[发明专利]轨道角动量涡旋电磁波发生装置的设计方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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

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。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

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。

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：

(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；