CN109103601A - 一种双极化双模式电磁涡旋发生器 - Google Patents

Abstract

一种双极化双模式电磁涡旋发生器，属于超材料设计及OAM无线通信技术领域。所述发生器包括透射型超表面结构和位于透射型超表面结构正上方的线极化激励源；所述线极化激励源用于产生线极化入射波源；所述透射型超表面结构由金属结构/介质基板/金属结构交替形成的(2n+1)层结构层叠得到，每层金属结构包括M×N个阵列排列的金属单元；所述金属单元包括金属环、以及位于金属环内部的金属十字贴片，所述金属环与金属十字贴片具有相同的中心。本发明提供的发生器能产生辐射性能好、后向辐射弱的双极化双模式的轨道角动量波。

Description

一种双极化双模式电磁涡旋发生器

技术领域

本发明属于超材料设计及OAM无线通信技术领域，具体涉及一种双极化双模式电磁涡旋发生器。

背景技术

现如今，随着用于信息交换的无线通信技术的迅猛发展，移动终端普及率逐渐上升，移动互联网呈现出爆炸式发展趋势。在移动通信中，电磁频谱不仅具有开放性，同时具有有限性，使得如何通过提高频谱效率成为了推动现代通信技术持续不断发展的动力。统计数据表明，无线业务流量以每年接近100％的速度增长，这意味着未来10年，无线数据流量将增长1000倍。为满足不断增长的移动数据业务需求，迫切需要更高速、更高效、更智能的新一代无线移动通信技术，进一步提升系统容量以及频谱利用率。

在不拓展可利用频谱带宽的情况下提高频谱利用率问题的指引下，近几年，微波波段的轨道角动量电磁涡旋技术逐渐成为研究热点。2004年，英国格拉斯哥大学天文物理系Gibson等人首次提出将轨道角动量应用于光通信，并证实了利用不同的轨道角动量状态实现多信道独立调制同频传输。根据麦克斯韦方程，电磁波不仅能传播能量还能传播动量，传播的动量可分为线性动量(linear momentum)与角动量(angular momentum)，而角动量又分为旋转角动量(spin orbital momentum)与轨道角动量(orbital angularmomentum)。轨道角动量(OAM)描述了螺旋波束横向旋转模式的空间坐标维度，垂直于坡印亭矢量方向。

与已有的复用技术不同，轨道角动量电磁涡旋复用技术能够将载波所携带的轨道角动量模式作为调制参数，并且利用轨道角动量模式内在的正交性，将多路信号调制到不同的轨道角动量模式上，根据模式数或称拓扑电荷数区分不同的信道。通过这种方式，人们在相同载频上可以得到多个相互独立的轨道角动量信道。由于轨道角动量在理论上可以拥有无穷维阶数，因而可以构成无穷维的希尔伯特空间，由此理论上同一载波频率利用轨道角动量电磁涡旋复用可获得无穷的传输能力。

目前，轨道角动量波的生成多为单极化或单模态形式。如公开号为207098060U的专利申请中仅能产生模式数为1的轨道角动量波束，且需要复杂的馈电网络系统；公开号为105552556B的专利申请仅能产生模式数为l的单一极化单一模态轨道角动量波束，且入射波和反射波位于发生器同侧。因此，设计一种结构简单、易实现的多极化多模式轨道角动量发生器对于未来移动通信具有极大的价值。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出一种双极化双模式电磁涡旋发生器，该发生器能产生辐射性能好、后向辐射弱的双极化双模式的轨道角动量波。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双极化双模式电磁涡旋发生器，其特征在于，所述发生器包括透射型超表面结构和位于透射型超表面结构正上方的线极化激励源；所述线极化激励源用于产生线极化入射波源；所述透射型超表面结构由金属结构/介质基板/金属结构交替形成的(2n+1)层结构层叠得到，每层金属结构包括M×N个阵列排列的金属单元，金属单元在行和列方向以均匀等距的方式排布组成阵列；所述金属单元包括金属环、以及位于金属环内部的金属十字贴片，所述金属环与金属十字贴片具有相同的中心。

当线极化激励源产生的入射波照射到超表面结构时，入射波可分解为相互垂直的x方向和y方向的线极化入射波；针对x和y方向这两种不同极化的入射波，通过分别控制每个金属十字贴片在x，y方向的臂长和金属环在x，y方向的宽度，相应改变超表面结构中金属单元在x和y方向的透射相位(即相位补偿值)，使其分别满足螺旋关系，即透射相位满足如下公式：其中，l_x，l_y分别为x方向和y方向的轨道角动量模式数，为第m行n列的金属单元中心点位置矢量与x轴正方向的夹角，和分别为第m行n列的金属单元在x方向和y方向的透射相位大小，不同的十字贴片臂长和金属环宽度对应不同的透射相位，需对每个金属单元进行优化设计；超表面结构的每层金属结构中的金属单元在x和y方向上以等间距均匀排列的方式组成阵列，通过控制不同位置处金属单元x和y方向的透射相位，使得透过超表面结构的入射波在x和y方向分别产生整体的涡旋相位分布。由于金属十字贴片和金属环结构均具有良好的正交特性，故便于针对两个正交极化进行不同的涡旋特性设计，从而实现双极化双模式的轨道角动量波。

进一步地，所述线极化激励源可以为线极化喇叭、微带、八木、带反射板的振子等各类天线。

进一步地，所述金属环为金属矩形环。

进一步地，所述电磁涡旋发生器中，线极化激励源和携带有轨道角动量的透射波分别位于透射型超表面结构的正上方和正下方，透射型超表面结构的尺寸应覆盖线极化激励源所辐射的主要辐射功率。

进一步地，所述透射型超表面结构的层数、介质基板的材质及厚度，均可根据相位透射范围和透射效率的需求进行选择。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种双极化双模式电磁涡旋发生器中，透射型超表面结构生成双极化双模式电磁涡旋波，能产生两个正交极化并可携带任意两种模式的轨道角动量电磁波，用于无线通信；且产生的轨道角动量电磁波的辐射性能好，后向辐射弱；线极化激励源和携带有轨道角动量的透射波分别位于透射型超表面结构的正上方和正下方，可避免线极化激励源对轨道角动量波的影响；结构简单，易加工且便于调试。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。

附图说明

图1为本发明提供的一种双极化双模式电磁涡旋发生器的结构示意图；

图2为本发明提供的涡旋发生器中金属单元的结构示意图；

图3为本发明提供的涡旋发生器中一个金属单元形成的超表面结构的侧视结构示意图；

图4为本发明提供的涡旋发生器中角锥喇叭天线线极化激励源的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种双极化双模式电磁涡旋发生器的结构示意图；

图6为实施例电磁涡旋发生器在x方向极化、涡旋模式为2时，平行于超表面结构平面上辐射电场的相位分布图；

图7为实施例电磁涡旋发生器在x方向极化、涡旋模式为2时，平行于超表面结构平面上辐射电场的场强分布图；

图8为实施例电磁涡旋发生器在y方向极化、涡旋模式为4时，平行于超表面结构平面上辐射电场的相位分布图；

图9为实施例电磁涡旋发生器在y方向极化、涡旋模式为4时，平行于超表面结构平面上辐射电场的场强分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种双极化双模式电磁涡旋发生器的结构示意图；所述发生器包括透射型超表面结构和位于透射型超表面结构正上方的线极化激励源；所述线极化激励源用于产生线极化入射波源；所述透射型超表面结构由金属结构/介质基板/金属结构交替形成的(2n+1)层结构层叠得到，每层金属结构包括M×N个阵列排列的金属单元，金属单元在行和列方向以均匀等距的方式排布组成阵列；所述金属单元包括金属环、以及位于金属环内部的金属十字贴片，所述金属环与金属十字贴片具有相同的中心。

当线极化激励源产生的入射波照射到超表面结构时，入射波可分解为相互垂直的x方向和y方向的线极化入射波；针对x和y方向这两种不同极化的入射波，通过分别控制每个金属十字贴片在x，y方向的臂长和金属环在x，y方向的宽度，相应改变超表面结构中金属单元在x和y方向的透射相位(即相位补偿值)，使其分别满足螺旋关系，即透射相位满足如下公式：其中，l_x，l_y分别为x方向和y方向的轨道角动量模式数，为第m行n列的金属单元中心点位置矢量与x轴正方向的夹角，和分别为第m行n列的金属单元在x方向和y方向的透射相位大小，不同的十字贴片臂长和金属环宽度对应不同的透射相位，需对每个金属单元进行优化设计；超表面结构中的金属单元在x和y方向上以等间距均匀排列的方式组成阵列，通过控制不同位置处金属单元x和y方向的透射相位，使得透过超表面结构的入射波在x和y方向分别产生整体的涡旋相位分布。由于金属十字贴片和金属环结构均具有良好的正交特性，故便于针对两个正交极化进行不同的涡旋特性设计，从而实现双极化双模式的轨道角动量波。

其中，所述透射型超表面结构采用叠层结构，包括(2n+1)层“金属结构/介质基板/金属结构”交替形成的结构层，可实现较高的透射效率和相位调节范围。

实施例

本实施例中，双极化双模式电磁涡旋发生器的工作频段为C波段，但本发明不限于此波段。图1为所述发生器的结构示意图，从图中可以看出线极化激励源和携带有轨道角动量的透射波位于透射型超表面结构的正上方和正下方，可减少线极化激励源对涡旋波的影响；透射型超表面结构为叠层结构，可实现较高的透射效率和较宽的相位调节范围。其中，线极化激励源的位置矢量Rf(0，0，zf)，其产生的线极化激励波可以分解为x和y方向极化的线极化波，通过透射型超表面结构，产生在x极化方向携带l_x阶轨道角动量和在y极化方向携带l_y阶轨道角动量的透射波。图1中，第m行n列处的金属单元位置(xmn，ymn，0)，第m行n列处的金属单元在x，y方向补偿相位分别为zf表示线极化激励源的z坐标位置，Rmn表示第m行n列金属单元的位置，xmn表示第m行n列处的金属单元的横坐标，ymn表示第m行n列处的金属单元的纵坐标，表示第m行n列金属单元与原点生成的矢量与x轴正方向的夹角；m＝1，2，3，…，M，n＝1，2，3，…，N。

图2为本发明提供的涡旋发生器中金属单元的结构示意图；所述金属单元包括金属环、以及位于金属环内部的金属十字贴片，金属环和金属十字贴片具有相同的中心。其中，金属环的宽度分别为wx和wy，金属十字贴片的长宽分别为lx，ly，lx2，ly2。可通过调整每个单元的金属环宽wx，wy和十字贴片臂长lx2，ly对x，y两个正交极化方向的透射相位分别进行调节，使其满足

图3为本发明提供的涡旋发生器中一个金属单元形成的超表面结构的侧视图；包括3层介质基板和4层金属单元，按照金属-介质-金属-介质-金属-介质-金属的方式进行叠层，可满足透射效率和相位调节的要求。其中，每层介质基板的厚度为td＝1.5mm，介电常数为2.75，损耗正切角为0.001。

图4为本发明提供的涡旋发生器中角锥喇叭天线线极化激励源的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的一种双极化双模式电磁涡旋发生器的结构示意图。本实施例发生器中，每层金属结构包括23×23共529个金属单元，金属单元为正方形结构，边长为p＝14mm，529个金属单元紧密排列(间距为0)形成金属结构；每个金属单元包括中心重合的金属环和金属十字贴片，金属环沿x轴方向的宽度和沿y轴方向的宽度wx＝wy＝0.3～0.6mm，金属十字贴片沿x轴方向的臂的臂长lx2＝3.8～12mm，臂宽度ly2＝3.6mm；金属十字贴片沿y轴方向的臂的臂长ly＝3.8～12mm，臂宽度lx＝＝3.6mm。调节金属环宽和十字臂长，使x和y极化方向的透射相位(即补偿相位)分别满足 即可得到在x和y方向分别携带2阶和4阶轨道角动量的透射波。线极化激励源采用置于超表面结构正上方的角锥喇叭天线，其主要辐射功率应被超表面结构所覆盖，角锥喇叭天线产生的线极化入射波可以分解为x和y两个正交方向的线极化波，经过叠层超表面结构对x和y方向分别进行的相位补偿后，超表面结构正下方的透射波在x和y方向分别产生整体的2阶和4阶涡旋相位分布，从而在两个极化方向上分别实现两种轨道角动量模式。

图6和图7为实施例电磁涡旋发生器在x方向极化、涡旋模式为2时，平行于超表面结构平面上辐射电场的相位分布图和场强分布图；由图6和图7可知，电场相位沿轴线方位角呈顺时针涡旋状，沿圆周一圈相位改变4π，此时为2阶OAM。

图8和图9为实施例电磁涡旋发生器在y方向极化、涡旋模式为4时，平行于超表面结构平面上辐射电场的相位分布图和场强分布图；由图8和图9可知，电场相位沿轴线方位角呈顺时针涡旋状，沿圆周一圈相位改变8π，此时为4阶OAM。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双极化双模式电磁涡旋发生器，其特征在于，所述发生器包括透射型超表面结构和位于透射型超表面结构正上方的线极化激励源；所述线极化激励源用于产生线极化入射波源；所述透射型超表面结构包括金属结构/介质基板/金属结构交替形成的(2n+1)层结构层，每层金属结构包括M×N个阵列排列的金属单元；所述金属单元包括金属环、以及位于金属环内部的金属十字贴片，所述金属环与金属十字贴片具有相同的中心。

2.根据权利要求1所述的双极化双模式电磁涡旋发生器，其特征在于，当线极化激励源产生的入射波照射到超表面结构时，入射波分解为相互垂直的x方向和y方向的线极化入射波；针对x和y方向这两种不同极化的入射波，通过分别控制每个金属十字贴片在x，y方向的臂长和金属环在x，y方向的宽度，相应改变超表面结构中金属单元在x和y方向的透射相位，使其满足其中，l_x，l_y分别为x方向和y方向的轨道角动量模式数，为第m行n列的金属单元中心点位置矢量与x轴正方向的夹角，和分别为第m行n列的金属单元在x方向和y方向的透射相位大小；通过控制不同位置处金属单元x和y方向的透射相位，使得透过超表面结构的入射波在x和y方向分别产生整体的涡旋相位分布。

3.根据权利要求1所述的双极化双模式电磁涡旋发生器，其特征在于，所述线极化激励源为线极化喇叭、微带、八木或带反射板的振子。

4.根据权利要求1所述的双极化双模式电磁涡旋发生器，其特征在于，所述金属环为金属矩形环。

5.根据权利要求1所述的双极化双模式电磁涡旋发生器，其特征在于，所述透射型超表面结构的层数、介质基板的材质及厚度，均根据相位透射范围和透射效率的需求进行选择。