CN109301490A - 一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面 - Google Patents

一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面 Download PDF

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张磊
申佳琳
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Abstract

本发明公开了一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其基本单元由从上而下依次堆叠的一层金属棒结构、一层介质层以及一层金属背板组合而成。特殊的结构设计使单元具有各向异性，在x极化和y极化电磁波照射下呈现180度的反射相位差。若金属棒以自身的中心为原点，在超表面的水平面内旋转一定角度φ，圆极化入射波照射到单元上将会被反射为同旋性的圆极化波，且附加一个±2φ的几何相位变化。按预先设计的相位分布在二维平面上排列这些单元，在圆极化电磁波的照射下，该超表面能够在不同方向上生成四种不同模式的涡旋波束。本发明结构简单、易于加工、工作频带宽，可用于编码信息，利用模式复用提高信道容量。

Description

一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面。
背景技术
电磁超材料(Metamaterials)，亦称新型人工电磁材料，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。在过去的20年里，电磁超材料发展迅速，产生了很多有趣的物理现象和新型器件。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。近些年来，为了减少三维超材料的厚度及构造复杂性，单层平面结构的超表面(Metasurfaces)也广泛地用于调控电磁波。电磁超表面本质上是二维的电磁超材料，其厚度可以忽略不计，重量和体积都很大程度上缩减，造价低、损耗小，便于系统集成设计。
大多数超表面都是通过改变单元结构的尺寸参数来调节相位变化，一般来说都是谐振式的单元结构，带宽较窄，很难实现360度的相位覆盖。然而，几何相位的引入，极大的丰富了超表面的设计。几何相位，也叫Pancharatnam-Berry(PB)相位，最早在光学中被提出。基于几何相位的超表面通常是由一组结构相同的各项异性亚波长单元构成，每个单元都有特定的旋转角度，对于圆极化入射波会带来一个相应的几何相位，可用于调控圆极化波的相位波前。(Z.Bomzon,G.Biener,V.Kleiner,and E.Hasman,"Space-variantPancharatnam-Berry phase optical elements with computer-generatedsubwavelength gratings,"Optics Letters,vol.27,pp.1141-1143,Jul 12002.)
另一方面，随着无线通信技术的快速发展，由于有限的频谱资源，提高数据传输速率成为挑战。近些年来，有着螺旋相位波前并携带轨道角动量(英文orbital angularmomentum，简称OAM)的涡旋波束引起学者们的广泛关注。OAM不同模式间具有相互正交，可用于信道复用，能提高通信容量。迄今为止，已经有许多方法来生成携带OAM的涡旋波束，如螺旋相位板，亚波长光栅，圆形阵列天线，超表面和计算全息法。通常，这些方法都是生成单一的涡旋波束并且带宽较窄。
发明内容
发明目的：本发明目的在于解决传统超表面的带宽问题，在宽频带内同时产生多种模式的涡旋波束。通过设计各向异性的PB相位单元，利用口径场叠加法在四个不同的方向上生成OAM模式为1,2,3和4的涡旋波束。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其基本单元结构的特征在于：从上到下依次为金属棒层、微波介质层和金属背板层。
根据所对应的频段，选取对应的金属，本申请中频段对应选取铜，即采用铜棒和铜背板。
金属棒层以自身的中心旋转一定角度可以带来相应的几何相位变化；金属背板层保证了入射波能被完全反射回去，确保了反射效率；微波介质层起到了隔离两层金属层的作用，两层金属铜层分别印刷在介质板层的两侧。
进一步地，所述微波介质层为F4R微波介质板。
进一步地，所述的基本单元在x极化和y极化电磁波垂直照射下呈现出两种不同的反射相位，具有180°相位差，每个基本单元按照一定的旋转角度排列在二维平面上，构成最终的几何相位超表面。
进一步地，所述基本单元的带来的几何相位变化与上层金属棒的旋转角度具有2倍的线性关系。
进一步地，基本单元以各自的中心绕z轴旋转上层金属棒结构,可以实现360度相移。
进一步地，若金属棒以自身的中心为原点，在超表面的水平面内旋转一定角度φ，圆极化入射波照射到单元上将会被反射为同旋性的圆极化波，且附加一个±2φ的几何相位变化，其中，符号“+”和“-”分别表示右旋圆极化(RCP)和左旋圆极化(LCP)入射波。
进一步地，所述基本单元按照相应的相位分布排列在二维平面上，在LCP平面波的照射下，超表面在不同的方向上分别产生模式为1,2,3和4的涡旋波束。
进一步地，所述的超表面能在12-18GHz的宽频带内实现多模式涡旋波束的生成。
上述应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面在实际应用中十分广泛，单个的超表面可以生成多个携带不同OAM模式的涡旋波束，并且可以朝着预先设计的方向辐射。该设计可以用于多OAM模式复用，以及OAM模式检测。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：
1.本发明中的几何相位超表面，通过简单地旋转单元上层的金属棒，就可以对
圆极化入射波实现连续的相位变化，与通过改变单元的结构参数来调节相位
的传统超表面相比，这种几何相位的设计能够更加灵活地调控电磁波前。
2.本发明中的几何相位超表面，针对圆极化入射波，在反射方向上保持其极化
特性。
3.本发明中的几何相位超表面，与之前用于产生涡旋波束的方法相比，具有更
稳定的工作带宽。
4.本发明加工方便，易于实现。微波段的几何相位超表面的制作采用常规的印
刷电路板工艺即可。
附图说明
图1是几何相位超表面的基本构成单元的结构示意图；
图2是超材料单元在x极化和y极化电磁波垂直照射下的反射系数曲线；
图3是旋转单元上层金属棒，与y轴的夹角为φ的单元结构示意图；
图4是单元上层金属棒的旋转角度与不同圆极化反射相位之间的关系图；
图5是在不同方向携带不同OAM模式的涡旋波束的相位分布图；
图6是同时生产四个涡旋波束所需的总相位分布；
图7是几何相位超表面的结构图案；
图8是几何相位超表面在15GHz频点实现多模涡旋波束的三维远场仿真结果；
图9是几何相位超表面在15GHz频点实现多模涡旋波束的二维远场仿真结果；
图10是几何相位超表面在不同频率下实现多模涡旋波束的三维远场仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体阐述。
一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其基本单元结构的特征在于：从上到下依次为金属棒层、微波介质层和金属背板层。
根据所对应的频段，选取对应的金属，本申请中频段对应选取铜，即采用铜棒和铜背板，如果对应于其他频段，也可以选取金或铝等其他金属。
如图1所示，先建立直角坐标系，沿介质层的长度方向为x轴，沿介质层的宽度方向为y轴，沿介质层的高度方向为z轴。
金属棒层以自身的中心绕经过金属棒层中心的z轴旋转一定角度可以带来相应的几何相位变化，金属背板层保证了入射波能被完全反射回去，确保了反射效率；微波介质层起到了隔离两层金属层的作用，两层金属铜层分别印刷在介质板层的两侧。
所述微波介质层为F4R微波介质板。
几何相位单元在x极化和y极化电磁波垂直照射下呈现出两种不同的反射相位，具有180°相位差，每个基本单元按照一定的旋转角度排列在二维平面上，构成最终的几何相位超表面。
超表面单元的带来的几何相位变化与上层金属棒的旋转角度具有2倍的线性关系。基本单元以各自的中心绕z轴旋转上层金属棒结构,可以实现360度相移。若金属棒以自身中心为原点旋转后相对于y轴的旋转角为φ，圆极化入射波照射到单元上将会被反射为同旋性的圆极化波，且附加一个±2φ的几何相位变化。这里，符号“+”和“-”分别表示右旋圆极化(RCP)和左旋圆极化(LCP)入射波。
超表面单元按照相应的相位分布排列在二维平面上，在LCP平面波的照射下，超表面在不同的方向上分别产生模式为1,2,3和4的涡旋波束。
超表面能在12-18GHz的宽频带内实现多模式涡旋波束的生成。
超表面的总相位分布是基于口径场叠加法，是由每个不同OAM模式的涡旋波束所需的相位分布矢量叠加而得。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1展示了几何相位超表面的基本构成单元，金属棒作为偶极子谐振单元，印刷在背面全覆铜的F4R微波介质板上。单元周期p为6mm，介质板厚度h为2mm，其相对介电常数为4.4，损耗正切角为0.02。金属棒的宽度w为1.5mm，长度d为4.8mm。金属棒和金属背板层采用的金属为铜，厚度t均为0.018mm。
图2是超表面单元在不同极化电磁波出垂直照射下的反射系数仿真结果。从图中可以看出，对于x极化和y极化入射波，图1中单元的反射相位在一定频带范围内具有180°左右的相位差，在15GHz处达到180度相位差。此外，在x极化和y极化入射下的单元反射幅度较高，保证了超表面的工作效率。
图3展示了旋转单元上层金属棒，与y轴的夹角为φ的单元结构示意图。
图4展示了单元上层金属棒的旋转角度与不同圆极化反射相位之间的关系图。金属棒的旋转角度为φ，单元对于LCP和RCP入射波具有完全相反的±2φ相位响应。这里，符号“+”和“-”分别对应RCP和LCP入射波。
图5给出了在指定方向上产生不同OAM模式的涡旋波束所需要的相位分布。产生涡旋波束的简单方法是引入方位角内的旋转相位分布，在这个相位分布基础上叠加特定的梯度相位分布就能将垂直的涡旋波束偏折到特定的方向上。基于此原理，我们分别设计了偏折方向为φ＝45°,θ＝30°的一阶涡旋波束(l＝1)；偏折方向为φ＝135°,θ＝20°的二阶涡旋波束(l＝2)；偏折方向为φ＝225°,θ＝25°的三阶涡旋波束(l＝3)，以及偏折方向为φ＝315°,θ＝35°的四阶涡旋波束(l＝4)。在LCP平面波的激励下，每个模式涡旋波束所对应的相位分布如图5所示，标记为
图6给出了同时产生图5中四个涡旋波束，超表面所需的总相位分布根据口径场叠加生产多波束的方法，多模涡旋波束的设计可以将图5中不同模式涡旋波束的相位分布进行矢量叠加，即
图7是最终设计的几何相位超表面的结构图案。该超表面包含30×30个基本单元，整体尺寸为180mm×180mm。
图8展示了几何相位超表面在15GHz频点实现多模涡旋波束的三维远场仿真结果。在LCP入射波的照射下，该超表面可以在预设方向上产生对应模式的涡旋波束。左图时是三维远场幅度方向图，可以清楚地看到每个波束中心都有凹陷，这符合涡旋波束的特征。右图展示了不同波束的远场相位方向图，可以看出每个波束在方位面内都具有旋转的相位分布，2π相位重复的周期数正好对应该波束的OAM模式数。
图9展示了几何相位超表面在15GHz频点实现多模涡旋波束的二维远场仿真结果。从幅度分布图可以看出每个波束具有典型的环形分布，在波束中心处场强很小，这也与涡旋波束的轮廓一致。二维平面内的相位分布展示了绕方位面一圈的相位变化，2π，4π，6π和8π螺旋相位变化表明了所设计的四个波束分别具有OAM模式l＝1,2,3和4。每个涡旋波束的偏折方向也有预先设计的方向很好地吻合。
图10是几何相位超表面在不同频率下实现多模涡旋波束的三维远场仿真结果。图中分别显示了12GHz，14GHz，15GHz，16GHz和18GHz左旋圆极化波照射下，超表面的共极化(LCP)和交叉极化(RCP)远场分量，宽频带内的所有方向图都展示了涡旋波的特征。这些结果证实了本发明中设计的几何相位超表面可以在宽频带内生成多个不同OAM模式的涡旋波束，性能稳定，模式清晰。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。由于本发明设计思路清晰，应用前景广泛，携带具有不同OAM模式的宽频带涡旋波束可用于信道复用来编码信息，从而提高通信容量。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其特征在于：包括从上到下依次设置的金属棒(1)、介质层(2)以及金属背板(3)；金属棒(1)、介质层(2)以及金属背板(3)分别作为超表面的基本单元。
2.根据权利要求1所述的应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其特征在于：基本单元设置完成后形成各向异性的结构，在x极化和y极化电磁波垂直照射下分别呈现不同的反射相位，具有180°相位差。
3.根据权利要求1或2所述的应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其特征在于：所述基本单元的带来的几何相位变化与上层金属棒的旋转角度具有2倍的线性关系。
4.根据权利要求1或2所述的应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其特征在于：其基本单元以各自的中心为原点在水平面内旋转上层金属棒结构,可以实现360度相移。
5.根据权利要求1或2所述的应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其特征在于：若金属棒以自身的中心为原点，在超表面的水平面内旋转一定角度φ，圆极化入射波照射到单元上将会被反射为同旋性的圆极化波，且附加一个±2φ的几何相位变化，其中，符号“+”和“-”分别表示右旋圆极化和左旋圆极化入射波。
6.根据权利要求1或2所述的应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其特征在于：所述基本单元结构按照相应的相位分布排列在二维平面上，在左旋圆极化平面波的照射下，在不同的方向上分别产生模式为1,2,3和4的涡旋波束。
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