CN109273864A - 一种利用双馈源产生毫米波贝塞尔波束的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用双馈源产生贝塞尔波束的装置，所述装置包括：位于一个平面上的两个相同的馈源和一个透镜；两个馈源的出射面的几何中心与透镜焦点的距离相等，所述两个馈源均为介质棒天线，用于将产生的两束高斯波束入射到透镜上，所述透镜用于输出贝塞尔波束。本发明的装置利用两个相同馈源，解决了传统方法中分束的问题，直接利用两个波束相干进行调制得到贝塞尔光束，整个装置简单实用，其长度与现有装置相比缩短了20％。

Description

一种利用双馈源产生毫米波贝塞尔波束的装置

技术领域

本发明属于毫米波应用技术领域，具体涉及一种利用双馈源产生贝塞尔波束的装置。

背景技术

在可见光和红外领域，常利用高斯波束进行准直和切割等操作，同时希望高斯波束具有衍射角小和波束半径小的特点，但在实际应用中，波束发散角和衍射角呈现反相关的关系，因此，人们一直在寻找一种方式，能够使得激光束不发生衍射或者在一定传输距离内不发生衍射，1987年美国科学家首次引入“无衍射光束”的概念，并在理论和实验中得到了验证，从理论上证明了绝对意义上的无衍射光束是不可能存在的，但是在相对意义上，有限能量的光束仍然可以实现有限距离的无衍射传输，因此前人的研究工作就集中在如何简单有效的产生贝塞尔光束，贝塞尔光束如何能在更长的距离实现无衍射，贝塞尔波束的转化效率能否提高。

在毫米波波段，产生贝塞尔波束的方法与可见光及红外波段类似，但是难点又有不同，毫米波波段的波束准直并不像红外和可见光那么容易，很多方法是不能采用的，如倒置望远镜法，其原因在于该种方法产生的贝塞尔波束的光斑过于大，能量集中度不够，因此考虑到其准直往往采用超材料透镜天线，但是超材料透镜天线其加工难度较大，精度要求颇高，使用频带较窄，一直限制了其使用。因此在毫米波波段，产生的贝塞尔波束要求光斑大小要尽量小，装置要尽量简单，得到的传输距离要尽量长。

贝塞尔波束的产生是目前研究的热点，特别是频率低至毫米波波段，其贝塞尔波束产生方式肯定与光学和红外波段有较大差异，贝塞尔波束的产生方法一般来说是利用两个高斯波束进行干涉产生的结果，因此，无论是采用全息图还是轴棱锥还是狭缝法，都是利用同一个发射馈源发出的波束，将其进行分束，再将其波束方向进行偏转，由传统的球面波转换成锥形波束，利用两个锥形波束的干涉形成贝塞尔波束，这种方法，对于轴棱锥加工精度要求极高，分束时对于实验的光路配置要求也非常高，失配造成的影响很大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有贝塞尔波束的产生装置存在的上述缺陷，采用了双馈源结构的装置，并且不需要加工精度要求较高的棱镜，该装置具有转换效率高的优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用双馈源产生毫米波贝塞尔波束的装置，该装置包括：位于一个平面上的两个相同的馈源和一个透镜；两个馈源的出射面的几何中心与透镜焦点的距离相等，所述两个馈源均为介质棒天线，用于将产生的两束高斯波束入射到透镜上，所述透镜用于输出贝塞尔波束。

作为上述装置的一种改进，所述馈源的出射面的几何中心与透镜焦点的距离为5mm。

作为上述装置的一种改进，所述馈源与透镜的竖直距离大于100mm；所述馈源与透镜的竖直距离为高斯波束中心点到馈源口面的距离S与高斯波束中心点到透镜的距离S₁的和；所述高斯波束中心点到馈源口面的距离S的计算过程为：利用所需馈源的远场方向图，得到馈源的3dB方位角θ，在满足馈源发出的高斯波束束腰半径ω₀₁≥0.9λ条件下，λ为该频率下的波长，求出高斯波束中心点到馈源口面的距离S：

作为上述装置的一种改进，所述透镜的口径D满足：D≥3ω，其中，ω为透镜入射面的高斯波束束腰半径：

作为上述装置的一种改进，所述透镜的厚度T为：

其中，R(S₁)为高斯波束入射至透镜口面的曲率半径：

作为上述装置的一种改进，所述装置产生的贝塞尔波束的最大传输距离大于200mm。

本发明的优点在于：

本发明的装置利用两个相同馈源天线，解决了传统方法中分束的问题，直接利用两个波束相干进行调制得到贝塞尔光束，整个装置简单实用，其长度仅为现有装置的20％。

附图说明

图1是本发明的利用双馈源产生毫米波贝塞尔波束的装置的设计方法的流程图；

图2是本发明的用双馈源产生毫米波贝塞尔波束的装置的结构示意图；

图3是本发明的装置产生的贝塞尔波束轴向近场增益图；

图4是本发明的装置所得贝塞尔波束的平面增益图，纵坐标300mm～800mm，横坐标-50mm～50mm。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明提出了一种利用双馈源产生毫米波贝塞尔波束的装置的设计方法，利用双馈源和一个透镜天线获得了贝塞尔波束，该方法包括：

步骤1)利用所需馈源的远场方向图，得到馈源天线3dB方位角θ，在馈源输出的高斯波束束腰半径ω₀₁满足ω₀₁≥0.9λ条件下，高斯波束中心点到馈源口面的距离S；

λ为该频率下的波长，ω₀₁为天线方向图远场增益3dB波束半径的1.18倍，高斯波束中心点到馈源口面的距离S的表达式如下式：

步骤2)利用ω₀₁和设定的高斯波束中心点到透镜的距离S₁，利用ω₀₁及高斯波束中心点到透镜的距离S₁，得到透镜前表面入射处的高斯波束束腰半径ω：

为使得高斯波束能量尽量截获率达到98％以上，透镜口径D需满足条件D≥3ω；

步骤3)求出高斯波束入射至透镜口面的曲率半径：

其中：

步骤4)利用步骤3)获得的曲率半径R(S₁)求出透镜的厚度T：

步骤5)将两个馈源排成一列，分别距离正馈电点5mm；

步骤6)在步骤5)的基础上，分别对两个馈源进行馈电，观察形成的波束形状和最大传输距离，如传输距离达到200mm以上，则设计结束，如不满足要求，则按照前述过程重新设计馈源天线及透镜天线。

如图2所示，本发明提出了一种利用双馈源产生毫米波贝塞尔波束的装置，所述装置包括：位于一个平面上的两个相同的馈源和一个透镜；两个馈源的出射面的几何中心与透镜焦点的距离相等：均为5mm，馈源为介质棒天线，用于将产生的高斯波束入射到透镜上，所述透镜用于输出贝塞尔波束。

每个馈源与透镜的竖直距离大于100mm以上；馈源与透镜的竖直距离为高斯波束中心点到馈源口面的距离S与高斯波束中心点到透镜的距离S₁的和；其中S的计算过程为：利用所需馈源的远场方向图，得到馈源的3dB方位角θ，在满足馈源发出的高斯波束束腰半径ω₀₁≥0.9λ条件下，λ为该频率下的波长，求出高斯波束中心点到馈源口面的距离S：

优选的，透镜的口径D需满足条件D≥3ω，ω为透镜入射面的高斯波束束腰半径：

透镜的厚度T：

其中，

如图3所示和图4所示，本发明的装置产生的贝塞尔波束达到传输距离达到200mm以上的设计要求。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种利用双馈源产生贝塞尔波束的装置，其特征在于，所述装置包括：位于一个平面上的两个相同的馈源和一个透镜；两个馈源的出射面的几何中心与透镜焦点的距离相等，所述两个馈源均为介质棒天线，用于将产生的两束高斯波束入射到透镜上，所述透镜用于输出贝塞尔波束。

2.根据权利要求1所述的利用双馈源产生贝塞尔波束的装置，其特征在于，所述馈源的出射面的几何中心与透镜焦点的距离为5mm。

3.根据权利要求2所述的利用双馈源产生贝塞尔波束的装置，其特征在于，所述馈源与透镜的竖直距离大于100mm；所述馈源与透镜的竖直距离为高斯波束中心点到馈源口面的距离S与高斯波束中心点到透镜的距离S₁的和；所述高斯波束中心点到馈源口面的距离S的计算过程为：利用所需馈源的远场方向图，得到馈源的3dB方位角θ，在满足馈源发出的高斯波束束腰半径ω₀₁≥0.9λ条件下，λ为该频率下的波长，求出高斯波束中心点到馈源口面的距离S：

4.根据权利要求3所述的利用双馈源产生贝塞尔波束的装置，其特征在于，所述透镜的口径D满足：D≥3ω，其中，ω为透镜入射面的高斯波束束腰半径：

5.根据权利要求4所述的利用双馈源产生贝塞尔波束的装置，其特征在于，所述透镜的厚度T为：

其中，R(S₁)为高斯波束入射至透镜口面的曲率半径：

6.根据权利要求1-5之一所述的利用双馈源产生贝塞尔波束的装置，其特征在于，所述装置产生的贝塞尔波束的最大传输距离大于200mm。