一种涡旋电磁波发生器的制作方法

本实用新型属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种涡旋电磁波发生器。

背景技术：

涡旋电磁波是一种具有螺旋相位面和方位角分量的电磁波束，具有轨道角动量。光频段的涡旋电磁波可以应用于“光镊”和“光学扳手”实现显微操作，也可以应用于超分辨率成像和量子信息技术等各个方面。微波频段的涡旋电磁波可应用于无线通信领域，利用具有不同轨道角动量的涡旋电磁波可以在相同频率下实现多个信道，显著提升无线通信信道容量，从而解决当前无线通信频谱资源紧张的问题。

而如何产生具有不同轨道角动量的涡旋电磁波是是目前亟待解决的技术难题。当前，人们已经研究出了多种产生涡旋电磁波的方法。主要有以下方法：(1)利用台阶状螺旋相位板的相位调制作用将平面波前转换为螺旋波前，其结构简洁，但是加工要求高，且主要应用于光频段或毫米波以上的高频段；(2)在阵列结构天线中采用螺旋相位馈电的方式实现涡旋波，可以用于频率较低的微波频段，但是天线结构和馈电结构都复杂，馈电部分的相位和幅度控制难度大，特别是轨道角动量模式数较大时，结构会趋于庞大复杂，实现难度极大；(3)利用正交馈电的圆形行波波导实现涡旋电磁波，结构简单便于加工，但是其正交馈电结构较为复杂，且一旦结构固定，其涡旋模式和工作频率随即固定，无法进行调谐；(4)基于人工表面等离激元的方式产生涡旋电磁波，可以在不同频率下得到具有不同轨道角动量模式数的涡旋波，但是其结构需要精细设计和加工，且无法实现多模调控和频带调谐。所以有必要设计出一种结构简单、工作频率可调且可产生不同角动量模式数的涡旋电磁波发生器。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、工作频率可调且可产生不同角动量模式数的涡旋电磁波发生器。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种涡旋电磁波发生器，包括第一金属板、软磁铁氧体、第二金属板、永磁铁氧体以及探针，其中，软磁铁氧体为圆柱体结构，软磁铁氧体上表面固定设有第一金属板，且第一金属板的半径小于软磁铁氧体的半径；软磁铁氧体下表面固定设有第二金属板，且软磁铁氧体的半径小于第二金属板；第二金属板上开有一通孔，探针可从该通孔中穿过；所述永磁铁氧体设在第二金属板下方，且永磁铁氧体的横截面积大于软磁铁氧体的横截面积；所述第二金属板连接有一螺纹杆，所述永磁铁氧体设有一通孔，且通孔内加工有与所述螺纹杆相配合的螺纹。

作为本实用新型的进一步限定方案，永磁铁氧体的材料为锶铁氧体或钡铁氧体或钕铁硼永磁体。

作为本实用新型的进一步限定方案，软磁铁氧体的材料为钇铁石榴石铁氧体或镁锰铁氧体或镍锌铁氧体。

作为本实用新型的进一步限定方案，永磁铁氧体为圆柱体结构。

作为本实用新型的进一步限定方案，第一金属板、第二金属板和螺纹杆均采用铝合金制成。

作为本实用新型的进一步限定方案，软磁铁氧体与第一金属板之间、软磁铁氧体与第二金属板之间均可通过焊接方式或导电胶固定。

作为本实用新型的进一步限定方案，第一金属板、软磁铁氧体、第二金属板和永磁铁氧体以同心方式排布。

采用上述结构后，永磁铁氧体能够为软磁铁氧体提供偏置磁场，从而在软磁铁氧体表面产生磁表面等离激元，将探针穿过第二金属板上的通孔进行馈电，激发磁表面等离激元，使得磁表面等离激元在软磁铁氧体表面进行环向传播，形成环向行波模式，这种环向行波可以向空间辐射能量，且空间相位成螺旋分布，从而产生涡旋电磁波。而通过改变永磁铁氧体提供的偏置磁场强度即可调节涡旋电磁波的频率和角动量模式数。在提供偏置磁场的永磁铁氧体上加工出设有螺纹的通孔，并且第二金属板连接有螺纹杆，该螺纹杆与永磁铁氧体通孔的螺纹相配合，在螺纹杆上旋动永磁铁氧体，改变永磁铁氧体与第二金属板之间的距离，即可改变永磁铁氧体提供的偏置磁场强度，随着永磁铁氧体与第二金属板之间距离的增大，偏置磁场的强度减弱，进而改变环向行波向空间辐射出的能量，最终可获得不同频率和角动量模式数的涡旋电磁波。

除了改变永磁铁氧体与第二金属板之间的距离来改变偏置磁场强度外，还可通过改变永磁铁氧体的材质来调节偏置磁场的强度。永磁铁氧体可以采用的材质有锶铁氧体或钡铁氧体或钕铁硼永磁体。

第一金属板、软磁铁氧体、第二金属板和永磁铁氧体以同心方式排布，有力保证整个软磁铁氧体都置于永磁铁氧体提供的磁场中。

与现有的涡旋电磁波发生器相比，本实用新型提供的涡旋电磁波发生器结构简单、加工容易、易于实现，且工作频率可调且可产生不同角动量模式数。

附图说明

图1是本实用新型的三维立体结构示意图。

图2为本实用新型的结构参数示意图。

图3是角动量为2和3时的涡旋电磁波涡旋相位仿真结果图。

图4是角动量为2和3时的辐射方向图仿真结果图。

图5是偏置磁场对角动量为2时的涡旋波频率调控情况仿真结果图。

图6是偏置磁场对角动量为3时的涡旋波频率调控情况仿真结果图。

图中：1、第一金属板，2、软磁铁氧体，3、第二金属板，4、永磁铁氧体，5、螺纹杆，6、探针。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1所示，本实用新型实施例公开了一种涡旋电磁波发生器，包括第一金属板1、软磁铁氧体2、第二金属板3、永磁铁氧体4以及探针6，其中，软磁铁氧体2为圆柱体结构，软磁铁氧体2上表面固定设有第一金属板1，且第一金属板1的半径小于所述软磁铁氧体2的半径；软磁铁氧体2下表面固定设有第二金属板3，且软磁铁氧体2的半径小于第二金属板3；第二金属板3上开有一通孔，探针6可从该通孔中穿过；永磁铁氧体4设在第二金属板3下方，且永磁铁氧体4的横截面积大于软磁铁氧体2的横截面积，永磁铁氧体的横截面积大于软磁铁氧体的横截面积可以保证软磁铁氧体能够完全置于永磁铁氧体提供的偏置磁场中；第二金属板3连接有一螺纹杆5，永磁铁氧体4上设有一通孔，且通孔内加工有与螺纹杆相配合的螺纹。

图2所示是本实用新型实施例的结构参数示意图，本实施例中，软磁铁氧体材料为钇铁石榴石铁氧体，其饱和磁化强度4πMs＝1800Gauss，介电常数ε＝15，软磁铁氧体为圆柱体结构，其半径Rf＝9mm，高度Hf＝5mm。第一金属板和第二金属板为铝合金板，厚度Ha1＝Ha2＝1mm，半径分别为Ra1＝8.5mm,Ra2＝14mm；第一金属板的半径应小于软磁铁氧体的半径，以保证能在软磁铁氧体上产生磁表面等离激元并且激发后环向行波能够向外辐射能量。螺纹杆由铝合金制成，长度Hd＝20mm，外径Md＝3mm；永磁铁氧体为钕铁硼永磁体，永磁铁氧体为圆柱体结构，其半径为Rm＝9.5mm，高度Hm＝5mm。永磁铁氧体与第二金属板金间的距离Ht＝10mm；第一金属板、软磁铁氧体、第二金属板和永磁铁氧体同心排布。探针半径Rp＝0.5mm，探针高度Hp＝6mm；第二金属板上的通孔半径Rh＝1.5mm，距离第二金属板中心Lp＝11mm，通孔越接近第二金属板中心，探针的激发效率越高。

将探针通过插入第二金属板上的通孔进行馈电，产生涡旋电磁波。图3是涡旋电磁波相位的仿真图，其中，图3(a)表明，在发生器中心频率为5GHz时，电磁波空间相位呈螺旋分布，即为涡旋电磁波。图中可以看出相位在环向分布经历了2个从0°变为360°的周期，此时角动量模式数为2；因为谐振现象的存在，在同样参数的条件下也会产生不同的频率和角动量模式数，图3(b)表明在该参数条件下，发生器中心频率为6GHz时，电磁波空间相位呈螺旋分布，为涡旋电磁波。此时相位在环向分布经历了3个从0°变为360°的周期，角动量模式数为3。

图4是该参数条件下涡旋电磁波发生器的辐射方向图，发生器中心频率为5GHz时所产生的辐射方向图如图4(a)所示，图4(a)表明，在中心频率5GHz时，涡旋电磁波角动量模式数为2，其增益为3.8dBi，主瓣宽度94°，表现出良好的辐射特性。图4(b)表明，频率为6GHz时所产生的涡旋电磁波角动量模式数为3，增益为3.3dBi，主瓣宽度103°，表现出良好的辐射特性。

在螺纹杆上旋动永磁铁氧体，改变永磁铁氧体与第二金属板之间的距离，据此改变偏置磁场的强度，最终实现对频率和角动量模式数的调节。图5给出了改变永磁铁氧体和第二金属板间的距离后对角动量模式数为2的涡旋电磁波波频率调控情况仿真图。图中可以看出，涡旋电磁波角动量模式数为2时，将永磁铁氧体与第二金属板间的距离Ht从10mm减小到6mm再减小到4mm时，永磁铁氧体提供的偏置磁场增强，从600Oe增加到800Oe再增加到1000Oe时，中心频率从4.5GHz增加到5GHz再增加到5.5GHz，对应图5中a1、b2、c3三图(沿白色箭头方向变化)的角动量模式数为2，而图5中其它几图所对应的其它频率都不能产生涡旋电磁波，以此印证磁场对涡旋电磁波频率和角动量模式数的调控特性。

图6给出了改变永磁铁氧体和第二金属板间的距离后对角动量模式数为3的涡旋电磁波波频率调控情况仿真图。图中可以看出，涡旋电磁波角动量模式数为3时，将永磁铁氧体与第二金属板间的距离Ht从10mm减小到6mm再减小到4mm时，永磁铁氧体提供的偏置磁场增强，从600Oe增加到800Oe再增加到1000Oe，此时中心频率从5.7GHz增加到6GHz再增加到6.4GHz，对应图6中a1、b2、c3三图(沿白色箭头方向变化)的角动量模式数为3，而图6中其它几图所对应的其它频率都不能产生涡旋电磁波，以此印证磁场对涡旋电磁波频率和角动量模式数的调控特性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。