E波段宽带贝塞尔波束发射器的石英基设计与实验验证

《IEEE Journal of Microwaves》：Design and Experimental Validation of an E-Band Wideband Bessel-Beam Launcher on Quartz

本刊推荐：为解决毫米波频段传统同轴馈电成本高、易损坏的问题，研究人员开展了基于石英基板的E波段(81-86 GHz)宽带漏波贝塞尔波束发射器(BBL)的设计与实验验证主题研究。通过创新性地采用波导模式转换器将矩形波导TE10模式转换为圆波导TM01模式进行馈电，成功实现了具有自愈特性、聚焦性和有限衍射特性的TM极化贝塞尔波束生成。全波仿真与测量结果的高度一致性验证了该方案的可行性，为毫米波近场通信、无线能量传输等应用提供了关键技术支撑。

　　

在追求点对点无线通信极致性能的道路上，工程师们一直梦想着能够实现大带宽、远距离、低功耗、低干扰且具备抗障碍能力的传输技术。这一目标催生了对能够在高频段产生聚焦波束的器件的迫切需求，特别是在毫米波频段，近场聚焦技术因其在无线能量传输、成像和安全通信等领域的应用潜力而备受关注。然而，传统实现方案在进入E波段(81-86 GHz)及更高频段时遭遇了严峻挑战——同轴馈电器件变得异常脆弱且成本高昂，成为技术发展的瓶颈。

面对这一挑战，由Edoardo Negri领衔的国际研究团队在《IEEE Journal of Microwaves》上报道了一项创新性解决方案。他们设计并实验验证了一种工作在E波段的宽带贝塞尔波束发射器，该器件采用接地石英介质基板与环形金属条带光栅结构，通过特殊的波导模式转换器进行馈电，成功避免了传统同轴连接器的使用。

贝塞尔波束作为亥姆霍兹方程在柱坐标系下的特解，具有自愈、聚焦和有限衍射等独特性质，能够在一定距离内保持波束形状不变，这一距离被称为非衍射范围z_ndr。在众多生成贝塞尔波束的技术中，漏波贝塞尔波束发射器因其单馈源、低剖面和成本效益而脱颖而出。宽带BBL通过向外圆柱漏波转换为向内圆柱漏波的机制，在宽频带内产生贝塞尔波束分布。

研究团队采用的关键技术方法包括：基于布洛赫分析的周期性结构设计，通过传输矩阵法优化金属光栅的周期和宽度；创新性的TE₁₀-TM₀₁模式转换器设计，采用E面功分器和波导弯头结构实现高效模式转换；基于锁相检测的近场测量系统，通过光电混频产生E波段信号并采用零偏置肖特基势垒二极管探测电场分布。

径向周期性贝塞尔波束发射器设计

研究人员首先通过布洛赫分析设计了金属条带光栅的几何参数，确定了周期p=1.8 mm和条带宽度w=0.9 mm的最佳组合。色散曲线分析显示，该设计在中心频率f₀=83.5 GHz处可实现约80%的辐射效率和110 mm的非衍射范围。器件采用厚度h=0.76 mm的熔融石英基板，其相对介电常数ε_r=3.789(1-j0.001)，具有低损耗特性。

馈电系统实现

创新性的馈电系统通过圆波导TM₀₁模式激励接地板上的圆形缝隙。模式转换器将WR10矩形波导的TE₁₀模式转换为圆波导的TM₀₁模式，在工作带宽内模式转换效率超过90%。通过优化匹配结构，在81-86 GHz范围内实现了低于-15 dB的反射系数，为高频段TM极化源提供了有效解决方案。

制作工艺与实验验证

器件的制作采用标准铝剥离工艺在石英基板上形成金属光栅，馈电系统通过CNC铣削加工的分块结构实现。实验测量显示，输入反射系数在整个工作频带内低于-10 dB，与仿真结果高度一致。近场分布测量采用基于光电混频的锁相检测系统，能够准确表征贝塞尔波束的电场分布。

近场分布特性

在81 GHz、83.5 GHz和86 GHz三个频点的测量结果清晰展示了贝塞尔波束的特性。电场径向分量分布符合一阶贝塞尔函数J₁(·)的特征，且随着频率升高，由于漏波相位常数的色散特性，非衍射范围从78 mm增加到150 mm。测量结果与全波仿真、漏波理论预测均表现出良好的一致性，验证了设计的正确性。

该研究的成功实施标志着高频段贝塞尔波束技术的重要突破。通过创新的馈电方案和优化的结构设计，研究人员解决了毫米波频段TM极化源实现的长期挑战，为近场通信、无线能量传输等应用提供了可靠的技术路径。实验验证结果与理论预测的高度一致性，进一步证明了漏波分析方法在指导高频器件设计中的有效性，为未来太赫兹频段类似器件的开发奠定了坚实基础。