西安交通大學3D打印低成本OAM光束發生器，可產生通信專用渦旋光束
時間：2025-01-03 10:20 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年1月2日，西安交通大學的研究人員開發了一種新型 3D 打印設備，可產生用于無線通信的專用渦旋光束。該設備可產生具有軌道角動量 (OAM) 的渦旋光束，這是一種旋轉能量形式，可以比普通光束攜帶更多的數據。高效、緊湊且低成本的渦旋光束發生器可以幫助提高未來無線系統的容量和可靠性。
△3D 打印制作了一種低成本、高效的裝置，該設備可產生具有軌道角動量的渦旋光束，并具有集成增益濾波功能。圖片由西安交通大學提供
相關研究以題為“3D-printed OAM beam generator withan enhanced out-of-band gain filtering characteristic”的論文發表在《Optics Express》期刊上。
中國西安交通大學研究團隊負責人李建興表示：“5G/6G 無線網絡等應用中對高容量、抗干擾通信系統的需求日益增長，需要創新的解決方案。雖然攜帶 OAM 的渦旋光束可以潛在地提高頻譜效率和通信容量，但目前產生這些光束的方法受到效率低、制造成本高和易受有害頻帶干擾的阻礙。”
在這項研究中，研究人員描述了他們如何利用3D 打印來創建 OAM 光束發生器，該發生器可用作先進無線通信的復雜天線系統。該設備可產生高容量渦旋光束，并具有集成增益濾波功能，可放大所需信號，同時阻止干擾，以確保清晰、高效的傳輸。
△(a)SLM 打印的 OAM 光束發生器的示意圖；(b) 測量環境。
論文通訊作者曹元熙說：“我們的 OAM 光束發生器特別適合 5G/6G 無線通信以及遙感和成像。例如，將這種設備集成到通信塔中可以改善音樂節或體育賽事等大型聚會的流媒體和在線連接，在這些場合，高用戶密度通常會使現有網絡不堪重負，導致網速變慢和連接中斷。”
新型3D 打印 OAM 光束發生器使用集成增益濾波功率分配器均勻分配信號，同時在源頭濾除不需要的頻率。這最大限度地減少了干擾并減少了對額外外部組件的需求。研究人員還使用充氣全金屬結構來避免介電損耗，從而確保更高的輻射效率和更大的功率處理能力。
△OAM波束發生器的配置。(a)拓撲；(b)圓形天線陣列的相位關系；(c)采用空氣模型的配置。
該設備的工作原理是，首先使用內置功率分配器將輸入信號分成八個相等的部分，功率分配器會沿途濾除不必要的頻率。然后，每個信號通過一條特殊路徑，調整相位以實現產生渦旋光束所需的精確對準。最后，信號通過圓形天線陣列傳輸，產生具有所需特性的渦旋光束。
在進行高級模擬以微調濾波功率分配器以實現精確的帶內信號傳輸和有效的帶外抑制后，研究人員使用選擇性激光熔化技術，使用一種以高精度和低表面粗糙度著稱的鋁合金 3D 打印出原型設備
曹說：“我們使用選擇性激光熔化 3D 打印技術將該設備制造成單片結構。這樣就無需組裝，降低了制造成本，并確保了組件的精確對準——所有這些對于高頻應用都至關重要。”
實驗測試證實，原型設備實現了所需的光束特性，模式純度約為 80%。它還表現出較高的帶外抑制性能，超過 30 dB，可顯著降低干擾并確保清晰的信號傳輸。
研究人員目前正致力于通過提高增益、效率和信號濾波來增強 OEM 光束發生器的性能。他們還計劃通過探索多模 OAM 生成并在更寬的頻率范圍內（如太赫茲通信）進行測試來擴展潛在應用。研究人員指出，要將該設備商業化，需要改進 3D 打印以實現可擴展性，將其與現有系統集成，確保符合法規，并在 5G 和衛星通信等實際應用中驗證性能。
(責任編輯：admin)
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