数，μ为磁导率，Xi,分别为光学变换前后的坐标位置。[0024]前述的轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，其特征在于，在步骤三中，微波透镜使用3D打印机制作而成，选取的材料为介电常数为2.8的打印材料。[0025]本发明的有益之处在于：[0026]1本发明中的微波透镜在结构上连接紧密，与离散的旋转相位板相比，更容易固定、携带与使用，更易于集成到其它的设备上。[0027]2本发明中的微波透镜，与传统的旋转相位板相比，产生的涡旋电磁波的波束的发散角更小，方向更集中，传播的距离更远。[0028]3本发明中的微波透镜，通过改变基础单元的尺寸，进而改变相对介电常数，使得透镜各单元不会发生谐振，允许发射天线频带宽度拓宽到7GHz到13GHz。[0029]4本发明中微波透镜采用的材质是全电介质材料，用这种材料制造出的器件不仅能耗很低而且耐腐蚀。[0030]⑸本发明使用3D打印技术制造微波透镜，价格低廉，能大大降低工业制造成本。附图说明[0031]图1是本发明的轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法实现流程图；[0032]图2是采用本发明的设计方法所设计得到的轨道角动量涡旋电磁波发生装置的整体结构示意图；[0033]图3是本发明实施例中组成微波透镜的基础单元的结构示意图；[0034]图4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；[0035]图5是本发明实施例中产生的本征模态为1的涡旋电磁波；[0036]图6是理论的本征模态为1的轨道角动量电场相位曲线；[0037]图7是本发明实施例中微波透镜结构的远场三维辐射方向图；[0038]图8是理论的本征模态为1的轨道角动量涡旋波束辐射图。[0039]图中附图标记的含义:1_微波透镜、2-金属反射板、3-馈源、1111-基础单元。具体实施方式[0040]本发明提供的轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，整体思路是:通过空间变换理论，将离散的旋转相位板等效变换为圆柱状透镜，改变微波透镜各个基础单元的尺寸大小，实现各个基础单元相对介电常数的变化，使入射平面波在微波透镜中的传播路径发生改变，实现相位补偿，经金属反射板反射后，实现第二次相位补偿，经两次相位补偿后生成涡旋电磁波。[0041]以设计能够产生中心频率为IOGHz、本征模态为1的涡旋电磁波的轨道角动量涡旋电磁波发生装置为例，以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。[0042]参照图1，本发明提供的轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，具体包括以下步骤：[0043]—、设计圆柱状微波透镜并计算不同尺寸的基础单元结构所对应的相对介电常数[0044]利用基于拉普拉斯方程的空间变换理论，将离散的旋转相位板等效变换为圆柱状透镜，过程具体如下：[0045]1、选定轨道角动量渦旋电磁波发生装置的本征模态数LL=I和中心频率ff=IOGHz〇[0046]2、计算微波透镜各部分所对应的相对介电常数[0047]首先，确定微波透镜的边界条件从虚拟空间到物理空间的转换，变换关系如图4所示，其中，物理空间的坐标用x，y表示，虚拟空间的坐标用x’，y’）表示。[0048]然后，假设将微波透镜放置在平面金属反射板上、将馈源放置在微波透镜的中心轴向处，馈源发射入射平面波，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，涡旋电磁波可以由平面而不是曲面生成，所以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，我们使用商业软件ComsolMultiphysics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。[0049]坐标A和A’以及坐标B和B’共享相同的位置，设线段AB和线段A’B’的长度都等于W，线段BC的长度被取为变量L，线段DE的长度被取为变量H，线段CE垂直于线段DA，线段DA被转换为长度为M的线段D’A’，线段BC被转换为长度为M的线段B’C’，类似的，圆弧CD被转换成水平线段C’D’。因此，矩形A’B’C’D’是从四边形AB⑶映射而来的。[0050]我们所设计的微波透镜模型是基于变换光学理论的，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，接下来，我们在微波透镜的边缘设置Neumann-Dirichlet滑动边界条件，如下式所示：[0051][0052]其中，6是边界表面的法向向量，X，y，z分别为虚拟空间坐标系中的X，y，z轴，X’为物理空间坐标系中的X轴。[0053]最后，考虑到激励的极化，中间介质的特性可以进一步简化为：[0054][0055]其中，ε为相对介电常数，£1为全电介质材料的介电常数，μ为磁导率，Xi,分别为光学变换前后的坐标位置。[0056]将离散的旋转相位板等效变换为圆柱状透镜之后，微波透镜的基础单元为由三个相互垂直的圆柱体组成的立体结构，如图3所示。[0057]接下来，计算不同尺寸的基础单元结构所对应的相对介电常数，过程具体如下：[0058]首先，通过TOE求解器来计算不同扇柱形结构的连续介电常数分布；[0059]然后，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；[0060]最后，计算出微波透镜每一个基础单元所对应的相对介电常数ε。[0061]二、形成微波透镜[0062]选取不同尺寸的12936个基础单元，与微波透镜相应位置上介电常数——对应，将这些基础单元拼接到一起，组成扇形结构，以y轴为轴线的圆柱向扇形结构的圆心弯曲，并且使弯曲后圆柱的曲率与所在扇形的圆弧的曲率相同，从而形成微波透镜。[0063]这种连接方式实现了相邻的基础单元平滑连接，解决了微波透镜拼接上的问题。[0064]三、制作微波透镜[0065]将仿真软件例如:HFSS_15.0中搭建好的全电介质透镜三维模型导出，根据介质透镜所需电磁材料参数选取介电常数为2.8的打印材料，依据打印的精度要求选取合适的3D打印机，依据导出的模型打印得到全电介质透镜实体模型。[0066]四、放置微波透镜和馈源[0067]将微波透镜放置在平面金属反射板上，将馈源（即喇叭天线放置在微波透镜的中心轴向处，如图2所示。[0068]采用本发明的设计方法，我们设计得到了一个形状规则、方便集成且制作成本低廉的涡旋电磁波发生装置。[0069]相位补偿原理：由馈源发出的入射平面波照射到微波透镜上，入射平面波通过微波透镜时，在不同相对介电常数的基础单元处发生传播路径的改变，实现第一次相位补偿，经金属反射板反射后，通过微波透镜实现第二次相位补偿，经两次相位补偿后即产生模态为1的涡旋电磁波反射波）。[0070]以下结合仿真实验，对本发明的设计方法的技术效果作进一步说明。[0071]1、仿真条件和内容[0072]利用商业仿真软件HFSS_15.0,对采用本发明的设计方法设计得到的轨道角动量涡旋电磁波产生装置（中心频率为IOGHz进行仿真，在工作频率为IOGHz时，生成模态为1的涡旋电磁波。[0073]2、仿真结果[0074]经仿真计算，生成的模态为1的涡旋电磁波的相位特性如图5所示，远场辐射图如图7所示。[0075]3、仿真结果分析[0076]参照图5,颜色的深浅代表每一处涡旋电磁波的相位的大小颜色深、相位大，颜色浅、相位小），采用本发明的设计方法设计得到的装置其所产生的模态为1的涡旋电磁波每绕轴线旋转一周，相位增加360°，相位特性与图6所示的本征模态为1的涡旋电磁波的理论相位特性基本一致。[0077]参照图7,采用本发明的设计方法设计得到的装置其所产生的模态为1的涡旋电磁波为中间凹陷的高增益波，与图8所示的理论的本征模态为1的轨道角动量涡旋波束辐射图一致。[0078]以上仿真结果说明，采用本发明的设计方法设计得到的轨道角动量涡旋电磁波发生装置可以有效产生高增益的轨道角动量涡旋电磁波。[0079]需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

权利要求：1.轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：一、设计圆柱状微波透镜并计算不同尺寸的基础单元结构所对应的相对介电常数利用基于拉普拉斯方程的空间变换理论，设计圆柱状微波透镜，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，将每个扇柱形结构的介电常数分布离散成若干个介电常数值，然后计算出微波透镜每一个基础单元所对应的相对介电常数；二、形成微波透镜选取不同尺寸的基础单元，与微波透镜相应位置上介电常数一一对应，将这些基础单元拼接到一起，组成扇形结构，使各基础单元向扇形结构的圆心弯曲，并且使弯曲后各基础单元的曲率与所在扇形的圆弧的曲率相同，从而形成微波透镜；三、制作微波透镜将仿真软件中搭建好的全电介质透镜三维模型导出，采用3D打印技术得到全电介质透镜实体；四、放置微波透镜和馈源将微波透镜放置在平面金属反射板上，将馈源放置在微波透镜的中心轴向处。2.根据权利要求1所述的轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，其特征在于，在步骤一中，设计圆柱状微波透镜的过程具体如下：1选定轨道角动量涡旋电磁波发生装置的本征模态数和中心频率；⑵计算微波透镜各部分所对应的相对介电常数2a确定微波透镜的边界条件从虚拟空间到物理空间的转换；2b假设将微波透镜放置在平面金属反射板上、将馈源放置在微波透镜的中心轴向处，馈源发射入射平面波，波端口与原点之间的距离在虚拟空间和物理空间都是相同的，使用商业软件ComsolMultiphysics的偏微分方程求解器来求解拉普拉斯方程预定义边界条件；2c在微波透镜的边缘设置Neumann-Dirichlet滑动边界条件；2d将中间介质的特性进一步简化为：其中，ε为相对介电常数，^为全电介质材料的介电常数，μ为磁导率，xSxP分别，+.为光学变换前后的坐标位置。3.根据权利要求1所述的轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法，其特征在于，在步骤三中，微波透镜使用3D打印机制作而成，选取的材料为介电常数为2.8的打印材料。

百度查询： 西安电子科技大学 轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法

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