[发明专利]一种利用双馈源产生毫米波贝塞尔波束的装置

说明书

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％。

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：