CN108767495B - 一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，用于解决现有技术存在的涡旋电磁波发散角度较大的技术问题，包括传输阵列天线和馈源，馈源与传输阵列天线通过支架固定，传输阵列天线包括多层层叠的介质基板和若干印在介质基板两侧等间距排列的辐射单元。馈源采用可定向辐射波束的平面贴片天线，其中心在传输阵列天线中心轴线上。辐射单元由正方形金属环和其内部的“米”字型金属贴片组成，各辐射单元中的正方形金属环的尺寸相同，“米”字型金属贴片的尺寸由其所在介质板上的位置所需的相位补偿数确定，进而对馈源辐射的球面波进行相位补偿，产生涡旋电磁波，并传输至传输阵列天线的另一侧。本发明的涡旋电磁波发散角度小，有利于远距离传输。

Description

一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置

技术领域

本发明属于变换光学技术领域，涉及一种涡旋电磁波产生装置，具体涉及一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，可用于无线通信与雷达探测领域。

技术背景

在无线通信与雷达探测领域中，电磁波作为信息的载体，可进行信息调制的电磁波的参数有频率，相位，幅度与极化。然而随着信息技术的快速发展，通信与数据传输业务的迅猛增长以及云计算，互联网的兴起，使得电磁波通信频谱资源日趋拥挤，人们日益增长的通信需求与频谱资源的拥挤形成了一定的矛盾体并亟待解决。瑞典空间物理研究所BoThide教授等人另辟蹊径，通过实验将一束电磁波扭曲成一束涡旋电磁波，并提出了利用涡旋电磁波增大无线通信容量的设想。

Tamburini和B.Thidc教授所领导的研究小组在意大利泻湖进行的关于OAM的第一次室外无线通信实验，证明了涡旋电磁波无线传输的可行性，同时同频带不同拓扑荷的涡旋电磁波可以独立传输。不同OAM模态之间的电磁场具有相互正交的特性，且OAM模态是一个无穷维的空间。涡旋电磁波若应用在多路复用传输领域将会大大提高频谱资源的利用效率，有着巨大的应用前景，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。

一般产生涡旋波的装置有旋转相位板、螺旋拋物面和均匀圆形天线阵法，这几种装置中旋转相位板是一种具有螺旋形状结构的介质圆盘，其厚度随着方位角变化而变化；它在光学中广泛地应用，得益于理论与结构简单，易于制造，经济实惠且转换效率较高；但是在低频无线电频段，其产生的波束发散角较大，且只能针对特定的频率做出响应，故不利于远距离传输。而螺旋抛物面则是将已有的抛物面天线弯曲成螺旋曲面，本质上是一种反射型旋转相位板，由于抛物面的汇聚作用，可以将发散的涡旋波束汇聚，但是，该装置只能针对一定的频率且很难产生多个模态的涡旋波束的复用。

而均匀圆形天线阵法，通过设计圆形天线阵列以产生涡旋光束的携带轨道角动量的电磁场，具有在微波波段通过灵活控制相位产生多模态涡旋电磁波的优势而受到广泛关注；但是为了产生旋转相位的波束，需要复杂的馈电移相网络，且馈电网络的复杂度随着模态数的增加而陡增，故当要产生的涡旋波模态值较大时，需要更多的天线单元，这会使系统的复杂度和设计难度大大增加；且均匀天线阵产生的涡旋电磁波幅度为中空的椭圆状，公式表达为第一类贝塞尔函数的形式，相位绕涡旋中心一周线性改变2π·l，相位变化的非连续性使得产生的涡旋电磁波的发散角度较大，一般在±24°左右，不利于远距离传输。

为了将涡旋电磁波不同模态的轨道角动量所携带的信息传输至某一目的地，对涡旋电磁波的传输距离提出了要求。其传输距离受到增益、辐射方向、波束指向性和发散角度等因素的制约，在辐射方向与波束指向性确定，而又要保证增益的情况下，若要提高涡旋电磁波的传输距离，那么就要减小涡旋电磁波的发散角度。由于超表面可以实现对电磁波相位、极化方式和传播模式的灵活有效调控的特点，因此将超表面加入到涡旋电磁波的设计中，可以在一定程度上降低涡旋电磁波的发散角度。Yueyi Yuan,Junqian Niu等人在期刊International Symposium Antennas and Propagation IEEE上于2017年的188页至189页发表了一篇名为Planar Metasurface as Generator of Bessel Beam Carrying OrbitalAngular Momentum的学术论文，提出了一种可以产生涡旋电磁波的超表面传输阵列天线，该传输阵列天线同样以平面结构的贴片天线作为馈源进行照射，馈源中心位于传输阵列天线的中心轴线上。该传输阵列天线采用了三层相互层叠的介质基板，在介质基板的上表面置有16×16个辐射单元周期性排列组成的超表面，即在该传输阵列天线中共三层由辐射单元组成的超表面，其辐射单元的外围是两个对称分布的U型环，环内是一个正方形金属贴片，其辐射单元的尺寸均相同，通过旋转介质基板上各位置处对应的辐射单元达到特定的角度关系，从而产生涡旋电磁波。该产生涡旋电磁波的超表面传输阵列天线将涡旋电磁波的发散角度控制在±15°以内，传输距离达十个波长，但存在的缺陷旋转各辐射单元的角度与各辐射单元所需的相位补偿数之间为非线性关系，导致超表面传输阵列天线的传输相位分布为非连续性的，产生的涡旋电磁波的汇聚能力较低，故涡旋电磁波的发散角度仍然较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，用于解决现有技术存在的发射角较大的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括传输阵列天线1和馈源2，所述馈源2与传输阵列天线1通过支架3固定；所述传输阵列天线1，包括n层相互层叠的介质基板11，n≥2，所述介质基板11的两个侧面上印制有m×m个等间距排列的辐射单元12，即超表面，m≥2；所述馈源2采用能产生定向辐射波束的平面贴片天线，其中心位于传输阵列天线1中心轴线上，且距离传输阵列天线1的距离为D/2，其中D为传输阵列天线1的口径；

所述辐射单元12由正方形金属环121和位于正方形金属环121内部的“米”字型金属贴片122组成，各辐射单元12中的正方形金属环121的尺寸相同，“米”字型金属贴片122的尺寸由该“米”字型金属贴片122所在介质基板上的位置对应的相位补偿数确定；

所述传输阵列天线1不同位置上“米”字型金属贴片122对馈源2产生的球面电磁波进行相位补偿，产生涡旋电磁波，并传输至传输阵列天线1的另一侧。

上述一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，介质基板11其两个侧面上印制的m×m个等间距排列的辐射单元12，关于该介质基板11镜像对称。

上述一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，辐射单元12其中的“米”字型金属贴片122的几何中心与正方形金属环121的几何中心重合。

上述一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，“米”字型金属贴片122由八个呈星型均匀排布的矩形金属贴片拼接而成，且该八个矩形金属贴片的分布位置关于“米”字型金属贴片122的中心对称。

上述一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，“米”字型金属贴片122其所在介质基板上的位置对应的相位补偿数，计算公式为：

其中，π表示圆周率，λ表示传输阵列天线中心频率对应的自由空间波长，x_i、y_j和z_k分别表示“米”字型金属贴片的中心在x轴、y轴和z轴方向上的坐标，x_f、y_f和z_f分别表示所述馈源的中心在x轴、y轴和z轴方向上的坐标，l表示涡旋电磁波轨道角动量的模态数。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明中辐射单元中的“米”字型金属贴片，其尺寸与相位补偿数之间存在一一对应的线性关系，变化单一且连续，便于灵活准确地控制传输相位，可以使超表面对于产生的涡旋电磁波的汇聚作用更好；同时辐射元中的正方形金属环结构的对称性，不仅可以均衡电磁辐射的能量，提高辐射效率，增大传输阵列天线的增益，而且可以矫正传输相位存在的细小差异，便于达到对传输相位的精准控制，进一步提高了超表面对于产生的涡旋电磁波的汇聚能力，可以有效降低涡旋电磁波的发散角度，与现有技术相比，提高了涡旋电磁波的传输距离。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例超表面的结构示意图；

图3是本发明辐射单元的结构示意图；

图4是本发明实施例在中心频率为10GHz，工作频率分别为9GHz、9.5GHz、10GHz、10.5GHz时“米”字型金属贴片的长度L与传输相位之间的关系曲线图；

图5是本发明实施例与现有技术在中心频率为10GHz时，二者分别产生的涡旋电磁波的归一化方向图。

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描述：

参照图1，本发明包括传输阵列天线1和馈源2，馈源2与传输阵列天线1通过支架3固定；传输阵列天线1，包括三层相互层叠的介质基板11，介质基板11的边长D为160mm，厚度H为1.5mm，介电常数为2.65。介质基板11的两个侧面上印制有14×14个等间距排列的辐射单元12，即超表面，且辐射单元12关于该介质基板11镜像对称。馈源2采用能产生定向辐射波束的平面贴片天线，它可以产生球面电磁波，该贴片天线是平面结构，易于制造，便于安装；其中心位于传输阵列天线1的中心轴线上，且距离传输阵列天线1的距离为D/2，其中D为传输阵列天线1的口径，也为介质基板11的边长；馈源2的中心与传输阵列天线1中心之间的距离称之为焦距F，焦径比F/D对于传输阵列天线1的汇聚作用有着重要作用，当焦径比取0.5时，对传输阵列天线1的增益与汇聚作用效果最佳；此处馈源2与传输阵列天线1之间采用空间馈电的方式进行馈电，与一般均匀圆形天线阵采用的馈电网络相比，空间馈电的方式更加简便，不需要复杂的馈网结构，大大简化了设计过程。支架3采用树脂材料FR4_epoxy制作，其介电常数为4.4，与其他金属类合成材料制作的支架相比，该材料制作的支架对传输阵列天线1和馈源2的性能没有影响，且价格低廉，经济实惠。

参照图2，在介质基板11的两个侧面上印制的14×14个等间距排列的辐射单元12，即超表面；这些辐射单元12之间无隙贴合，且所有的辐射单元12组成的超表面关于该介质基板11成镜像对称分布；无隙贴合使得介质基板11上各位置处对应的相位补偿变化连续，有利于汇聚该装置产生的涡旋电磁波，减小发散角；而辐射单元12组成的超表面在介质基板11的两个侧面上呈镜像对称分布，辐射单元12中两部分的耦合作用替代了一般超表面之间所需的高度为四分之一波长的空气腔，此结构降低了传输阵列天线1的剖面；单层结构的超表面很难实现360度的移相范围，在该传输阵列天线1中，四层结构的超表面能实现对相位的360度的控制，因此采用由四层辐射单元12组成的超表面呈镜像对称分布三层层叠放置的介质基板11的两侧，即在每两层介质基板11之间只存在一层辐射单元12组成的超表面。

参考图3，所述辐射单元12由正方形金属环121和位于正方形金属环121内部的“米”字型金属贴片122组成。各个辐射单元12中的正方形金属环121的尺寸均相同，其外围正方形的边长L1为10mm，内围正方形的边长L2为9.8mm，即正方形金属环121的环宽为0.2mm。该正方形金属环121与其内部的“米”字型金属贴片122相互耦合，使得辐射单元12上的分布电容与分布电感产生变化，降低了传输阵列天线1的品质因数，从而在一定程度上缩小了传输阵列天线1的尺寸，有利于传输阵列天线1结构的小型化；且电磁耦合效应使得传输阵列天线1出现谐振点，该正方形金属环121在结构上更优于其他环形结构在于，此结构可以更好地拉近由于耦合效应而出现的多个谐振点，从而展宽了传输阵列天线1的工作频率带宽。“米”字型金属贴片122由八个呈星型均匀排布的矩形金属贴片拼接而成，且该八个矩形金属贴片的分布位置关于“米”字型金属贴片122的中心对称；这八个均匀排布的矩形金属贴片，其宽度W固定为2mm，其长度L与介质基板11各位置上对应的相位补偿数存在一一对应的线性关系，而各位置上对应的相位补偿数其计算公式为：

其中，π表示圆周率，λ表示传输阵列天线中心频率对应的自由空间波长，x_i、y_j和z_k分别表示“米”字型金属贴片的中心在x轴、y轴和z轴方向上的坐标，x_f、y_f和z_f分别表示所述馈源的中心在x轴、y轴和z轴方向上的坐标，l表示涡旋电磁波轨道角动量的模态数。根据此公式可以算出介质基板11上各位置处所需要的相位补偿数，然后再对应调整介质基板11上各位置处的“米”字型金属贴片122的长度L，当馈源2照射的球面电磁波经过辐射单元12穿过传输阵列天线1时，就可实现相位补偿，从而产生涡旋电磁波，并传输至传输阵列天线1的另一侧；而之所以采用由八个呈星型均匀排布的矩形金属贴片拼接而成的“米”字型金属贴片122来实现对传输相位的控制，在于其结构的对称性，以及各矩形金属贴片之间夹角的适中性。结构的对称性，不仅可以均衡电磁辐射的能量，提高辐射效率，增大传输阵列天线1的增益，而且有益于矫正传输相位存在的细小差异，便于达到对传输相位的精准控制，使得该装置产生的涡旋电磁波的的汇聚作用更好；具有对称结构的形状不单单有“米”字型，还有“十”字型，但四层“十”字型结构的金属贴片不足以实现对传输相位的360度控制，倘若采用“十”字型结构的金属贴片来实现360度的移相范围，那么必须增加层数，而传输阵列天线1的剖面也会随之增加，将不利于天线的小型化；而采用十六个矩形金属贴片拼接成正方形金属环121中的金属贴片时，矩形金属贴片的长度L与传输相位之间原本对应的线性关系发生波动，主要原因在于此时各金属贴片之间的夹角仅为22.5度，夹角偏小，使得各金属贴片之间的电磁影响增大，对传输相位造成干扰。权衡比较后，本发明采用了由八个呈星型均匀排布的矩形金属贴片拼接而成的“米”字型金属贴片122来实现对传输相位的控制，因变量单一，此处的因变量只有矩形金属贴片的长度L，它与传输相位这个自变量之间存在着一一对应的线性关系，使相位分布呈现连续化，有利于该装置产生的涡旋电磁波的汇聚，减少涡旋电磁波的发散角度。最后对于“米”字型金属贴片122在正方形金属环121内部的位置也做出了要求，当“米”字型金属贴片122游离在正方形金属环121的内部而并非中心时，二者的电磁耦合作用发生了变化，谐振点的出现变得随机性，如此一来，正方形金属环121拉近谐振点的作用也变得不明显，拓展带宽的效果欠佳；考虑到对称结构对于电磁影响的均衡作用，当“米”字型金属贴片122的几何中心与正方形金属环121的几何中心重合时，正方形金属环121拉近多个谐振点的作用变得明显，进而拓展了传输阵列天线1的工作频率的带宽。

以下结合仿真实验，对本发明技术效果作进一步说明：

1.仿真条件和内容

利用商业仿真软件CST微波工作室，对中心频率为f＝10GHz的本发明进行仿真计算。

仿真1，本发明实施例在中心频率为10GHz，工作频率分别为9GHz、9.5GHz、10GHz、10.5GHz时“米”字型金属贴片的长度L与传输相位之间的关系曲线图，如图4所示；

仿真2，本发明实施例与现有技术在中心频率为10GHz时，二者分别产生的涡旋电磁波的归一化方向图，如图5所示。

2.仿真结果分析

参照图4，图4是本发明实施例在中心频率为10GHz，生成模态为+1，工作频率分别为9GHz、9.5GHz、10GHz、10.5GHz时“米”字型金属贴片的长度L与传输相位之间的关系曲线图，从图中可知，10GHz时，当L从1mm变化到7mm时对应的传输相位覆盖了360°，相位变化连续单一，相位特性与理论特性基本一致；仿真结果表明，本发明产生的涡旋电磁波相位分布连续变化，且矩形金属贴片的长度L与传输相位之间的线性关系良好，对应的工作频率带宽较宽。

参照图5，图5是本发明实施例与现有技术在中心频率为10GHz时，二者分别产生的涡旋电磁波的归一化方向图，由图中可以看出现有技术产生的涡旋电磁波的汇聚效果不明显，其发散角为±15°；而本发明实施例产生的涡旋电磁波的发散角在±8°以内，与现有技术相比，汇聚效果明显，发散角有显著的降低。该结果表明，本发明在产生涡旋电磁波束的同时具有较小的发射角，适于远距离通信。

以上仿真结果说明，本发明可以产生发射角较小的涡旋电磁波，可实现远距离通信，与现有技术相比，传输距离可达二十个波长，可以在更远的距离范围内有效工作。

以上描述仅是本发明的实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，包括传输阵列天线(1)和馈源(2)，所述馈源(2)与传输阵列天线(1)通过支架(3)固定；所述传输阵列天线(1)，包括n层相互层叠的介质基板(11)，n≥2，所述介质基板(11)的两个侧面上印制有m×m个等间距排列的辐射单元(12)，形成超表面，m≥2；所述馈源(2)采用能产生定向辐射波束的平面贴片天线，其中心位于传输阵列天线(1)中心轴线上，且距离传输阵列天线(1)的距离为D/2，其中D为传输阵列天线(1)的口径；其特征在于：

所述辐射单元(12)由正方形金属环(121)和位于正方形金属环(121)内部的“米”字型金属贴片(122)组成，其中的“米”字型金属贴片(122)的几何中心与正方形金属环(121)的几何中心重合；各辐射单元(12)中的正方形金属环(121)的尺寸相同，“米”字型金属贴片(122)的尺寸由该“米”字型金属贴片(122)所在介质基板上的位置对应的相位补偿数确定；

所述传输阵列天线(1)不同位置上“米”字型金属贴片(122)对馈源(2)产生的球面电磁波进行相位补偿，产生涡旋电磁波，并传输至传输阵列天线(1)的另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，其特征在于：所述介质基板(11)，其两个侧面上印制的m×m个等间距排列的辐射单元(12)，关于该介质基板(11)镜像对称。

3.根据权利要求1所述的一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，其特征在于：所述“米”字型金属贴片(122)，由八个呈星型均匀排布的矩形金属贴片拼接而成，且该八个矩形金属贴片的分布位置关于“米”字型金属贴片(122)的中心对称。

4.根据权利要求1所述的一种基于超表面的涡旋电磁波产生装置，其特征在于：所述“米”字型金属贴片(122)，其所在介质基板上的位置对应的相位补偿数，计算公式为：

其中，π表示圆周率，λ表示传输阵列天线中心频率对应的自由空间波长，x_i、y_j和z_k分别表示“米”字型金属贴片的中心在x轴、y轴和z轴方向上的坐标，x_f、y_f和z_f分别表示所述馈源的中心在x轴、y轴和z轴方向上的坐标，l表示涡旋电磁波轨道角动量的模态数。

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