3D 打印或将通过紧凑型光束发生器推动电信业发展

中国西安交通大学的一组研究人员最近展示了 3D 打印轨道角动量 (OAM) 涡旋光束发生器的原型。这些设备可以改善 5G/6G 无线网络的数据传输、图像扫描等等。以下是您需要了解的有关紧凑型光束发生器的信息以及它们如何有潜力增强通信。

5G/6G 需求

全球范围内，为实现可靠的 5G/6G 网络而展开的竞争仍在继续。中国和美国等国家继续竞相增强这些毫米波 (mm-Wave) 无线系统，因为两国都希望成为未来的主要网络提供商。值得注意的是，5G 网络利用毫米波来提高吞吐量、性能并减少延迟。如今，这些网络无论在何处使用都能提供清晰、高效、抗干扰的通信。

轨道角动量 (OAM) 涡旋光束发生器

为了生成高容量数据流，研究人员研究了多种方法。一种特别有趣且不断展现潜力的方法是轨道角动量 (OAM) 涡旋光束发生器。这些设备可生成和操纵具有螺旋相的光学涡旋光束。

为了产生扭曲光束，这些设备采用了线性变化的光路，这些光路的长度围绕光学设备的圆周。如果构造和使用得当，这些设备可以显著提高频谱效率和通信容量。

当前生产OAM涡旋光束发生器的方法存在的问题

虽然许多人认为涡旋光束发生器是 5G/6G 通信的未来，但目前的设备仍存在一些问题，需要克服这些问题才能使该技术适合日常集成。首先，目前的光束发生器效率低。当今的设备无法提供最大化的光束生成，并且服务器带宽有限。

光束发生器制造成本

当今光束发生器的另一个主要缺点是制造成本高。这些设备需要极高的精度。因此，它们的制造过程可能很复杂，如果操作不当，设备可能会受到不必要的干扰。

光束发生器研究

最近的研究¹ 发表在 Optica Publishing Group 期刊上 光学快递 介绍了一种新的制造方法，可以帮助提高精度并降低成本。该研究介绍了一种新颖的 3D 打印 OAM 光束发生器的方法，该发生器能够产生高容量涡旋光束。

研究人员专门设计了该装置，作为 Ka 波段无线通信系统的天线系统。该装置将各种功能（包括干涉滤波器、功率分配器、移相器、传输线和辐射器）集成到一个印刷单元中。

3D打印OAM光束发生器

OAM 光束发生器采用单片设计和选择性激光熔化 (SLM) 3D 打印技术打印而成。研究人员使用合金和充满空气的间隙构建了该设备。这种设计确保了设备在使用时介电损耗最小。

过去，为了制造出更有效的光束发生器，人们曾尝试集成多个电源装置和移相器。这些试验发现，这种结构会增加干扰和介电损耗。因此，全金属一体式结构被认为是最适合这些任务的设计。

功分器

新设计采用了增益滤波功能，旨在提高精度和灵敏度。该团队创建了一个专用的 1 比 8 功率滤波分配器，将八相延迟线与扭曲波导相结合，以分离信号并通过指定的路线发送它们，旨在消除干扰。

集成增益滤波

消除干扰有多种用途。首先，它允许更多的带宽，然后可以用来从额外的信号强度传输更多的数据。此外，它使研究人员能够微调他们想要接收的信号，从源头消除不需要的信号。从那里，信号被发送到圆形天线阵列以完成它们的对准。

光束发生器计算机模拟

随后，该团队整合了先进的计算机模拟技术，进一步微调了他们的光束发生器。通过模拟，该团队可以进行数千次测试，以找到增强带内信号传输和有效带外抑制的精确设计。

光束发生器研究结果

研究结果显示出希望。首先，新设备可以帮助解决未来无线通信系统的过载问题。研究小组发现，该设备减少了干扰，增强了主信号，并且能够实现模型数 l =+1 的 OAM 光束。

这些设备集成到塔中后可以帮助解决过载问题。它们体积小，可以在大型人群聚集期间以非永久或永久方式安装，以帮助缓解和防止网络数据过载。这种方法可以减少掉线和网络连接缓慢的问题。

该团队还发现，全金属结构有利于设备的运行。具体来说，它比传统方法具有更高的辐射效率和更大的功率处理能力。该装置产生的信号纯度为 80%，这比以前的方法有了很大的改进。此外，主方向上的带外抑制超过了 30 dB。

紧凑型光束发生器的潜在应用

这项技术有多种应用，包括 5G/6G 无线通信系统的基础设施。这些毫米波无线系统需要消除干扰，以确保最大限度的数据传输。

遥感与成像

该设备的另一个重要用途是改进遥感和成像系统。与目前的设备相比，这些设备可以提供更多细节，使研究人员能够对丛林密布、水下或沙漠中埋藏的地点进行更彻底的扫描。

军事用途

使用微波雷达系统将有助于改善多目标跟踪。当今的战争仍然依赖于小型无人系统，这些系统价格低廉、易于生产，并且可以用于各种任务。跟踪这些设备已成为军事行动的关键部分。使用 OEM 光束发生器可以帮助改善这项任务，从而有可能挽救生命。

紧凑型光束发生器为市场带来的好处

这项研究带来了几个好处。首先，制造过程比传统方法更便宜，传统方法需要在不同地点制造多个组件，然后运送到装配厂。3D 打印方法不需要额外的步骤。

集成增益滤波

其中一个主要优点是集成增益滤波。研究人员能够对其设备的精确形状进行模拟，以放大所需信号，同时减少信道上的干扰。由于没有移动部件，整个设备是一个单元，因此这种能力是一个重大提升。

廉价

打印单个单元比收集和组装额外的外部组件要便宜得多。使用单片结构元件组装成本低。这也意味着这些设备可以在任何需要的地方在 3D 打印设施现场制造。

平台精度

光束发生器设计的主要优点是每次都能提供精确的组件对准。使用需要组装的多个部件来实现这种级别的对准将非常困难且耗时。3D 打印合金增材制造方法使团队能够创建复杂的设计，从而增强信号传输，而无需任何移动部件。

光束发生器研究人员

该项目的主要研究人员包括来自中国西安交通大学的李建兴和曹元熙。现在，该团队正在寻求扩大测试范围，以了解他们的发明在不同频率和信号下的性能。他们的目标是在信号传输和监管标准之间找到直接的平衡。

可从 3D 打印光束发生器研究中受益的公司

通过整合本研究中的技术，多家公司的产品将获得大幅提升。这些公司包括电信行业、3D 打印公司和军队。以下是两家准备在未来几个月利用这些发展成果的公司。

1. 物化NV

比利时 Materialise NV (多点传输层安全 +1.53% ) 于 1990 年进入市场。其创始人 Wilfried Vancraen 和 Hilde Ingelaere 希望为寻求增材制造软件和 3D 打印解决方案的企业创建一站式服务。如今，它是一家快速增长、可持续发展的 3D 打印生产供应商。

自成立以来，Materialise 已涉足多个增材制造领域。该公司提供 3D 打印手术导板和植入物以及快速原型制作。该公司最近还增加了一个面向消费者的 3D 打印服务平台，为额外收入打开了大门。

由于该公司一直在开发其产品和原型，Materialise NV 的股票在过去 5 年中一直在稳步下跌。然而，这种下跌趋势即将逆转，因为几位分析师列出了令人兴奋的 3 个月价格预测，显示潜在涨幅为 60.67%，概率为 90%。因此，Materialise 继续吸引新的投资者。

2. 边境通讯母公司

边境通讯母公司 (年报 +0.09% ) 于 1935 年进入市场。这家总部位于德克萨斯州的电信提供商迅速扩展了业务范围，涵盖了各种数据传输选项，包括数据、互联网、视频、语音、硬件和网络解决方案。

该公司目前的市值为 8.66 亿美元，并继续显示出强劲的上涨势头。目前，FYBR 股票因其上涨潜力和公司强大的定位而被列入多个推荐名单。

紧凑型光束发生器——电信的未来

虽然在您家附近看到 3D 打印的紧凑型光束发生器之前，还有大量测试要做，但这项技术已被证明是可靠的。因此，这些设备很快就能帮助您调整无线系统，提高其范围和功能。目前，这些研究人员因其在无线系统市场长期存在的问题上的独特方法而值得称赞。

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学习参考：

^{1. Li, J., Wu, S., Li, Z., Cao, Y., & Xu, K.-D. (2024). 具有增强带外增益滤波特性的 3D 打印 OAM 光束发生器。 光学快报，32（26），47285-47295。 https://doi.org/10.1364/OE.542046}