CN109167171A - 基于pb结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，该方法一具体实施方式包括：基于PB理论，结合透射系数矩阵提出单层高效透射PB单元结构的设计方案；根据所述高效透射型PB单元的设计方案，设计单层PB单元；根据涡旋光产生器的功能需求，设计并求解涡旋光超构表面相位分布，并将所述单层PB单元按照所述相位分布进行延拓，得到超构表面；将圆极化贴片天线固定于焦点处作为馈源，所述馈源和所述超构表面共同构成透射型涡旋光产生器，该透射型涡旋光产生使出射波携带涡旋相位因子，从而可以把天线辐射的圆极化球面波转化为涡旋波。该方法设计的涡旋光产生器效率较高，并且器件剖面低，结构简单，利用已有的印刷电路技术即可加工制作。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，提出了高效透射型PB单元的设计方案，并利用其制作了高效透射型涡旋光产生器。
背景技术
随着信息产业的发展，通信链路的频谱效率与信道容量越来越接近香农极限。轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)表征电磁波携带的轨道部分的动量，在同一频率下不同OAM模式相互正交、互不影响，理论上可以分成无限种模式，因此OAM为提升信道容量提供了新的操控自由度。涡旋光是携带了相位因子具有OAM模式的电磁波，涡旋光的激发与应用成为了目前光学领域和微波领域的研究热点。
目前产生涡旋光的方式主要有螺旋相位片(Spiral phase plate,SPP)，空间光调制器，计算全息图(Computer generated hologram,CGH)，全息衍射光栅，螺旋反射器，天线阵等。螺旋相位片SPP是一个介质片，它的传输相位随幅角连续光滑的线性变化，当入射波通过时，螺旋相位片SPP的螺旋表面将使光束附加上一个螺旋递进的相位。Li Cheng等人利用螺旋相位片可以产生任意混合的轨道角动量波束。计算全息图和全息衍射光栅主要来源于光学，基于波的干涉、衍射和全息成像原理，一束准直的高斯基模光束照射到这个光栅上，就会在光栅之后产生一系列的衍射光，从而在某一特定级次上的衍射光就是所需要的涡旋光，该方法适用于频率较高的毫米波。螺旋反射器由一系列单元组成，基于传输线理论设计单元使等效介电常数和厚度满足阻抗匹配条件，从而可以控制入射波产生螺旋相位。天线阵涡旋光产生器通过控制各个单元的馈电电流和相位从而产生涡旋光。B.Thidé等人利用矢量天线阵实现了携带了旋转角动量和轨道角动量的近拉盖尔-高斯波束的无线电波束，从而利用天线阵实现了微波频段涡旋光的激发。
以上涡旋光产生器存在如下缺陷：螺旋相位片存在波束发散角过宽和工作情况不稳定的缺点，当工作频率较低时很难进行长距离传输，并且器件笨重，占用的空间较大；计算全息图和全息衍射光栅由低阶高斯模式产生涡旋光束，衍射效率较低，微波频段光栅制作复杂；螺旋反射器为实现螺旋的相位控制往往具有特殊的剖面，因此加工难度高，器件体积大，不易于集成，并且入射波和反射波存在光路上的干扰；天线阵的馈电网络极其复杂，每一个单元都需要单独的移相器，这导致天线阵制作成本极高，同时天线阵系统结构复杂，器件比较笨重，不利于加工和集成。
发明内容
本申请的目的在于提出了基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，解决以上背景技术部分提到的技术问题。
本申请提出的基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，所述包括：基于PB理论，结合透射系数矩阵提出单层高效透射PB单元结构的设计方案；根据所述高效透射型PB单元的设计方案，设计单层PB单元；根据涡旋光产生器的功能需求，设计并求解涡旋光超构表面相位分布，并将所述单层PB单元按照所述相位分布进行延拓，得到超构表面；将圆极化贴片天线固定于焦点处作为馈源，所述馈源和所述超构表面共同构成透射型涡旋光产生器，该透射型涡旋光产生使出射波携带涡旋相位因子，从而可以把天线辐射的圆极化球面波转化为涡旋波。
在一些实施例中，所述基于PB理论，结合透射系数矩阵提出单层高效透射PB单元结构的设计方案，包括：对PB理论进行推导，结合透射系数矩阵确定透射单元的传输矩阵属于的空间及所述空间的基T1与T2；确定传输矩阵应满足的T1约束条件和T2约束条件；设计满足所述T1约束条件的PB单元结构的设计方案：PB单元结构满足关于晶轴镜面对称；设计满足所述T2约束条件的PB单元结构的设计方案：PB单元结构满足恒同对称或中心反演对称。
在一些实施例中，满足所述T1约束条件的单层PB单元为：采用的介质板为介电常数为2.65的聚四氟乙烯，上下底面均刻蚀了相同的金属结构，外圈为一个金属谐振环，中间一个“工”字型环结构，旁边伴随有横置的“T”形谐振臂，谐振臂与外圈金属谐振环相连，该PB单元结构关于两个晶轴镜面对称。
在一些实施例中，满足所述T2约束条件的单层PB单元：将满足所述T1矩阵约束条件的单层PB单元旋转45°，此时单层PB单元结构关于晶轴反演对称。
在一些实施例中，所述基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，还包括：对涡旋光产生器进行加工并测试。
在一些实施例中，所述基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，还包括：提出涡旋光产生器工作效率的评价指标。
本发明的有益效果如下：设计的PB单元效率较高，透射率高达90％，利用其制作的涡旋光产生器工作性能稳定，可以将贴片天线辐射的圆极化球面波转化为圆极化涡旋波，测试结果显现该涡旋光产生器性能良好，器件工作效率为78.3％。该器件具有效率高结构简单，剖面低，便于加工制作等优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为根据本申请的高效透射型涡旋光产生器的一个实施例的流程图；
图2为单元坐标系旋转前后对比图，其中为单元旋转角度；
图3为PB单元的拓扑结构以及仿真设置的示意图，其中，图3(a)PB单元的俯视图，图3(b)为单元在三维电磁场仿真软件CST中仿真设置示意图；
图4为单元在线极化波照射下的传输特性，其中图4(a)为单元旋转角度时，单元的主视图，图4(b)和图4(c)为单元旋转角度时，同极化透射率和传输相位，图4(d)为单元旋转角度单元的主视图，图4(e)为单元旋转角度单元的交叉极化透射率，在图4(a)-图4(e)中transmissivity表征透射率，phase表征相位；
图5为仿真计算得到的PB单元的传输系数和传输相位，其中，图5(a)为在不同旋转角度下，单元透射率随频率的变化关系，图5(b)为在不同旋转角度下，单元传输相位随频率的变化关系，在图5(a)与(b)中，为单元旋转角度；
图6为不同类型的相位分布，其中图6(a)为聚焦相位分布，图6(b)为涡旋相位分布，图6(c)为将聚焦和涡旋相位分布加到一块的综合相位分布；
图7为超构表面相位分布和对应的超构表面模型正视图，其中图7(a)为涡旋光拓扑荷数＝1时的相位分布，图7(b)涡旋光拓扑荷数＝2相位分布，图7(c)涡旋光拓扑荷数＝1超构表面模型正视图，图7(d)涡旋光拓扑荷数＝2超构表面模型正视图；
图8为涡旋光拓扑荷数l＝1和涡旋光拓扑荷数l＝2的涡旋超构表面在三维电磁场仿真软件CST中近场和远场仿真结果，其中，图8(a)为拓扑荷数l＝1时，近场Re(Ey)分布，图8(b)为拓扑荷数l＝2近场Re(Ey)分布，图8(c)为拓扑荷数l＝1时，电场相位分布，图8(d)为拓扑荷数＝2时，电场相位分布，图8(e)为拓扑荷数l＝1时，辐射的三维远场方向图，图8(f)为拓扑荷数l＝2时，辐射三维远场方向图，图8(g)为拓扑荷数l＝1时，二维远场分布，图8(h)为拓扑荷数l＝2时，二维远场分布；
图9为远场测试实验设置与远场测试结果，其中，图9(a)为组装的涡旋光产生器和远场测试设置，图9(b)表示在xoz面上同极化分量和交叉极化分量的远场实测和仿真示意图；
图10为近场测试图和近场测试结果，其中，图10(a)为近场测试场景，图10(b)为近场Re(Ey)的分布，图10(c)为电场Ey相位分布，图10(d)为电场强度分布。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参考图1，示出了根据本申请的基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法一个实施例的流程图100。基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，包括以下步骤：
步骤101，基于PB理论，结合透射系数矩阵提出单层高效透射PB单元结构的设计方案。
PB(Pancharatnam Berry)相位原理适用于圆极化波，通过对单元的旋转来实现对圆极化波相位的调控。其相对于改变尺寸来产生不同相移的方法而言，具有稳定的透射幅度和准确的相移数值。这里我们首先对PB理论进行简要的推导，并给予推导过程给出相应的分析，并据此最终确定高效透射PB单元的设计准则。具体地，对于透射PB单元，入射波为右旋圆极化波(沿z方向传播)时，入射波表示为：
其中，E0为幅度，和分别为x方向和y方向的单位矢量，j为虚数单位，k为传播常数k＝2π/λ，λ为波长，z代表电磁波沿z轴方向传播的距离，ω＝2πf(f为频率)，t为时间，e为自然底数。
设定单元在垂直照射条件下的透射系数矩阵为：
其中，txy是y极化波入射x极化波出射的透射率，tyx是x极化波入射y极化波出射的透射率，txx是x极化波入射x极化波出射的透射率，tyy是y极化波入射y极化波出射的透射率。
则透射波可表示为：
当单元逆时针旋转角度时，如图2所示，可将坐标系进行同样的旋转。设定旋转前为xoy坐标系，旋转后为uov坐标系，则旋转前后两坐标单位矢量的关系为：
其中，为单元旋转角度，和为旋转后坐标轴u和v的单位矢量。入射波(右旋圆极化波)在uov坐标系中可表示为：
由于旋转前后的单元在xoy与uov坐标系中的相对位置是一样的，因此其透射系数矩阵也是相同的，从而对旋转后的单元，其透射波为：
式(3)是旋转前单元的透射波形式，不妨将其转换到uov坐标系中，即将式(4)带入式(3)则为：
其中，为在uov坐标系中，单元的转角度为0时的透射波。
根据欧拉公式，欲使得(7)式中的复数转化为指数形式，则必须满足|txx|＝|tyy|以及|txy|＝|tyx|，即主极化以及交叉极化的幅值需一致。而为保证(7)式可进一步化简，则有两组解满足条件：
第一种解：txx＝-tyy，txy＝tyx；第二种解：txx＝tyy，txy＝-tyx。
显然，第二种解不是合理解。则将第一种解带入(7)式化简可得：
对比(6)和(8)式可知，入射波为右旋圆极化波时，旋转后单元的透射波相对于旋转前单元的透射波而言，其相移为：
同理，入射波为左旋圆极化波时，旋转后单元的透射波相对于旋转前单元的透射波而言，其相移为：
由此可知，旋转单元对旋向相反的圆极化波，其产生的相移差值是完全相反的。另外，根据推导出的透射系数条件，将式(6)旋转后单元的透射波进一步化简可得：
对比式(5)和式(11)可知，透射波和入射波(入射的右旋圆极化波)的旋向是相反的。综合以上过程可知，当传输系数满足txx＝-tyy且txy＝tyx时，透射波中只有与入射波极化方式相反的圆极化波，且透射波的相移值为(即旋转角度的2倍)。此外对于不同旋向的圆极化入射波其透射相移值互为相反数。
基于上述推导，我们可以进行以下分析，以便确定高效PB单元的设计方案。首先不妨将前面推导的PB理论成立条件用传输矩阵空间来表示。具体而言，对于一个满足PB理论的透射单元，其传输矩阵必然属于下列空间：
T2×2＝{T＝(tij)2×2|t11+t22＝0,t12＝t21} (12)
其中，T2×2表示一个2*2维的空间，T表示2*2维空间中的满足约束条件t11+t22＝0,t12＝t21的矩阵，tij表示矩阵中的第i行第j列元素的值，i、j表示矩阵元素的序号。
上式中的空间存在两个基T1与T2，其中因此PB单元的传输矩阵必然可以表示为T1、T2的线性组合。但就具体的设计而言，需要考虑的变量越少越好。因此在具体设计中，我们只需要设计满足T1或T2的传输矩阵即可。而要获得最大的透射效率，就要保证设计满足T1的传输矩阵时，尽量压制交叉极化分量与反射分量(T1约束条件)。而在设计满足T2的传输矩阵时，就要尽量压制主极化分量与反射分量(T2约束条件)。
基于以上分析，我们提出了高效的PB单元设计方案：
(1)为使PB单元结构沿着两个晶轴方向的透射相位差为180度，PB单元必需关于晶轴镜面对称，这样才能最大限度的抵消掉交叉极化的部分，从而保证了PB单元的高效性。此时同极化透射率接近1，传输相位相差π，传输矩阵满足T1约束条件。
(2)为使得PB单元传输特性满足T2矩阵，在设计PB单元结构时尽量满足恒同对称或中心反演对称，因为恒同对称的单元结构能够压制沿着晶轴方向的响应，使得两个相互正交的晶轴信息相互转换，即x方向和y方向等价。此时同极化透射率为0，交叉极化透射率接近1，这时传输矩阵满足T2约束条件。
以上方案从PB理论出发，基于传输矩阵，把PB理论约束条件具化到单元结构设计层面，利用此方案指导PB单元设计，可以大大减少设计量，降低设计复杂度，简化PB单元设计流程。
步骤102，根据所述高效透射型PB单元的设计方案，设计单层PB单元。
基于高效透射型PB单元设计方案，我们首先根据T1传输矩阵形式设计出了一种PB单元，其结构如图3所示。该单元采用的介质板为介电常数为2.65的聚四氟乙烯，上下底面均刻蚀了相同的金属结构，外圈为一个金属谐振环，中间一个“工”字型环结构，旁边伴随有横置的“T”形谐振臂，谐振臂与外圈金属谐振环相连。可以看出该PB单元结构关于两个晶轴镜面对称，交叉极化响应被极大地压制。而为了获得最大效率，我们只需关注主极化波的透射率和传输相位即可，使同极化透射率模值相等且足够大，相位相差180°。基于此原理，我们利用电磁仿真软件进行优化。具体地，优化后的单元参数：单元周期p＝6.8mm，l1＝2.2mm，l2＝1.5mm，l3＝0.8mm，r1＝5.6mm，α＝45°，介质板采用厚度为h＝1.5mm，介电常数为2.65的F4B聚四氟乙烯玻璃布板。为了验证单元传输特性，采用CST软件对单元进行了电磁仿真，仿真设置如图3(b)所示，边界条件设置为周期边界，由z向入射的电磁波进行激励。
图4给出了单元在线极化波照射下的传输特性。图4(a)中单元旋转角度为0，关于正交晶轴y、x镜面对称，此时单元符合设计方案(1)，即单元沿着两个晶轴方向的透射相位差180度，单元结构关于晶轴镜面对称。图4(b)和图4(c)为单元的同极化透射率和传输相位，其中，Φx表示单元沿着x晶轴方向的透射相位，Φy表示单元沿着y晶轴方向的透射相位，Φx-Φy表示单元沿着x、y晶轴方向的透射相位差。在14GHz时单元的同极化透射率txx＝tyy＝0.90，传输相位相差180°，满足T1矩阵约束。
为说明满足T2矩阵约束条件的设计方法，我们将单元旋转45°，具体如图4(d)所示。此时单元关于晶轴反演对称，两个正交晶轴的信息可以相互转化，此时传输矩阵必然满足关系txx＝tyy以及txy＝tyx。而欲获得高效的控制效果就需要通过优化参数来尽量压制主极化分量以及提升交叉极化分量。可以看出，以T2矩阵为约束条件的设计方法相对于以T1矩阵为约束条件的设计方法而言，其只需要关注交叉极化转换效率即可。图4(e)为旋转45°时，单元的交叉极化透射率达到了0.91，满足矩阵T2约束，且传输效率足够高。由此可知，我们设计的该型单元满足PB要求，且透射效率足够高，可以用来设计高效的超构表面器件。
为了验证前面所述理论的正确性，图5给出了单元在右旋圆极化波照射下的透射率和透射相移。从图5(a)可以看出该单元在不同旋转角度下，在14GHz处交叉极化透射率均能保持在0.91左右，透射率稳定。图5(b)表示在不同旋转角度下，单元传输相位曲线平行性保持良好，并且单元旋转角度变化单元传输相位变化符合PB理论。
因此设计的单层PB单元具有较高的透射效率，相位传输范围涵盖了0～360°，具有很好的波前操控能力，可以进行透射型涡旋光超构表面的设计。
步骤103，根据涡旋光产生器的功能需求，设计并求解涡旋光超构表面相位分布，并将所述单层PB单元按照所述相位分布进行延拓，得到超构表面。
透射型涡旋光产生器由超构表面和馈源两部分组成。超构表面部分是由PB单元构成的二维平面，通过合理排布和旋转PB单元来实现对入射波的相位补偿，从而将入射的球面波转化为涡旋波。馈源部分采用圆极化贴片天线，该馈源口径小，结构简单，辐射特性稳定，可以满足涡旋光产生器馈源部分的电磁辐射要求。圆极化贴片天线辐射场为类球面波，将类球面波转化为涡旋波，需要将聚焦型相位和涡旋型相位结合。其中聚焦型相位分布可以表示为：
其中，m和n分别表示x和y轴方向的单元次序，p表示单元周期，k0为传播常数，F0为聚焦表面的焦距，u和v分别表示x和y轴的单元次序，为参考相位，其相位分布如图6(a)所示。
涡旋型相位分布
其中，l表示涡旋光的拓扑荷数，这里取l＝1，其相位分布如图6(b)所示。
总的涡旋光产生器的相位分布为：
总相位分布如图6(c)所示。
由此得到综合了聚焦和涡旋功能的相位分布，该超构表面可以将圆极化球面波波转化为涡旋波。根据PB理论，补偿相位是单元旋转角度的2倍，可得每个PB单元的旋转角度为：
根据式(16)可以设计出超构表面，将PB单元按照设计的相位分布进行二维沿拓，即得到可以将球面波转换成涡旋波的透射型超构表面。
步骤104，将圆极化天线固定于焦点处作为馈源，所述馈源和所述超构表面共同构成透射型涡旋光产生器，该透射型涡旋光产生使出射波携带涡旋相位因子，从而可以把天线辐射的圆极化球面波转化成涡旋波。
最后选择合适的圆极化天线固定在焦点处作为馈源，超构表面与馈源共同构成了透射型涡旋光产生器，该透射型涡旋光产生使出射波携带涡旋相位因子，从而可以把天线辐射的圆极化球面波转化圆极化涡旋波。
根据设计需要，涡旋光产生器工作频率为14GHz，焦距设为40mm，超构表面尺寸为102mm×102mm。按照式(13)，(14)，(15)分别计算出涡旋光拓扑荷数为l＝1和l＝2的超构表面相位分布，如图7(a)，7(b)，相应的PB超构表面模型如图7(c)，7(d)。
为了验证涡旋光超构表面的性能，采用圆极化贴片天线作为馈源，将贴片天线放置在距离超构表面40mm处，贴片天线辐射的圆极化波沿z轴入射分别对以上两种涡旋光超构表面进行照射，利用CST仿真软件对系统进行仿真得到的结果如图8所示。
图8为涡旋光拓扑荷数l＝1和涡旋光拓扑荷数l＝2的涡旋超构表面在三维电磁场仿真软件CST中近场和远场仿真结果，其中，图8(a)为拓扑荷数l＝1时，近场Re(Ey)分布，图8(b)为拓扑荷数l＝2近场Re(Ey)分布。其中，Ey表示电场y方向分量，Re(Ey)表示电场y方向分量的实部。在拓扑荷数l＝1和l＝2的情况下，透射电场只有涡旋模式，涡旋臂轮廓清晰，中心位置的场强趋近于0，涡旋效果明显。在空间一周内，l＝1模式涡旋光的螺旋相位变化360°，l＝2模式涡旋光的螺旋相位变化720°。从远场图可以看出，拓扑荷数l＝1时三维远场分布的中心处呈现空心状，远场增益达到15dB，法向辐射方向增益为0.8dB，中心处波谷深度达到了-14.2dB。当拓扑荷数l＝2时，三维远场分布的主波束呈现多瓣的效果，中心处是空心状，远场增益达到12.3dB，法向辐射方向增益为1dB，法向辐射波谷深度达到了-11.3dB。
在本实施例的一些可选的实现方式中，对涡旋光产生器进行加工并测试。我们对图8(c)中拓扑荷数l＝1的涡旋光产生器进行了加工和组装，采用圆极化贴片天线进行照射，贴片天线与超构材料之间用长度为40mm的介质螺钉固定。在微波暗室中用对涡旋光产生器的远场进行测试如图9所示，图9(b)中分别对比了在xoz面同极化分量(co-pol)和交叉极化分量(cross-pol)的仿真和实测的二维远场结果，图中，sim表示仿真，mea表示实测，实试结果与仿真结果吻合良好。测试结果中主瓣电平达到了14.1dB，后瓣电平比主瓣电平低7.8dB，在辐射法向方向波谷深度达到了-14.2dB，涡旋光效果良好，主辐射方向上交叉极化比主极化低20.2dB。
为了验证近场特性，将涡旋光产生器与测试探头连接于矢量网络分析仪两端，测试探头通过步进电机在xoy面内进行二维近场扫描，扫描范围设置为160mm×160mm，扫描步长设为2mm，近场测试如图10(a)所示，提取测试电场的实部信息，得到近场Re(Ey)分布如图10(b)，可以看出近场测试与仿真结果吻合良好，具有清晰的涡旋臂。从图10(c)、10(d)可以看出，中心处存在相位奇点，且电场强度几乎为零，这也间接地验证了涡旋光产生器的高效性。
在本实施例的一些可选的实现方式中，提出涡旋光产生器工作效率的评价指标。馈源天线辐射的圆极化波经过超表面后，散射成四支电磁模式。分别为奇异透射，常规透射，奇异反射，常规反射。根据能量守恒定理，忽略板子自身吸收的能量，以上四种模式能量的和就是入射波的能量，其中构成涡旋光的是奇异透射部分，奇异透射部分占的比例越大，涡旋光产生器的工作效率就越高。因此将奇异透射模式的能量与入射波能量的比值定义为涡旋光产生器的效率η，即为：
其中，TLR代表奇异透射，|TLR|代表奇异透射的模值。TRR代表常规透射，|TRR|代表常规透射模值。
根据测试得到的涡旋光产生器的远场特性，分别积分透射和反射部分的电磁波强度，可以得到不同电磁波模式的能量，本例中涡旋光产生器的工作效率为78.3％。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (6)
1.基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，其特征在于，所述包括：
基于PB理论，结合透射系数矩阵提出单层高效透射PB单元结构的设计方案；
根据所述高效透射型PB单元的设计方案，设计单层PB单元；
根据涡旋光产生器的功能需求，设计并求解涡旋光超构表面相位分布，并将所述单层PB单元按照所述相位分布进行延拓，得到超构表面；
将圆极化天线固定于焦点处作为馈源，所述馈源和所述超构表面共同构成透射型涡旋光产生器，该透射型涡旋光产生使出射波携带涡旋相位因子，从而可以把天线辐射的圆极化球面波转化为涡旋波。
2.根据权利要求1所述的基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，其特征在于，所述基于PB理论，结合透射系数矩阵提出单层高效透射PB单元结构的设计方案，包括：
对PB理论进行推导，结合透射系数矩阵确定透射单元的传输矩阵属于的空间及所述空间的基T1与T2；
确定传输矩阵应满足的T1约束条件和T2约束条件；
设计满足所述T1约束条件的PB单元结构的设计方案：PB单元结构满足关于晶轴镜面对称；
设计满足所述T2约束条件的PB单元结构的设计方案：PB单元结构满足恒同对称或中心反演对称。
3.根据权利要求2所述的基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，其特征在于，满足所述T1约束条件的单层PB单元为：采用的介质板为介电常数为2.65的聚四氟乙烯，上下底面均刻蚀了相同的金属结构，外圈为一个金属谐振环，中间一个“工”字型环结构，旁边伴随有横置的“T”形谐振臂，谐振臂与外圈金属谐振环相连，该PB单元结构关于两个晶轴镜面对称。
4.根据权利要求3所述的基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，其特征在于，满足所述T2约束条件的单层PB单元：将满足所述T1矩阵约束条件的单层PB单元旋转45°，此时单层PB单元结构关于晶轴反演对称。
5.根据权利要求1所述的基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：
对涡旋光产生器进行加工并测试。
6.根据权利要求1所述的基于PB结构的高效透射型涡旋光产生器的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：
提出涡旋光产生器工作效率的评价指标。
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