CN108598710A - 一种空域移相单元以及由其组成的涡旋波相位板 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种新型的超材料空域移相单元，包括六边形金属贴片组件，金属栅格组件以及介质基板组件：六边形金属贴片组件包含至少两个六边形金属贴片；金属栅格组件包含至少一个金属栅格；介质基板组件包含至少两个介质基板,用于固定支撑六边形金属贴片和金属栅格；其中，六边形金属贴片与金属栅格交替排列，六边形金属贴片与金属栅格间设置有介质基板，且空域移相单元的两个外侧面各设置为六边形金属贴片；以及由上述空域移相单元采用周期性蜂窝状排列组成相位板；其具有损耗小、传输稳定性高等优点，借助该新型超材料的电磁调控功能，可生成具有较高增益的电磁涡旋波束，有效改善涡旋电磁波的波束发散问题。

Description

一种空域移相单元以及由其组成的涡旋波相位板

技术领域

本发明涉及可生成涡旋电磁波的新型超材料天线技术领域，特别是基于新型六边形晶格超材料生成涡旋电磁波的平面相位板。

技术背景

随着科学技术日新月异的发展，无线通信不断向着大带宽、高速率的方向前进，然而，空间中的频谱资源是有限的，如何更合理的利用频谱资源，提高频谱利用率和通信速率，成为当今无线通信领域的一个研究热点；另一方面，当前高科技隐身装备层出不穷，对新的探测理论与技术的研究也变得尤为迫切。含有轨道角动量的涡旋电磁波以螺旋状的等相位面传播，自身带有角度的信息维度，且具有彼此独立的多拓扑荷特性，在提高通信容量和雷达探测性能等方面有望实现全新的突破。

采用螺旋相位板和螺旋反射面生成涡旋电磁波是两种最为常用的准光学方法，它们都源自于涡旋光束的产生方法，直接应用于微波频段时都存在着尺寸、重量较大等缺点，且对加工的精度也都有着较高的要求。

发明内容

本发明提供了一种基于新型蜂窝六边形晶格超材料生成涡旋电磁波的相位板，目的是为了解决传统采用介质材料的螺旋相位板厚度大、难加工和集成度差等问题，且相比于常用的方形晶格超材料单元，蜂窝六边形超材料对不同入射角度和不同极化方式的入射波都能保持较好的传输稳定性。

本发明实施例提供了一种新型的超材料空域移相单元，包括六边形金属贴片组件，金属栅格组件以及介质基板组件：

所述六边形金属贴片组件包含至少两个六边形金属贴片；

所述金属栅格组件包含至少一个金属栅格；

所述介质基板组件包含至少两个介质基板,用于固定支撑所述六边形金属贴片和所述金属栅格；

其中，所述六边形金属贴片与所述金属栅格交替排列，所述六边形金属贴片与所述金属栅格间设置有所述介质基板，且所述空域移相单元的两个外侧面各设置为所述六边形金属贴片。

优选地，所述金属栅格设置为雪花状金属栅格。

优选地，所述介质基板为正六边形，所述六边形金属贴片为正六边形金属贴片。

优选地，所述介质基板厚度为h＝0.01～0.05λ，相对介电常数为ε_r＝3.66，介质基板边长为R＝0.1λ～0.5λ，其中，λ为入射波的波长。

优选地，所述雪花状金属栅格由三个中心相交、两两夹角为60°的矩形金属条构成，所述矩形金属条宽度为w＝0.02λ～0.06λ，其中λ为入射波的波长。

优选地，所述雪花状金属栅格的尺寸不变，调整所述六边形金属贴片的边长，用于补偿入射波的空间相位。

本发明实施例还提供了一种如上述的空域移相单元组成的相位板，其特征在于：所述空域移相单元采用周期性蜂窝状排列组成相位板。

优选地，所述相位板所需的馈源(1)位于超材料相位板的中心轴线方向上，所述馈源(1)所产生的入射波，透射经过所述相位板(2)，得到了相位补偿，所述相位补偿与所述入射波相位叠加后，获得透射电磁波的空间螺旋相位波前。

优选地，所述空域移相单元的相位补偿为δ，

其中，F为所述馈源(1)到所述相位板(2)的垂直距离，x和y为任意六边形空域移相单元相对所述相位板中心的横坐标与纵坐标，λ为入射波的波长，l为所生成涡旋电磁波对应的轨道角动量模态。

优选地，所述馈源(1)采用定向天线。

本发明基于蜂窝状晶格的人工电磁超材料，利用人工电磁超材料晶格单元对入射波相位的调控能力，实现将入射球面波束转变为高增益的电磁涡旋波束。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：1、本发明所涉及的基于新型六边形晶格超材料生成涡旋电磁波的相位板，具有厚度小、成本低、易加工和集成度高等诸多优点；2、相比于常用的方形晶格，本发明所采用的蜂窝状晶格，借鉴自然界中常用的周期分布，具有更好的耦合特性和宏观表现；3、本发明所涉及的六边形超材料对不同方位角度、不同倾斜角度和不同极化方式的入射波都能保持较好的传输稳定性。

附图说明

图1是本发明给出的基于新型蜂窝六边形晶格超材料生成涡旋电磁波的相位板之结构示意图。

图2(a)是本发明中新型蜂窝六边形晶格单元之结构爆炸示意图。

图2(b)是本发明中构成新型蜂窝六边形晶格单元之正六边形金属贴片结构尺寸图。

图2(c)是本发明中构成新型蜂窝六边形晶格单元之雪花状金属栅格结构尺寸图。

图3是实施例中构成超材料涡旋波相位板的8种离散单元之传输损耗及相移图，8种离散单元所对应的金属贴片边长为r＝(6.304,6.293,6.18,6.03,5.9,5.7,5.45,5.2)。

图4是本发明实施例1中生成模式l＝+1涡旋波的超材料相位板上每个六边形单元的相移分布示意图。

图5是本发明实施例1中生成模式l＝+1涡旋波的蜂窝六边形晶格超材料相位板之拓扑结构示意图。

图6是本发明实施例1中基于蜂窝六边形晶格超材料相位板生成的模式l＝+1涡旋波之空间辐射方向图。

图7是本发明实施例1中基于蜂窝六边形晶格超材料相位板生成的模式l＝+1涡旋波之空间辐射相位分布图。

图8是本发明实施例2中生成模式l＝+2涡旋波的超材料相位板上每个六边形单元的相移分布示意图。

图9是本发明实施例2中生成模式l＝+2涡旋波的蜂窝六边形晶格超材料相位板之拓扑结构示意图。

图10是本发明实施例2中基于蜂窝六边形晶格超材料相位板生成的模式l＝+2涡旋波之空间辐射方向图。

图11是本发明实施例2中基于蜂窝六边形晶格超材料相位板生成的模式l＝+2涡旋波之空间辐射相位分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种基于蜂窝六边形晶格超材料生成涡旋电磁波的新型相位板做详细说明。

详细技术方案如下：

涡旋电磁波的电场表达式为：其中，l为所生成涡旋电磁波对应的轨道角动量模态，是方位角。在涡旋电磁波的传播过程中，垂直于波束轴心的平面不再是一个等相位面，在该平面内绕光轴旋转一周的相位延迟量为Δ＝2πl。所以，可以通过控制波在不同方位角上的相位时延来获得涡旋电磁波，对应于相位板上任意一个单元的补偿相位即为δ₁＝l·arctan(y/x)，其中，x和y为任意单元相对于相位板中心的横坐标与纵坐标。同时，为了补偿电磁波从馈源(1)到相位板(2)上不同单元间的路径差，提高发射波束增益，还需要加入相位补偿量其中，F为馈源(1)到超材料相位板(2)的垂直距离，λ为入射波的波长。进而得到，相位板上任意一个单元的补偿相位为：

本发明所述的基于新型六边形晶格超材料生成涡旋电磁波的相位板，共包含若干个空域移相单元，可以是17×30+16×29＝974元蜂窝状周期排列的六边形移相单元，馈源(1)位于新型六边形晶格超材料的中心轴线方向上，馈源(1)所产生的入射波，透射经过六边形晶格超材料相位板(2)，得到了相位补偿，该补偿相位与入射波相位叠加作用后，实现了透射电磁波的空间螺旋相位波前exp(ilφ)。

本发明所述的基于新型六边形晶格超材料生成涡旋电磁波的相位板采用了新型的蜂窝六边形晶格超材料作为空域移相单元(3)，包括六边形金属贴片组件，金属栅格组件以及介质基板组件：所述六边形金属贴片组件包含至少两个六边形金属贴片；所述金属栅格组件包含至少一个金属栅格；所述介质基板组件包含至少两个介质基板；其中，所述六边形金属贴片与所述金属栅格交替排列，所述六边形金属贴片与所述金属栅格间设置有所述介质基板，且所述空域移相单元的两个外侧面各设置为所述六边形金属贴片。

其中，金属栅格设置为雪花状金属栅格，雪花状金属栅格由三个中心相交、两两夹角为60°的矩形金属条构成，所述矩形金属条宽度为w＝0.02λ～0.06λ，其中λ为入射波的波长。在其他实施例中，还可以设置为三瓣、六瓣、九瓣等三的倍数个矩形金属条构成。

在本发明实施例中，介质基板为正六边形，六边形金属贴片为正六边形金属贴片。其中，介质基板厚度为h＝0.01～0.05λ，相对介电常数为ε_r＝3.66，周期性六边形单元边长为R＝0.1λ～0.5λ，其中，λ为入射波的波长。

根据本发明的一个实施例，可以使雪花状金属栅格的尺寸不变，调整所述六边形金属贴片的边长，用于补偿入射波的空间相位。

在本发明的一个实施例中，空域移相单元可以包含有3层正六边形金属贴片、2层雪花状金属栅格和4层介质基板，由上至下依次为：正六边形金属贴片Ⅰ(301)、第一层介质基板(302)、雪花状金属栅格Ⅰ(303)、第二层介质基板(304)、正六边形金属贴片Ⅱ(305)、第三层介质基板(306)、雪花状金属栅格Ⅱ(307)、第四层介质基板(308)、正六边形金属贴片Ⅲ(309)。其中，4层介质基板厚度为h＝0.01525λ，相对介电常数为ε_r＝3.66，周期性六边形晶格边长为R＝0.2λ，雪花状金属栅格由三个中心相交、两两夹角为60°的矩形金属条构成，矩形金属条宽度为w＝0.04λ，3层正六边形金属贴片边长均为r。通过调整六边形金属贴片边长r的大小，实现对入射波进行空间相位的补偿。实际设计中，为了减小单元的传输损耗，实现0～2π内的线性相位变化，六边形金属贴片边长取值为8个离散值。

请先参阅图1给出的该新型蜂窝晶格超材料涡旋波相位板的结构示意图，馈源(1)位于新型六边形晶格超材料的中心轴线方向上，采用喇叭天线或微带天线；馈源(1)所产生的入射波，透射经过六边形晶格超材料相位板(2)，得到了相位补偿，该补偿相位与入射波相位叠加作用后，实现了透射电磁波的空间螺旋相位波前exp(ilφ)。该新型超材料涡旋波相位板共包含17×30+16×29＝974元蜂窝状周期排列的六边形移相单元，相位板上任意一个单元的补偿相位为δ，

其中，F为馈源(1)到超材料相位板(2)的垂直距离，x和y为任意六边形单元相对超材料相位板中心的横坐标与纵坐标，λ为入射波的波长，l为所生成涡旋电磁波对应的轨道角动量模态。

该新型蜂窝六边形晶格超材料单元(3)的详细结构请参阅图2，单元结构包含有3层正六边形金属贴片、2层雪花状金属栅格和4层介质基板，由上至下依次为：正六边形金属贴片Ⅰ(301)、第一层介质基板(302)、雪花状金属栅格Ⅰ(303)、第二层介质基板(304)、正六边形金属贴片Ⅱ(305)、第三层介质基板(306)、雪花状金属栅格Ⅱ(307)、第四层介质基板(308)、正六边形金属贴片Ⅲ(309)。

上述的基于蜂窝六边形晶格超材料的新型涡旋波相位板，采用蜂窝六边形晶格超材料作为空域移相单元，可生成具有较高增益的电磁涡旋波束。与传统采用介质材料的螺旋相位板相比，采用超材料的相位板具有厚度小、成本低、易加工和集成度高等诸多优点；本专利所采用的新型蜂窝六边形晶格超材料与常用的方形晶格超材料相比，对不同入射方位、不同倾斜角度和不同极化方式的入射波都保持较好的传输稳定性。该新型超材料相位板共包含17×30+16×29＝974个以周期性蜂窝状排列的六边形空域移相单元，每个移相单元均包括3层正六边形金属贴片、2层雪花状金属栅格和4层介质基板；其中，六边形金属贴片和雪花状金属栅格交错排列，分置于介质基板上下表面。实际使用中，馈源(1)置于新型蜂窝超材料涡旋相位板(2)的中心轴线上，由馈源(1)发出的入射波(含线极化和圆极化)照射到电磁超材料相位板上，经新型六边形晶格电磁超材料单元(3)提供的相位补偿后，生成轨道角动量本征模态为l的高增益电磁涡旋波束。本发明所采用的新型六边形晶格超材料具有损耗小、传输稳定性高等优点，借助该新型超材料的电磁调控功能，可生成具有较高增益的电磁涡旋波束，有效改善涡旋电磁波的波束发散问题。

下面结合两个具体实施例对本发明做进一步说明：实施例均以本发明技术方案为前提下进行实施，实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的两个实施例。

在两个具体实施例中，选定工作频率为f＝7.5GHz，4层介质基板厚度取值为h＝0.61mm，相对介电常数为ε_r＝3.66，周期性六边形晶格边长为R＝8mm，雪花状金属栅格由三个中心相交、两两夹角为60°的矩形金属条构成，矩形金属条宽度为w＝1.6mm，3层正六边形金属贴片边长均为r。通过调整六边形金属贴片边长r的大小，实现对入射波空间相位的补偿。实际设计中，为了减小单元的传输损耗，实现0～2π内的线性相位变化，六边形金属贴片边长取值为8个离散值r_i＝(6.304,6.293,6.18,6.03,5.9,5.7,5.45,5.2)；8种离散单元之传输系数及相移请参阅图3，可以看到，8种离散单元的传输损耗都小于1.2dB，可以满足0～2π内的线性相位变化。

实施例1：基于新型蜂窝晶格超材料相位板产生轨道角动量模态l＝+1的涡旋电磁波。

结合附图1、图4至图7来具体说明本实施方式，喇叭馈源(1)的中心工作频率选定为f＝7.5GHz，馈源到超材料相位板(2)的垂直距离取值为F＝8λ＝320mm；超材料相位板(2)共包含17×30+16×29＝974元蜂窝状周期排列的六边形单元，任意相邻的两个六边形电磁超材料单元的中心间距为超材料相位板的总体尺寸为416×400×2.6134mm。当透射所产生涡旋电磁波的模态为l＝+1时，依据补偿相位δ之计算公式可得到超材料相位板上每个六边形单元的相移分布如附图4所示，图中8种颜色的相位区间对应了8种离散的六边形超材料单元。依据图4给出的单元相移分布，即可构建出可生成l＝+1模态涡旋波的蜂窝超材料相位板，本发明实施例的详细拓扑结构如图5所示，可以看到，相邻单元间的雪花状金属栅格紧密相连组成复杂的周期图案，正六边形金属贴片则呈现螺旋状分布。

利用Ansoft HFSS电磁仿真软件，对本发明实施例1中蜂窝超材料相位板的远场特性进行了仿真计算，得到l＝+1模态涡旋电磁波的远场辐射方向图如图6所示；可以看到，携带轨道角动量的涡旋波束围绕相位板的中心轴线形成一个辐射较高的环形区域，能量在中心区域则干涉相消形成强度为零的空洞，且传播距离越远，空洞面积逐步变大，说明在传播的过程中也保持中心强度为零，整体的辐射波束呈现为锥形发散状，此时的最大辐射方向与相位板中心轴线夹角为4.5°，波束中心相位奇点处电平比最大增益下降约20dB。附图7给出了l＝+1模态涡旋电磁波的空间相位分布，从中可以明显地观察到涡旋电磁波所特有的中心相位奇点和螺旋相位结构，环绕中心顺时针方向旋转一周，电磁波的相位逐渐增大，相位变化对应着一个相位周期2π，完美展现了涡旋电磁波束所具有的螺旋相位波前。

实施例2：基于新型蜂窝晶格超材料相位板产生轨道角动量模态l＝+2的涡旋电磁波。

结合附图1、图8至图11来具体说明本实施方式，喇叭馈源(1)的中心工作频率同样选定为f＝7.5GHz，参照实施例1，选定与实施例1一致的几何位置关系。当透射所产生涡旋电磁波的模态为l＝+2时，依据补偿相位δ之计算公式可得到超材料相位板上每个六边形单元的相移分布如附图8所示，同样地，图中8种颜色的相位区间对应了8种离散的六边形超材料单元。依据图8给出的单元相移分布，即可构建出可生成l＝+2模态涡旋波的蜂窝超材料相位板，本发明实施例的详细拓扑结构如图9所示，可以看到，正六边形金属贴片呈现了双螺旋状分布。

利用Ansoft HFSS电磁仿真软件，对本发明实施例2中蜂窝超材料相位板的远场特性进行了仿真计算，得到l＝+2模态涡旋电磁波的远场辐射方向图如图10所示；同样可以看到，携带轨道角动量的涡旋波束围绕相位板的中心轴线形成一个辐射较高的环形区域，能量在中心区域则干涉相消形成强度为零的空洞，整体的辐射波束呈现为锥形发散状，此时的最大辐射方向与相位板中心轴线夹角为6.5°，波束中心相位奇点处电平比最大增益下降约15dB。图11给出了l＝+2模态涡旋电磁波的空间相位分布，从中可以明显地观察到涡旋电磁波所特有的中心相位奇点和螺旋相位结构，环绕中心顺时针方向旋转一周，电磁波的相位逐渐增大，相位变化对应着两个相位周期4π。

以上内容对本发明专利的两个具体实施例进行了详细地描述。需要着重强调的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，相关专业的技术人员可以在权利要求的范围内作出各种变形和修改，但这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种新型的超材料空域移相单元，其特征在于：包括六边形金属贴片组件，金属栅格组件以及介质基板组件：

所述六边形金属贴片组件包含至少两个六边形金属贴片；

所述金属栅格组件包含至少一个金属栅格；

所述介质基板组件包含至少两个介质基板,用于固定支撑所述六边形金属贴片和所述金属栅格；

其中，所述六边形金属贴片与所述金属栅格交替排列，所述六边形金属贴片与所述金属栅格间设置有所述介质基板，且所述空域移相单元的两个外侧面各设置为所述六边形金属贴片。

2.如权利要求1所述的空域移相单元，其特征在于：所述金属栅格设置为雪花状金属栅格。

3.如权利要求1所述的空域移相单元，其特征在于：所述介质基板为正六边形，所述六边形金属贴片为正六边形金属贴片。

4.如权利要求2或3所述的空域移相单元，其特征在于：所述介质基板厚度为h＝0.01～0.05λ，相对介电常数为ε_r＝3.66，介质基板边长为R＝0.1λ～0.5λ，其中，λ为入射波的波长。

5.如权利要求4所述的空域移相单元，其特征在于：所述雪花状金属栅格由三个中心相交、两两夹角为60°的矩形金属条构成，所述矩形金属条宽度为w＝0.02λ～0.06λ，其中λ为入射波的波长。

6.如权利要求5所述的空域移相单元，其特征在于：所述雪花状金属栅格的尺寸不变，调整所述六边形金属贴片的边长，用于补偿入射波的空间相位。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的空域移相单元组成的涡旋波相位板，其特征在于：所述空域移相单元采用周期性蜂窝状排列组成相位板。

8.如权利要求7所述的相位板，其特征在于：所述相位板所需的馈源(1)位于超材料相位板的中心轴线方向上，所述馈源(1)所产生的入射波，透射经过所述相位板(2)，得到了相位补偿，所述相位补偿与所述入射波相位叠加后，获得透射电磁波的空间螺旋相位波前。

9.根据权利要求8所述的相位板，其特征在于：所述空域移相单元的相位补偿为δ，

其中，F为所述馈源(1)到所述相位板(2)的垂直距离，x和y为任意六边形空域移相单元相对所述相位板中心的横坐标与纵坐标，λ为入射波的波长，l为所生成涡旋电磁波对应的轨道角动量模态。

10.根据权利要求8所述的相位板，其特征在于：所述馈源(1)采用定向天线。