CN108511919B - 一种涡旋电磁波的汇聚装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种涡旋电磁波的汇聚装置，包括电磁超表面和涡旋电磁波产生装置；电磁超表面，包括依次层叠且互不接触的五个介质板，第一介质板、第二介质板、第四介质板和第五介质板的上表面中心位置各印制周期性排布的M×N个正方形金属贴片，M≥2，N≥2，第三介质板的上表面印制有蚀刻周期性排布的M×N个矩形缝隙的金属贴片，各介质板通过支架固定；涡旋电磁波产生装置通过支架固定在电磁超表面各介质板印制金属贴片一侧的中心轴线上；涡旋电磁波产生装置产生的涡旋电磁波，通过各电磁超表面单元金属贴片之间相互谐振产生的等效电容和电感，获得相位补偿，以实现平面相位模拟球面相位，完成对涡旋电磁波的汇聚特性。

Description

一种涡旋电磁波的汇聚装置
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种涡旋电磁波的汇聚装置，可应用于无线通信领域。
技术背景
涡旋电磁波因其独特的性质广泛应用于多个领域，但在通信领域的应用还在起步阶段。2011年6月24日，Bo Thide教授研究团队在意大利威尼斯的泻湖展开了一个引人注目的实验，证明利用电磁波的轨道角动量即通过扭曲电磁波，可大幅提升无线通信的容量。在通常情况下，同一频率只能传输一路信息。而在此，他们通过对电磁波的不同轨道角动量进行编码，即使在现实环境中，也可实现同一频率(实际上是一个频带)传输多路信息，这就有可能大幅度提升现有的无线通信容量(带宽)。理论上，即使在不使用偏振或密集编码技术的情况下，这项新的无线通信技术也可在某一固定频带范围内实现无限多的信道传输，这对解决日益突出的无线通信频谱拥挤问题提供了一个全新的解决思路。
国内外对涡旋电磁波的关注主要集中在涡旋电磁波的产生、轨道角动量(OrbitalAngular Monment,OAM)信道模型以及轨道角动量信号接收技术上。但整个轨道角动量电磁波波束呈现中空的倒锥形，波束具有发散性，且随着传输距离的增大，环形波束的半径越来越大，同时出现能量的扩散现象，降低了天线波束的增益效果。而汇聚以后的涡旋电磁波能力更为集中，传输距离更远。为解决此问题，现有的技术是采用大口径接收天线(或天线阵)将整个环形波束接收下来，但这种方法的缺点在于，随着传输距离的增大，所需要的天线尺寸也在不断增大，这种接收方式在距离较远时很难实现，可行性较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提出了一种涡旋电磁波的汇聚装置，在可以汇聚涡旋电磁波的基础上，解决现有技术中存在的汇聚装置结构复杂和体积大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种涡旋电磁波的汇聚装置，包括电磁超表面1和涡旋电磁波产生装置2；
所述电磁超表面1，包括依次层叠且互不接触的第一介质板11、第二介质板12、第三介质板13、第四介质板14和第五介质板15，并通过支架16固定；所述第一介质板11、第二介质板12、第四介质板14和第五介质板15的上表面中心位置各印制周期性排布的M×N个正方形金属贴片，M≥2，N≥2，所述第三介质板13的上表面印制有蚀刻周期性排布的M×N个矩形缝隙的金属贴片，形成周期性排布的M×N个电磁超表面单元；
所述涡旋电磁波产生装置2位于电磁超表面1各介质板印制金属贴片的一侧，并通过支架固定在电磁超表面1的中心轴线上；
所述第一介质板11、第二介质板12、第四介质板14和第五介质板15上印制的各金属贴片的尺寸，是在电磁超表面单元的补偿相位ψmn满足如下条件的前提下，通过仿真实验确定的，补偿相位ψmn满足的条件为：
Figure BDA0001570993140000021
其中，m为所述电磁超表面单元所在行，n为所述电磁超表面单元所在列，m＝1，2，…，M，n＝1，2，…，N，
Figure BDA0001570993140000022
为第m行第n列电磁超表面单元中心相对位置，
Figure BDA0001570993140000023
为涡旋电磁波入射点相对位置，λ为涡旋电磁波工作波长；
所述涡旋电磁波产生装置2产生涡旋电磁波，通过各电磁超表面单元金属贴片之间相互谐振产生的等效电容和电感，实现平面相位模拟球面相位的相位补偿，进而改变波矢量的传播方向，完成对涡旋电磁波的汇聚特性。
上述一种涡旋电磁波的汇聚装置，所述电磁超表面单元，其中的四个正方形金属贴片的中心点与矩形缝隙的中心点，均位于所述电磁超表面单元的中心轴上。
上述一种涡旋电磁波的汇聚装置，所述第一介质板11、第二介质板12、第三介质板13、第四介质板14和第五介质板15，采用相同的结构。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明的电磁超表面由五个相互层叠且互不接触的介质板组成，位于上下两侧的四个介质板上表面中心位置印制有周期性排布的正方形金属贴片，位于中间位置的介质板上表面印制有蚀刻周期性排布的矩形缝隙的金属贴片，涡旋电磁波通过各电磁超表面单元金属贴片之间相互谐振产生的等效电容和电感，实现平面相位模拟球面相位的相位补偿，进而改变波矢量的传播方向，完成对涡旋电磁波的汇聚特性，与现有技术相比，占用空间小，结构简单，便于实现。
(2)本发明中电磁超表面单元中的相位可进行独立调整，通过改变介质板上金属贴片的尺寸，实现不同的相位补偿，易于调控，设计自由度大。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明第一介质板的结构示意图；
图3是本发明第三介质板的结构示意图；
图4是本发明所有电磁超表面单元的相位分布示意图；
图5是本发明中涡旋电磁波未经过电磁超表面时yoz平面内的幅值分布；
图6是本发明中涡旋电磁波经过电磁超表面后yoz平面内的幅值分布。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细详述：
参照图1，一种涡旋电磁波的汇聚装置，,包括电磁超表面1和涡旋电磁波产生装置2，以电磁超表面1的上表面中心处为坐标原点建立笛卡尔坐标系，xOy面与电磁超表面的水平面平行且y与电磁超表面的某一边长平行，涡旋电磁波产生装置采用发射频率为10GHz的天线。
电磁超表面1，包括依次层叠且互不接触的第一介质板11、第二介质板12、第三介质板13、第四介质板14和第五介质板15，并通过树脂支架固定，各介质板采用长方体结构，其厚度为0.3mm，介电常数为3.5，上表面尺寸为360mm×360mm，介质板之间的距离为2.5mm，为金属贴片之间的谐振提供了空间。
所述第一介质板11，其结构如图2所示，其上表面中心位置印制周期性排布的40×40个正方形金属贴片，各行各列正方形金属贴片的中心在一条与介质板上表面边长平行的轴上，第二介质板12、第四介质板14和第五介质板15与第一介质板中金属贴片的排布方式、个数均相同。
所述第三介质板13，其结构如图3所示，其上表面印制有蚀刻周期性排布的40×40个矩形缝隙的金属贴片，金属贴片尺寸与介质板上表面尺寸相同，为360mm×360mm，金属贴片上矩阵缝隙的尺寸为0.5mm×6.5mm，各行各列矩阵缝隙的中心也在一条与介质板上表面边长平行的轴上，缝隙的作用是使涡旋电磁波可以通过电磁超表面。
本实施例中，所述第一介质板11、第二介质板12、第三介质板13、第四介质板14和第五介质板15形成周期性排布的40×40个电磁超表面单元，各超表面单元的尺寸为9mm×9mm，其中的四个正方形金属贴片的中心点与矩形缝隙的中心点，均位于所述电磁超表面单元的中心轴上，此时，各电磁超表面单元除一介质板11、第二介质板12、第三介质板13、第四介质板14和第五介质板15上金属贴片尺寸以外，其余参数都相同，易于电磁超表面的制作。且此时各电磁超表面单元中心相对位置与第一介质板上正方形金属贴片中心相对位置一致，表示为：
Figure BDA0001570993140000041
其中，m为所述电磁超表面单元所在行，n为所述电磁超表面单元所在列，m＝1,2,…,40，n＝1,2,…,40，D为两个相邻电磁超表面单元中心的间距，
Figure BDA0001570993140000042
为第m行第n列电磁超表面单元中心相对位置。
涡旋电磁波产生装置2位于电磁超表面1各介质板印制金属贴片的一侧，并通过支 架固定在电磁超表面1的中心轴线上，令天线中心与坐标原点之间距离为
Figure BDA0001570993140000043
第一介质板11、第二介质板12、第四介质板14和第五介质板15上印制的各金属贴片的尺寸，是在电磁超表面单元的补偿相位ψmn满足如下条件的前提下，通过仿真实验确定的，补偿相位ψmn满足的条件为：
Figure BDA0001570993140000044
其中，m为所述电磁超表面单元所在行，n为所述电磁超表面单元所在列，m＝1，2，…，M，n＝1，2，…，N，
Figure BDA0001570993140000051
为第m行第n列电磁超表面单元中心相对位置，
Figure BDA0001570993140000052
为涡旋电磁波入射点相对位置，λ＝30mm为涡旋电磁波工作波长，所求补偿相位ψmn位于0～2π之间，根据第m行第n列电磁超表面单元的补偿相位值ψmn绘制所有电磁超表面单元的的相位分布图，如图4所示，图4中横坐标代表各电磁超表面单元在x轴上的位置，纵坐标代表各电磁超表面单元在y轴上的位置，颜色深浅代表各电磁超表面单元补偿相位的大小，在确定补偿相位以后，通过仿真实验，逐渐改变金属贴片的尺寸，使得金属贴片在某一尺寸时，仿真所得补偿相位为上述所求值，这个尺寸即为所要求的金属贴片的尺寸。
参照图5和图6，图5是涡旋电磁波未经过电磁超表面时yoz平面内的幅值分布，图6是涡旋电磁波经过电磁超表面后yoz平面内的幅值分布，比较图5和图6可以看出，图6的涡旋波束呈现汇聚特性，从而说明所述电磁超表面，可实现涡旋电磁波的汇聚。

Claims (3)

1.一种涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于，包括电磁超表面(1)和涡旋电磁波产生装置(2)；
所述电磁超表面(1)，包括依次层叠且互不接触的第一介质板(11)、第二介质板(12)、第三介质板(13)、第四介质板(14)和第五介质板(15)，并通过支架(16)固定；所述第一介质板(11)、第二介质板(12)、第四介质板(14)和第五介质板(15)的上表面中心位置各印制周期性排布的M×N个正方形金属贴片，M≥2，N≥2，所述第三介质板(13)的上表面印制有蚀刻周期性排布的M×N个矩形缝隙的金属贴片，形成周期性排布的M×N个电磁超表面单元；
所述涡旋电磁波产生装置(2)位于电磁超表面(1)各介质板印制金属贴片的一侧，并通过支架固定在电磁超表面(1)的中心轴线上；
所述第一介质板(11)、第二介质板(12)、第四介质板(14)和第五介质板(15)上印制的各金属贴片的尺寸，是在电磁超表面单元的补偿相位ψmn满足如下条件的前提下，通过仿真实验确定的，补偿相位ψmn满足的条件为：
Figure FDA0002231481740000011
其中，m为所述电磁超表面单元所在行，n为所述电磁超表面单元所在列，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，
Figure FDA0002231481740000012
为第m行第n列电磁超表面单元中心相对位置，
Figure FDA0002231481740000013
为涡旋电磁波入射点相对位置，λ为涡旋电磁波工作波长；
所述涡旋电磁波产生装置(2)产生涡旋电磁波，通过各电磁超表面单元金属贴片之间相互谐振产生的等效电容和电感，实现平面相位模拟球面相位的相位补偿，进而改变波矢量的传播方向，完成对涡旋电磁波的汇聚特性。
2.根据权利要求1所述的一种涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于：所述电磁超表面单元，其中第一介质板(11)、第二介质板(12)、第四介质板(14)和第五介质板(15)的上表面中心位置印制的正方形金属贴片的中心点，与第三介质板(13)上表面印制的金属贴片上蚀刻的矩形缝隙的中心点，均位于所述电磁超表面单元的中心轴上。
3.根据权利要求1所述的一种涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于：所述第一介质板(11)、第二介质板(12)、第三介质板(13)、第四介质板(14)和第五介质板(15)，采用相同的结构。
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