CN105206900B - 一种基于相移表面的轨道角动量平面螺旋相位板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相移表面的轨道角动量平面螺旋相位板。本发明根据多层介质相移表面原理，设计多个相移单元合成平面透镜从而形成螺旋相位板，同时产生并聚焦l阶的轨道角动量波束；相移单元包括多层介质层和金属层，且介质层和金属层间隔排布；金属层分为中间金属层和贴片层，中间金属层大小与介质层相同，且正中间开有狭缝；多个不同的相移单元组成螺旋形阵列，具体如下：利用相位叠加原理将平面透镜对球面波的相位补偿和螺旋相位板的相移叠加，得到具有轨道角动量波束汇聚功能的螺旋相位板。本发明以印刷电路板的方式制作的平面螺旋相位板体积小，重量轻，成本低，制备工艺简单，无需复杂的天线结构。

Description

一种基于相移表面的轨道角动量平面螺旋相位板

技术领域

本发明属于轨道角动量通信技术领域，具体的涉及轨道角动量模式波束的发射，尤其是一种基于相移表面的轨道角动量平面螺旋相位板，用于轨道角动量波束的发射并汇聚以实现远距离通信。

背景技术

随着移动技术的飞速发展，对电磁频谱资源的需求急剧膨胀，使电磁频谱资源的稀缺程度不断加大，其有限性日益凸显。发展新的理论与技术以获得更高的频谱使用效率变得越来越迫切。将带有轨道角动量(OAM)的电磁波束应用于通信的研究引起了人们的极大关注，以拓展物理维度的方式提升通信容量，有望对当今无线通信技术产生革命性的影响。轨道角动量是电磁波的基本物理属性，反映电磁波围绕传播方向轴的方位角方向的波前相位。任意频率的电磁波轨道角动量的模式，即OAM拓扑荷，构成一组相互正交的、数目不限的本征模式。OAM通信就是利用OAM模式这一组电磁波本征模式的阶数(取值l)，作为新的参数维度资源加以利用，即不同l值代表不同信息通道，从而进一步提高频谱效率和信道容量。理论上l值范围无限，所以有潜力极大提升增加信道数目，提升通信系统容量。

模式数为l的轨道角动量波束具有螺旋状的相位波前，相位因子为这种携带有轨道角动量的波束的传播过程中，波束中心场强为零，而波束强度最大值成环形，随着传播距离和模式数的增加，波束强度最大值也随之扩散，这就是轨道角动量波束的发散性。这种发散性在微波毫米波波段比较明显，对接收端的接收半径有着很高的要求。经过长距离的传输，轨道角动量波束的发散性使接收端需要极大的接收半径，从而导致接收端体积过大，成本过高。实际上接收端接收半径都是有限的，接收半径越小越实用，加工制作和运输维护的成本也较低。因此对于长距离轨道角动量模式的通信，波束的压缩汇聚就显得极为重要。

发明内容

本发明提出一种基于相移表面的轨道角动量平面螺旋相位板，目的在于利用相移表面的原理产生模式数为l的轨道角动量波束的同时，对波束进行压缩汇聚，得到较小的波束角，实现轨道角动量波束的长距离通信。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：

根据多层介质相移表面原理，设计多个相移单元合成平面透镜从而形成螺旋相位板，同时产生并聚焦l阶的轨道角动量波束；相移单元包括多层介质层和金属层，且介质层和金属层间隔排布；金属层分为中间金属层和贴片层，中间金属层大小与介质层相同，且正中间开有狭缝；使得相移单元能够在保证透射功率并对透射波产生不同的相移量；

多个不同的相移单元组成螺旋形阵列，具体如下：利用相位叠加原理将平面透镜对球面波的相位补偿和螺旋相位板的相移叠加，得到具有轨道角动量波束汇聚功能的螺旋相位板；

所述的螺旋相位板的相移是螺旋相位板对入射波调制的波形相位，即平面波透射产生携带轨道角动量的透射波；设轨道角动量模式数为l，则相位随方位角一圈的变化为2πl；

所述的平面透镜对球面波的相位补偿是一种特殊的相位偏移，表示为

其中，λ为电磁波波长，f为透镜焦距，x，y为平面点的位置，这种波前看作是平面透镜对球面波的相位补偿。

制作加工平面螺旋相位板即是将两种相位偏移进行叠加，则透射波即具有透镜聚焦效应的轨道角动量波束。

所述的相移单元类型为8种，每种相移单元结构相同，但其中的贴片层尺寸不同；贴片层尺寸大小能够影响透射波的相位偏移量；相邻的不同类型的相移单元相隔π/4，共覆盖相位变化量0到2π；

相移单元通过两种相位偏移叠加后的相位图，即多个不同的相移单元组成螺旋形阵列来排布形成平面螺旋相位板。

常用的螺旋相位板的原理是利用不同位置上电介质厚度不同导致透射电磁波相位改变量不同，而这里的平面螺旋相位板是各个位置采用不同的平面相移单元的不同相移量实现对电磁波的波前相位调制。相对与光学透镜对光的汇聚作用相当于是一种特殊的相位偏移，平面透镜是在平面上对入射的球面波形成一定相位偏移从而产生波束汇聚的效果。这里采用各个相移单元排列形成平面透镜。通过螺旋相位板和平面透镜的叠加产生汇聚的轨道角动量波束。

本发明的有益效果：

通过设计平面相移单元排列产生轨道角动量平面螺旋相位板，结合平面透镜产生有汇聚效果的轨道角动量波束。提供了一种波束角极小的轨道角动量波束发射方式，在平面结构上缓解了波束发散的问题。压缩的波束角有利于减小接收端体积和成本，搭建远距离轨道角动量通信系统。以印刷电路板的方式制作的平面螺旋相位板体积小，重量轻，成本低，制备工艺简单，无需复杂的天线结构，只需利用不同的相移单元排列产生不同模式数l的平面螺旋相位板即可产生不同的轨道角动量波束。同样的螺旋相位板在接收端也可用于对轨道角动量波束的解调。波束角越小，对接收端接收半径的压力也越小，适合长距离轨道角动量通信系统的波束发射接收。

附图说明

图1螺旋相位板和平面透镜相位叠加原理；

图2平面相移单元结构和整体结构；

图3平面螺旋相位板的远场辐射图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

图1(a)给出了螺旋相位板对入射波调制的波形相位图，即平面波透射产生携带轨道角动量的透射波，这里轨道角动量模式数l为1，相位随方位角一圈有2π的变化。

图1(b)是透镜对透射波的相位分布图。透镜的汇聚作用可以看做是一种特殊的相位偏移，表示为

其中λ为电磁波波长，f为透镜焦距，x，y为平面点的位置，这种波前可以看作是透镜对球面波的相位补偿。

图1(c)为平面透镜和螺旋相位板的相位叠加后的相位分布，制作加工平面螺旋相位板即是将两种相位偏移进行叠加，则透射波可以产生具有透镜聚焦效应的轨道角动量波束。

图2(a)为平面相移单元结构，由多层介质和金属层贴片以及金属狭缝构成，不同贴片大小可以影响相位偏移量，设计8种相移单元，相隔π/4共覆盖轨道角动量模式数l为1所需的相位变化量0到2π，排列所设计的单元结构可以组成所需的模式数l为1的平面螺旋相位板，如图2(b)。排列顺序是按照图1中的相位叠加后的图形，实现了平面透镜和螺旋相位板的叠加。

图3为仿真和实际测量得到的归一化方向图。通过对平面螺旋相位板的仿真设计，利用印刷电路板技术制作并测量，得到回波反射小于-15dB，主瓣辐射角为4°，较小的辐射角更有利于轨道角动量波束的长距离传输。

实施例：

本专利中设计的平面相移单元结构，工作频率设定在60GHz，单元边长2mm，共包括四层介质，图2(a)中由斜线纹理表示，其余为5层金属层，中间金属层为介质单元大小，中心开有狭缝，狭缝尺寸也会影响相位偏移量，在这里为保证相移量和损耗的要求，狭缝尺寸为长边1.5mm，宽0.3mm；除中间层外均为相同大小的贴片层，根据贴片尺寸不同改变相移量，8种不同的单元结构的各个贴片尺寸如下表。整体结构共包含30×30个单元结构。

单元贴片尺寸

Claims (3)

1.一种基于相移表面的轨道角动量平面螺旋相位板，其特征在于：

根据多层介质相移表面原理，设计多个相移单元合成平面透镜从而形成螺旋相位板，同时产生并聚焦l阶的轨道角动量波束；相移单元包括多层介质层和金属层，且介质层和金属层间隔排布；金属层分为中间金属层和贴片层，中间金属层大小与介质层相同，且正中间开有狭缝；使得相移单元能够保证透射功率并对透射波产生不同的相移量；

多个不同的相移单元组成螺旋形阵列，利用相位叠加原理将平面透镜对球面波的相位补偿和螺旋相位板的相移叠加，得到具有轨道角动量波束汇聚功能的螺旋相位板；

所述的相移单元类型为8种，每种相移单元结构相同，但其中的贴片层尺寸不同；贴片层尺寸大小能够影响透射波的相位偏移量；相邻的不同类型的相移单元相隔π/4，共覆盖相位变化量0到2π。

2.如权利要求1所述的一种基于相移表面的轨道角动量平面螺旋相位板，其特征在于所述的螺旋相位板的相移是螺旋相位板对入射波调制的波形相位，即平面波透射产生携带轨道角动量的透射波；设轨道角动量模式数为l，则相位随方位角一圈的变化为2πl；

所述的平面透镜对球面波的相位补偿是一种特殊的相位偏移，表示为

<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> </mrow>

其中，λ为电磁波波长，f为透镜焦距，x，y为平面点的位置，这种波前看作是平面透镜对球面波的相位补偿；

制作加工平面螺旋相位板即是将两种相位偏移进行叠加，则透射波即具有透镜聚焦效应的轨道角动量波束。

3.如权利要求1所述的一种基于相移表面的轨道角动量平面螺旋相位板，其特征在于相移单元通过两种相位偏移叠加后的相位图，即多个不同的相移单元组成螺旋形阵列来排布形成平面螺旋相位板。