CN109193168A - 一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵及其设计方法 - Google Patents

一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵，由电磁各向异性的单元结构组成，单元结构包括上层金属图案层、中层介质层及下层金属背板层。上层金属图案层采用正交的工字形结构。本发明还公开了此种超材料反射阵的设计方法。调整工字形结构的水平臂长，可以有效控制水平极化波的反射相位，而不会对垂直极化波相位产生影响，调控工字形结构的垂直臂长，可以有效控制垂直极化波的反射相位，不会对水平极化波产生影响。该超材料反射阵可对每个波束的极化状态、涡旋拓扑荷数、传播方向进行独立设计和调控，可以降低传统涡旋多波束器件的成本，促进多功能化涡旋多波束器件的发展。

Description

一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵及其设计方法
技术领域
本发明属于轨道角动量、无线通信和新型人工电磁材料领域，具体涉及一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵及其设计方法。
背景技术
随着时代的发展，新媒体、新技术层出不穷，网络直播、视频通话、无人驾驶、物联网，对通信的容量、响应速度、时延等方面提出了更高的要求。特别是频谱这一有限资源在高速发展的需求下，显得愈发紧张，如何提高频谱的利用率再次成为通信技术面临的重要挑战。近些年，轨道角动量电磁涡旋(Orbital Angular Momentum，OAM)技术出现和发展，让人们看到了新的曙光。1992年，Allen等人发现在近轴传播条件下，光束的相位因子exp(-ilφ)具有确定的轨道角动量的特性，其中l是拓扑荷数，是普朗克常数，φ是方位角。OAM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。通过这种方式，人们在同一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。轨道角动量技术除了可以有效地增大信道的信息容量外，其在信息编码中的应用也使得被编码的信息保密性更强，传输的过程更安全。在光波段，OAM光束在操控光子自旋霍尔效应、光学成像、量子纠缠、信息存储及生物医学等领域中也具有新颖的应用。
由于OAM的独特新颖的性质，OAM的应用越来越广泛，OAM波束的产生和调控方法也引起研究者们极大的兴趣。轨道角动量的产生方法主要有螺旋相位板法、计算全息法、天线阵列法和螺旋反射面法等方法。前两种方法源自光学，主要用于较高的频率，后两种方法用于较低频率。螺旋相位板法的设计思想是波束透过不同高度的相位板表面时，为反射波添加不同的相位因子，进而形成电磁涡旋多波束，由于螺旋梯度制作精度的限制，很难得到高质量的OAM光束；计算全息法利用计算机制作能够干涉得到涡旋多波束的相位全息图，当波束照在相位全息图上时，通过波的干涉产生涡旋多波束束，然而全息图的制作很复杂，不利于OAM实际应用；天线阵列法的不同天线单元对于输入的相同信号会产生360°梯度相位差，将这些单元沿轴线进行扇形分布，从而形成涡旋多波束束，若对这些单元进行一些特定方式的排布，还可得到不同模式的轨道角动量波束，该方法通过引入大量移相器，T/R组件，导致系统结构过于复杂，应用和维护成本过高，无法大规模推广。
随着新型电磁功能材料的出现，超材料以其特异的电磁特性已经成为人们研究的热点，超材料的出现为OAM波束的产生与调控提供了新的契机。超材料通过将精心设计的结构单元进行周期性或者非周期性的排布可以实现许多自然界材料所无法实现的电磁特性，例如逆切伦科夫、逆多普勒现象、负折射率、超光速、超分辨率等。不同于传统材料，超材料设计往往不会受到材料体系的制约，具有极高的灵活性，可以通过基体材料的选择以及结构单元的设计，在同一结构中同时实现多种电磁功能。这里，我们利用超材料反射阵实现OAM多波束产生，及OAM多波束极化状态的调控。此工作可以降低传统OAM器件的成本，同时促进多功能化OAM器件的发展，该超材料将在OAM微波通信领域具有极高的应用前景。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有的OAM器件引入大量移相器，T/R组件，导致系统结构过于复杂，应用和维护成本过高，无法大规模推广的问题。
技术方案：本发明公开了一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵，包括电磁各向异性单元，所述电磁各向异性单元从上至下依次包括金属图案层、介质层和金属背板层，所述金属图案层为正交的工字形结构。
本发明还公开了一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据涡旋多波束的工作频率，仿真满足工作频段的电磁各向异性单元的结构尺寸；
步骤2：每个波束对应的相位分布主要由与涡旋拓扑荷数相关的涡旋相位、辐射方向相关的出射相位、与极化相关的水平极化与垂直极化波相位差、与入射波相关的补偿相位组成；
一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵及其设计方法，在与该设计基于各向异性单元，单元对于水平极化(x极化)和垂直极化(y极化)的反射波相位可以进行独立设计和调控。对于第i个波束而言，在任意阵元(m,n)处，水平极化、垂直极化的相位分布为：
其中下标i代表第i个波束，代表第i个波束对x极化的初始相位，lx(i)，ly(i)代表x，y极化的拓扑荷数，代表阵元(m,n)相对阵面中心o的方位角，k0代表自由空间的波束，与代表阵元(m,n),馈源相对阵面中心的位置矢量，代表第i个波束的出射方向，Δφ0(i)代表垂直极化与水平极化波初始相位差。
步骤3：通过调控水平极化反射波、垂直极化反射波的相位差Δφ0(i)，可控制每个涡旋波束的极化状态；
步骤4：每个涡旋波束对应的拓扑荷数主要由相位决定。
步骤5：每个涡旋波束的出射方向由相位决定。
步骤6：根据每个波束的极化状态、出射方向、涡旋波的拓扑荷数(模式)结合相应入射波相位信息，可以确定阵元(m,n)的水平极化相位分布垂直极化相位分布
步骤7：基于天线远场方向图叠加原理，在同一阵元处对多个波束进行相位叠加，可以获得最终涡旋多波束反射阵任意阵元(m,n)的相位分布，阵元的水平极化波相位垂直极化波相位分布为：
其中阵面可以产生k个涡旋波束，k为正整数。
步骤8：本设计中以点源激励条件，公式(1-4)中出现对点源的相位补偿为对于平面波垂直机理情形下，可以将点源补偿部分设置为0。
步骤9：根据涡旋多波束反射阵的水平、垂直极化波的相位分布，确定电磁各向异性单元的结构尺寸，并按相位分布状况进行排布，得到超材料反射阵。
步骤1中的电磁各向异性单元在工作频段内相位线性变化，反射波幅度趋于1。
调整各向异性单元的金属图案层的水平臂长，能控制水平极化波的反射相位，调控金属图案层的垂直臂长，能控制垂直极化波的反射相位。
每个涡旋波束对应的极化状态、涡旋拓扑荷数、出射方向等三个参数均可以独立设计，且不同波束的三个参数也是独立的。
有益效果：本发明与现有技术相比：本发明的超材料反射阵不仅能够有效地产生涡旋多波束，同时实现对涡旋多波束的极化状态、拓扑荷数和出射方向调控，该超材料反射阵可以降低传统涡旋多波束器件的成本，促进多功能化涡旋多波束器件的发展，所设计的超材料将在未来轨道角动量微波通信领域具有极高的应用前景。
附图说明
图1是极化可控的涡旋多波束超材料反射阵设计原理图；
图2是各向异性超材料单元上层金属结构正视图；
图3是各向异性超材料单元结构侧视图；
图4为本发明设计的工字型结构水平臂长lx对应单元的x极化，y极化的反射幅度分布；
图5为本发明设计的工字型结构水平臂长lx对应单元的x极化，y极化的反射相位分布；
图6为本发明设计双涡旋波束的阵面相位设计流程，波束一为右旋圆极化OAM波束，波束二为左旋圆极化OAM波束；
图7为双涡旋波束的近场相位分布；
图8为本发明设计三涡旋波束的阵面相位设计流程，波束一为-45°极化(极化方向沿着u方向)OAM波束，波束二为右旋圆极化OAM波束，波束三为左旋圆极化OAM波束；
图9为三涡旋波束的近场相位分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步地说明。
一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵，由电磁各向异性单元结构组成。各向异性单元结构包括上层的金属图案层、中层介质基板和底层为金属背板，其中上层金属图案层结构如图2所示，由2个正交的工字型构成，该金属图案层位于介质基体上方，底层金属背板位于介质基体下方，金属图案层与金属背板均有导电优良的材料如铜、银等结构组成，介质基板可以为FR-4、F4b、PMI、有机玻璃、聚酰亚胺、PET、PDMS等材料。金属图案层、介质基板、金属背板三层直接的位置关系如图3所示。
极化可控的涡旋多波束超材料反射阵利用各向异性单元结构，分别对水平极化波(x极化波)，垂直极化波(y极化波)的相位分布进行独立调控和设计。调控水平工字形的臂长lx,不同极化的反射波幅度分布如图4所示，不同极化的反射波相位分布如图5所示。由图4可以看出，水平臂长lx从2mm变化到5mm,x极化、y极化的反射幅度均在0.95以上，表明单元具有低损耗特性，可以实现电磁波的高效调制。同时从图5可以看出，水平极化(x极化)反射波的相位可以通过改变臂长lx实现调控，单元的反射相位在较宽的频带内线性变化，相位变化范围应尽可能满足360°，这里相位变化在270°。同时，从图5中可以看出，臂长lx的改变几乎不会影响垂直极化(y极化)波。这表明改变臂长lx，可以单独对水平极化波相位调控，并不会影响垂直极化波(y极化波)。由于单元结构的对称性，通过改变垂直臂长ly的长度可以对y极化波相位调控。基于单元结构的电磁各向异性，意味着通过控制臂长ly(lx)，可以分别对y极化(x极化)波相位调控。
为了实现轨道角动量波束极化的调控，应分别对x极化波，y极化波相位设计。根据远场方向图叠加原理，可以计算出相应的相位补偿信息。在平面波入射情况，假定入射波的极化沿着45°方向，如图1所示的v方向，垂直入射到超材料反射阵表面，入射电磁波可以分解为具有相同强度和相位的水平极化波、垂直极化波。此时，为了产生轨道角动量波束，应该在对x极化波相位补偿OAM相位。OAM相位在与传播方向垂直的截面内呈螺旋分布，因此OAM波束也被称为涡旋波束。轨道角动量拓扑荷数的正负决定OAM涡旋的方向，OAM拓扑荷数的大小决定相位沿着周向变化的快慢。当水平极化波、垂直极化波具有相同的OAM拓扑荷数时，通过调控水平极化波与垂直极化波初始补偿相位实现对OAM极化调控。当x极化波与y极化波初始相位差为0°，90°，180°，270°时，对应的OAM反射波极化分别为v极化、右旋圆极化(RCP)、与入射波极化垂直的线极化、左旋圆极化(LCP)。当45°极化的点源入射到超材料反射阵时，这里近似把入射波当作球面波，此时还应考虑点源的相位补偿。
为了实现涡旋多波束，首先应确定每个涡旋波束的辐射相关的参数，包含极化状态、出射方向、拓扑荷数，这些参数都是相互独立的，理论上可以任意设计。根据天线远场方向图叠加原理，可以获取最终的多波束在阵元在x极化、与y极化的相位分布。为了具体说明此现象，我们通过以工作中心频率为15GHz，点源入射情形下，两个实施例说明该设计理念。
实施例一
该实施例为了实现涡旋双波束超材料反射阵设计，该反射阵可以实现两个涡旋波束，两个波束具有不同的极化状态、不同的拓扑荷数、不同的指向。其中波束一为右旋极化，-1阶，以阵面中心为坐标原点，出射波束方位角为45°，仰角为35°；波束二为左旋极化，1阶，以阵面中心为坐标原点，出射波束方位角为225°，仰角为35°。为了实现上述功能，波束一水平极化(x极化)相位分布与垂直极化(y极化)相位分布相差90°；波束二水平极化(x极化)相位分布与垂直极化(y极化)相位分布相差270°。最后利用天线阵远场方向图叠加，可以得到涡旋双波束反射阵在水平与垂直极化的相位分布。波束一、波束二、双波束的相位分布状况、方向图如图6所示，从图6中可以看出双波束远场方向图由波束一、波束二叠加形成。为了进一步验证涡旋相位分布效果，图7给出了双波束在对应波束一主瓣方向RCP的相位分布、波束二主瓣方向LCP的近场相位分布，可以看出波束一与波束二的相位螺旋方向相反，表明波束一，波束二拓扑荷数符号相反，波束一的拓扑荷数为-1阶，波束二的拓扑荷数为1阶。
实施例二
该实施例为了实现涡旋三波束超材料反射阵设计，该反射阵可以实现三个涡旋波束，三个波束具有不同的极化状态、不同的拓扑荷数、不同的指向。其中波束一为-45°(u极化)极化，-1阶，以阵面中心为坐标原点，出射波束方位角为0°，仰角为30°；波束二为右旋极化，1阶，以阵面中心为坐标原点，出射波束方位角为120°，仰角为30°；波束三为左旋极化，1阶，以阵面中心为坐标原点，出射波束方位角为240°，仰角为30°。为了实现上述功能，波束一水平极化(x极化)相位分布与垂直极化(y极化)相位分布相差180°；波束二水平极化(x极化)相位分布与垂直极化(y极化)相位分布相差90°；波束三水平极化(x极化)相位分布与垂直极化(y极化)相位分布相差270°。最后利用天线阵远场方向图叠加，可以得到涡旋三波束反射阵在水平与垂直极化的相位分布。波束一、波束二、波束三、三波束的相位分布状况、方向图如图8所示，从图8中可以看出三波束远场方向图由波束一、波束二、波束三叠加形成。为了进一步验证涡旋相位分布效果，图9给出了三波束在对应波束一主瓣方向交叉极化的相位分布、波束二主瓣方向RCP的近场相位分布，波束三在主瓣方向LCP的近场相位分布，可以看出相位绕着中心奇点呈螺旋分布，表明反射阵可以产生预期的涡旋波束。其中波束一与波束二，波束三的相位螺旋方向相反，表明波束一拓扑荷数为-1阶，波束二与波束三的拓扑荷数为1阶。结果表明涡旋三波束超材料反射阵达到预期的极化状态、拓扑荷数、出射方向。
受限与反射阵口径的限制，本实例中给出了涡旋两波束、三波束设计，实际上该设计方法适用于更多数目的涡旋波束设计。在反射阵口径面足够大的情况下，可以实现足够数目多的涡旋波束，且每个波束的极化状态、拓扑荷数、出射方向均可以任意设计。
如图2、3所示，令单元结构的周期为p，上层为两个正交的工字形金属图案，工字形线宽为w，工字形短臂长度为a，水平方向工字形、垂直方向工字形的臂长分别为lx,ly。中间层介质基板的厚度为h，下层为金属背板。下层金属背板与上层金属图案厚度均为t。根据反射阵的工作频率范围，对各向异性单元结构的几何尺寸优化。在本实施例中，主要针对15GHz轨道角动量多波束生成与极化控制研究，因此优化的各参数具体设置如下：p＝6mm，h＝2mm，w＝0.2mm，a＝1.8mm，t＝0.018mm。上述极化可控OAM超材料反射阵，可在14-16GHz宽频范围内生成OAM波束，同时实现对波束极化状态调控与设计。

Claims (8)

1.一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵，其特征在于：包括电磁各向异性单元，所述电磁各向异性单元包括金属图案层、介质层和金属背板层，其中金属层位于顶部，介质层位于中间，金属背板位于底部，所述金属图案层为正交的工字形结构。
2.根据权利要求所述的极化可控的涡旋多波束超材料反射阵，其特征在于：所述金属图案层和金属背板层采用的金属为良导体金属。
3.根据权利要求所述的极化可控的涡旋多波束超材料反射阵，其特征在于：所述介质层采用的材料为FR-4、F4b、PMI、有机玻璃、聚酰亚胺、PET或PDMS。
4.根据权利要求改设计方法可以实现对每个波束的极化状态、拓扑荷数、传播方向独立设计和调控。
5.一种如权利要求4所述的极化可控的涡旋多波束超材料反射阵设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据涡旋多波束的工作频率，仿真满足工作频段的电磁各向异性单元的结构尺寸；
步骤2：通过调控水平极化反射波、垂直极化反射波的相位差，控制每个涡旋波束的极化方向；
步骤3：根据每个波束的极化状态、出射方向、涡旋波的拓扑荷数(模式)结合相应入射波相位信息，,确定每个阵元的相位分布；
步骤4：基于天线远场方向图叠加原理，在同一阵元处对多个波束进行相位叠加，可以获得最终涡旋多波束反射阵每个阵元的相位分布，每个阵元的相位分布包含水平极化波、垂直极化波相位分布；
步骤5：根据涡旋多波束反射阵的水平、垂直极化波的相位分布，确定电磁各向异性单元的结构尺寸，并根据相位分布状况进行排布，得到超材料反射阵。
6.根据权利要求5所述的极化可控的涡旋多波束超材料反射阵设计方法，其特征在于：所述步骤1中的电磁各向异性单元在工作频段内相位线性变化，反射波幅度趋于1。
7.根据权利要求5所述的极化可控的涡旋多波束超材料反射阵设计方法，其特征在于：所述的步骤5中，调整各向异性单元的金属图案层的水平臂长控制水平极化波的反射相位，调控金属图案层的垂直臂长控制垂直极化波的反射相位。
8.根据权利要求4所述的极化可控的涡旋多波束超材料反射阵设计方法，其特征在于：所述步骤3中，每个涡旋波束对应的极化状态、涡旋拓扑荷数、出射方向等三个参数均可以独立设计，且不同波束的三个参数也是独立的。
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