CN108963465A - 一种能够产生轨道角动量波的蜂窝状超材料表面 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种能够产生轨道角动量波的蜂窝状超材料表面。其由六种超材料单元排列组成，每种单元在平面上排列分布在六个区域，每个区域有120个超材料单元，各个区域形状为相同的菱形，六个区域中超材料单元的中心排布方式一致，组成六边形形状；超材料单元由四层介质基板、四层金属贴片和金属缝隙层相间叠合组成，从上向下堆叠，四层金属贴片为尺寸相同的正六边形，分布在介质基板的上下表面和夹层中，每组金属贴片和缝隙的中心对齐。本发明超材料表面可将任意极化方式入射的平面波转换成轨道角动量波，并且可以通过改变超材料单元的排布方式形成不同模式的轨道角动量波，具有设计灵活、结构简单、成本低廉等优点。

Description

一种能够产生轨道角动量波的蜂窝状超材料表面
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体地涉及一种能够产生轨道角动量波的超材料表面。
背景技术
随着现代无线通信系统的快速发展和人们对更快的信息传输速度的要求，轨道角动量（Orbital angular momentum, OAM）以其模值的相互正交特性可以为有效提高频谱利用率和信道容量提供一个理想的复用维度而备受关注。
产生OAM波有很多方法，比如使用口径耦合圆极化阵列天线来产生圆极化的OAM波，还有使用多路复用的卡塞格伦反射天线来产生OAM波，但上述两种方法都需要设计复杂的馈电网络。更简单的方法是使用螺旋相位板（Spiral phase plate，SPP）来产生OAM波，主要原理是在螺旋相位板的不同位置，让波产生不同的相位延迟，以此来产生OAM波。具体方法有通过在介质板上打孔来改变不同位置的介电常数从而使其具有不同的相位延迟，还有用多层相移平面板来改变相位，但这些技术都只能将线极化平面波进行转换，存在局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种新型的能够将任意极化入射平面波转换为轨道角动量波的蜂窝状超材料表面。
本发明提供的能够将任意极化入射平面波转换为OAM波的蜂窝状超材料表面，其结构如图1、图2所示，该超材料表面由六种不同尺寸的超材料单元排列组成；其中，一种超材料单元在平面上形成一个区域，六种超材料单元在平面上排列分布为六个区域1、2、3、4、5、6，每个区域有120个超材料单元，各个区域形状为相同的菱形，六个区域中超材料单元的中心排布方式一致；六个区域（形状相同的菱形）组成六边形形状，类似于蜂窝状，见图1所示。超材料单元由四层介质基板、四层金属贴片和金属缝隙层相间叠合组成；四层介质基板8、10、12、14为六边形，从上向下堆叠，四层金属贴片7、9、13、15为尺寸相同的正六边形，分布在介质基板的上下表面和夹层中，具体为：第一金属贴片7在第一介质基板8的上表面，第二金属贴片9在第二介质基板10的上表面，第三金属贴片13在第三介质基板12的下表面，第四金属贴片15在第四介质基板14的下表面，金属缝隙层11分布第二介质基板10和第三介质基板12之间；金属缝隙层11上的缝隙由三对长条形缝隙在中心交叉组成；每组金属贴片（四层）和缝隙的中心对齐。超材料单元结构分解参见图2所示。
本发明中，所述的超材料单元在超材料表面上的分布，形成一个六边形（例如为正六边形），该六边形分解为六个角形区域（即六个对称的菱形），六边形的中心没有超材料单元的分布，六种超材料单元分布在六边形的六个角形区域，每个角形区域有120个单元，六种单元的中心排布方式一致。
本发明中，所述超材料单元中，金属贴片的边长范围为波长的十二分之一到三分之一，金属缝隙层中缝隙的长度为波长的五分之一到四分之一；介质基板的边长取为波长的五分之二，整个超材料表面由于共有720个超材料单元，因此，整体边长一般大于波长的六倍。实施例中，六边形金属贴片的边长可取1.7-6.0 mm，金属缝隙层的缝隙宽度为1 mm、长度为7 mm。
本发明中，所述的介质基板的材料可采用介电常数为2.65的F4B-4材料，损耗角正切为0.00081，大小为36 × 41 × 0.15 cm3。
本发明中，所述的金属贴片均可采用铜箔，厚度宜为0.02-0.05 mm，本发明实施例中采用厚度为0.035 mm。
本发明中，六个区域中的超材料单元（六种），具有相同的金属缝隙结构和尺寸，区别在于金属贴片层的尺寸不同，金属贴片都是正六边形形状，通过改变边长可以改变入射波通过超材料表面的相位延迟，以此获得OAM波。
具体而言，通过合理设计超材料表面的单元结构，可以使得入射波的相位延迟随着贴片单元尺寸的变化在0°到360°的范围内变化，并且插入损耗小于0.7 dB；通过合理设计贴片单元的分布（不同的排布方式），可获得不同模值的OAM波。仿真结果表明：超材料表面可以将10 GHz的入射圆极化波转换为OAM波，并且通过改变超材料表面的六个角形区域的单元尺寸，可以获得不同模式的OAM波：当超材料表面的六个角形区域分布的超材料单元尺寸均不同且恰好使得相邻相位延迟差为60°时，可以将入射平面波转换为+1模的OAM波；当超材料表面的六个角形区域分布的超材料单元使得相邻角的相位差为120°时，可以将入射平面波转换为+2模的OAM波。
本发明设计的超材料表面，能够将任意极化入射平面波转换为轨道角动量波。
文献检索结果表明，尚未有超材料表面实现在10 GHz将任意极化的入射平面波在近场转换为OAM波。
本发明设计的超材料表面工作在10 GHz，由四层介质基板和五层金属板叠加而成，结构简单，使用PCB工艺，加工方便，而且成本低廉。
附图说明
图1为本发明将任意极化入射平面波转换为轨道角动量波的超材料表面整体结构俯视图。
图2为本发明将任意极化入射平面波转换为轨道角动量波的超材料表面的单元结构的爆炸示意图。
图3为本发明将任意极化入射平面波转换为轨道角动量波的超材料表面的单元结构的俯视图。
图4为本发明将任意极化入射平面波转换为轨道角动量波的超材料表面的单元结构在10 GHz的传输系数图，包括幅度和相位。
图5为本发明将任意极化入射平面波转换为轨道角动量波的超材料表面在10 GHz圆极化平面波入射时在近场产生的+1模相位分布图。
图6为本发明将任意极化入射平面波转换为轨道角动量波的超材料表面在10 GHz圆极化平面波入射时在近场产生的+2模相位分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明；本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实施例。
如图1-3所示，本发明提供了一种能够将任意极化入射平面波转换为轨道角动量波的超材料表面，中心频率10 GHz，整体尺寸36×41×0.6 cm3（长×宽×高），本实施例包括：由六种不同超材料单元组成的+1模式超材料表面和三种不同超材料单元组成的+2模式超材料表面。
如图2、3所示，本实施例所述的超材料单元，由4块介质基板和刻在介质基板上下表面的共四层六边形金属贴片以及最中间的一层金属缝隙组成，缝隙由一条长为7 mm宽为1 mm的长条形缝隙在中心处旋转两个60°形成三条在中心处交叉的缝隙组合而成。通过在10 GHz处对金属贴片的尺寸进行扫描仿真，可以得到如图4所示的传输系数图，可以看到，在金属贴片边长从1.7 mm到4.5 mm的范围内变化时，插入损耗都低于1 dB, 相位差变化范围在0°到360°，根据此仿真结果可以确定符合要求的六组超材料单元的金属贴片尺寸，组成超材料表面。
本实施例实现的+1模式超材料表面由六种不同尺寸的超材料单元组成，六种超材料单元的金属贴片的边长分别是2.29 mm、3.30 mm、4.05 mm、4.65 mm、4.95 mm和5.16 mm，缝隙长为7 mm宽为1 mm，选用了四块厚度为1.5 mm的F4B-4基板，整体尺寸为36×41×0.6cm3（长×宽×高）。本实施例实现的+2模式超材料表面由三种不同尺寸的超材料单元组成，超材料表面的六个角分布的超材料单元的金属贴片边长分别为2.28 mm、4.05 mm、4.95mm、2.28 mm、4.05 mm和4.95mm，缝隙长为7 mm宽为1 mm，选用了四块厚度为1.5 mm的F4B-4基板，整体尺寸为36×41×0.6 cm3（长×宽×高）。
如图5所示，本实施例所述的OAM波的近场特性主要是近场相位分布特性，在距离超材料表面30 cm的近场平面处，选取宽为44 cm的方形面对透射波束进行电磁场采集，对于产生+1模式的OAM波的超材料表面，从仿真得到的近场相位分布可以看出透射波是携带+1模的轨道角动量的涡旋波束。
如图6所示，本实施例所述的OAM波的近场特性主要是近场相位分布特性，在距离超材料表面30 cm的近场平面处，选取宽为44 cm的方形面对透射波束进行电磁场采集，对于产生+2模式的OAM波的超材料表面，从仿真得到的近场相位分布可以看出透射波是携带+2模的轨道角动量的涡旋波束。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，如本发明为工作在10 GHz可将任意极化入射平面波转换为OAM波的超材料表面，列出了两种不同的单元分布方式构成的超材料表面，分别可以产生+1模和+2模的OAM波，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种能够产生轨道角动量波的蜂窝状超材料表面，其特征在于，该超材料表面由六种不同尺寸的超材料单元排列组成；其中，一种超材料单元在平面上形成一个区域，六种超材料单元在平面上排列分布为六个区域（1、2、3、4、5、6），每个区域有120个超材料单元，各个区域形状为相同的菱形，六个区域中超材料单元的中心排布方式一致；六个区域组成六边形形状，类似于蜂窝状；
其中，所述超材料单元由四层介质基板、四层金属贴片和金属缝隙层相间叠合组成；四层介质基板（8、10、12、14）为六边形，从上向下堆叠，四层金属贴片（7、9、13、15）为尺寸相同的正六边形，分布在介质基板的上下表面和夹层中，具体为：第一金属贴片（7）在第一介质基板（8）的上表面，第二金属贴片（9）在第二介质基板（10）的上表面，第三金属贴片（13）在第三介质基板（12）的下表面，第四金属贴片（15）在第四介质基板（14）的下表面，金属缝隙层（11）分布在第二介质基板（10）和第三介质基板（12）之间；金属缝隙层（11上的缝隙由三对长条形缝隙在中心交叉组成；每组金属贴片和缝隙的中心对齐。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状超材料表面，其特征在于，所述超材料单元中，金属贴片的边长范围为波长的十二分之一到三分之一，金属缝隙层中缝隙的长度为波长的五分之一到四分之一。
3. 根据权利要求1所述的蜂窝状超材料表面，其特征在于，所述的金属贴片采用铜箔，厚度为0.02-0.05 mm。
4.根据权利要求1所述的蜂窝状超材料表面，其特征在于，超材料表面将10 GHz的入射圆极化波转换为OAM波，并且通过改变超材料表面的六个菱形区域的单元尺寸，以获得不同模式的OAM波：当超材料表面的六个菱形区域分布的超材料单元尺寸均不同且恰好使得相邻相位延迟差为60°时，可以将入射平面波转换为+1模的OAM波；当超材料表面的六个菱形区域分布的超材料单元使得相邻角的相位差为120°时，可以将入射平面波转换为+2模的OAM波。
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