[發明專利]一種利用雙饋源產生毫米波貝塞爾波束的裝置

有效

• 申請號: 201811036786.7
• 申請日: 2018-09-06
• 公開（公告）號: CN109273864B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 劉喆;張德海
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家空間科學中心
• 主分類號: H01Q19/06
• 分類號: H01Q19/06
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;楊青

本發明公開了一種利用雙饋源產生貝塞爾波束的裝置，所述裝置包括：位于一個平面上的兩個相同的饋源和一個透鏡；兩個饋源的出射面的幾何中心與透鏡焦點的距離相等，所述兩個饋源均為介質棒天線，用于將產生的兩束高斯波束入射到透鏡上，所述透鏡用于輸出貝塞爾波束。本發明的裝置利用兩個相同饋源，解決了傳統方法中分束的問題，直接利用兩個波束相干進行調制得到貝塞爾光束，整個裝置簡單實用，其長度與現有裝置相比縮短了20％。

技術領域

本發明屬于毫米波應用技術領域，具體涉及一種利用雙饋源產生貝塞爾波束的裝置。

背景技術

在可見光和紅外領域，常利用高斯波束進行準直和切割等操作，同時希望高斯波束具有衍射角小和波束半徑小的特點，但在實際應用中，波束發散角和衍射角呈現反相關的關系，因此，人們一直在尋找一種方式，能夠使得激光束不發生衍射或者在一定傳輸距離內不發生衍射，1987年美國科學家首次引入“無衍射光束”的概念，并在理論和實驗中得到了驗證，從理論上證明了絕對意義上的無衍射光束是不可能存在的，但是在相對意義上，有限能量的光束仍然可以實現有限距離的無衍射傳輸，因此前人的研究工作就集中在如何簡單有效的產生貝塞爾光束，貝塞爾光束如何能在更長的距離實現無衍射，貝塞爾波束的轉化效率能否提高。

在毫米波波段，產生貝塞爾波束的方法與可見光及紅外波段類似，但是難點又有不同，毫米波波段的波束準直并不像紅外和可見光那么容易，很多方法是不能采用的，如倒置望遠鏡法，其原因在于該種方法產生的貝塞爾波束的光斑過于大，能量集中度不夠，因此考慮到其準直往往采用超材料透鏡天線，但是超材料透鏡天線其加工難度較大，精度要求頗高，使用頻帶較窄，一直限制了其使用。因此在毫米波波段，產生的貝塞爾波束要求光斑大小要盡量小，裝置要盡量簡單，得到的傳輸距離要盡量長。

貝塞爾波束的產生是目前研究的熱點，特別是頻率低至毫米波波段，其貝塞爾波束產生方式肯定與光學和紅外波段有較大差異，貝塞爾波束的產生方法一般來說是利用兩個高斯波束進行干涉產生的結果，因此，無論是采用全息圖還是軸棱錐還是狹縫法，都是利用同一個發射饋源發出的波束，將其進行分束，再將其波束方向進行偏轉，由傳統的球面波轉換成錐形波束，利用兩個錐形波束的干涉形成貝塞爾波束，這種方法，對于軸棱錐加工精度要求極高，分束時對于實驗的光路配置要求也非常高，失配造成的影響很大。

發明內容

本發明的目的在于克服現有貝塞爾波束的產生裝置存在的上述缺陷，采用了雙饋源結構的裝置，并且不需要加工精度要求較高的棱鏡，該裝置具有轉換效率高的優點。

為了實現上述目的，本發明提供了一種利用雙饋源產生毫米波貝塞爾波束的裝置，該裝置包括：位于一個平面上的兩個相同的饋源和一個透鏡；兩個饋源的出射面的幾何中心與透鏡焦點的距離相等，所述兩個饋源均為介質棒天線，用于將產生的兩束高斯波束入射到透鏡上，所述透鏡用于輸出貝塞爾波束。

作為上述裝置的一種改進，所述饋源的出射面的幾何中心與透鏡焦點的距離為5mm。

作為上述裝置的一種改進，所述饋源與透鏡的豎直距離大于100mm；所述饋源與透鏡的豎直距離為高斯波束中心點到饋源口面的距離S與高斯波束中心點到透鏡的距離S₁的和；所述高斯波束中心點到饋源口面的距離S的計算過程為：利用所需饋源的遠場方向圖，得到饋源的3dB方位角θ，在滿足饋源發出的高斯波束束腰半徑ω₀₁≥0.9λ條件下，λ為該頻率下的波長，求出高斯波束中心點到饋源口面的距離S：

作為上述裝置的一種改進，所述透鏡的口徑D滿足：D≥3ω，其中，ω為透鏡入射面的高斯波束束腰半徑：

作為上述裝置的一種改進，所述透鏡的厚度T為：

其中，R(S₁)為高斯波束入射至透鏡口面的曲率半徑：