CN111525270B - 一种反射型极化转换超表面的轨道角动量产生结构设计 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子材料通信技术领域，特别涉及一种反射型极化转换超表面的轨道角动量产生结构设计。本发明在能实现极化转换的反射型单元基础上实现，利用基本单元的极化特性在优化幅值和相位需求的过程中，只需得到n/2个基本单元，再作镜像对称即可得到n个所需的基本结构，减小了设计难度。通过调节基本单元结构的几何参数可以实现幅值和相位差的需求，进而减小设计和优化难度，同时制作工艺简单，成本较低，使其大批量、标准化生产成为可能。实现的产生OAM的超表面结构具有超薄，高效，结构简单等特点。

Description

一种反射型极化转换超表面的轨道角动量产生结构设计
技术领域
本发明属于电子材料通信技术领域，特别涉及一种反射型极化转换超表面的轨道角动量产生结构设计。
背景技术
随着通信技术的快速发展，宽频带、高速率一直是未来无线通信领域人们追求的方向。纵观通信发展历史，信道容量拥挤和频谱利用率低是阻碍无线通信发展的主要问题。由于移动互联网业务迅速增长，导致无线频谱非常拥挤，而携带轨道角动量(OrbitalAngular Momentum:OAM)的电磁波的“态分复用”通信，是一种全新的物理机制，有可能从一个新维度来提高频谱效率，实现同一频带承载更大的传输容量。由于同一频率的电磁波拥有无穷多种模式，可使通信系统的传输能力得到较大程度的扩展，使得涡旋电磁波在通信中具有频谱利用率高、抗干扰的特点。
轨道角动量表示电子围绕传输轴旋转，由能量流围绕光轴旋转而产生，它使电磁波的相位波前呈涡旋状，因此，携带有OAM的电磁波被称为涡旋电磁波，涡旋波束具有相位奇点，且波束中心振幅为零，其轨道角动量大小与其拓扑荷值有关。其广泛的应用前景使得涡旋波束成为当前的研究热点。对于不同拓扑荷值的波束，其与旋转方位角
Figure BDA0002369592480000011
有关的相位因子
Figure BDA0002369592480000012
决定了波束在传播过程中围绕相位奇点表现出螺旋型相位波前的特性，而携带轨道角动量是涡旋波束最重要的特征。可以根据拓扑荷值的不同，得到不同的波前相位，对应不同的相互正交的涡旋波模式，呈现出不同于频率、极化等的新自由度。如今，OAM已经在光学领域得到了广泛的研究。通过引入OAM，光学通信系统的传输能力得到了改善和扩展。最近的研究表明，携带有OAM的涡旋波也可以用于射频领域，进而使得OAM在无线电中的应用逐渐成为研究的热点，而找到能在射频领域中产生OAM的涡旋波束的有效方法是非常重要的。
目前为止，生成OAM涡旋波束的具体方法有螺旋反射器、天线阵列、全息衍射光栅和螺旋相位板。其中，螺旋反射器和天线阵列主要针对低频操作。全息衍射光栅和螺旋相位板主要应用于光学并且主要用于较高的频率。而对于螺旋反射器来说，其弯曲的表面增加了制造难度；对于阵列天线，由于其复杂的波束形成器和许多高成本的放大器模块，造价非常昂贵。而近来利用超表面在微波毫米波频率下产生携带OAM的涡旋波束成为研究热点。超表面具有超薄的平面结构和亚波长的周期单元，且具有极强的操控电磁波幅值和相位的能力，而采用印刷电路板蚀刻工艺可以很容易地制造超表面。同时，超表面没有复杂的外部馈电网络，具有重量轻、低剖面、制造成本低、易于装配等优点。然而，目前利用超表面探索OAM的相关性质的研究主要集中在透射型结构的设计中，缺少反射型超表面的研究，尤其是利用具有反射型极化转换特性的超表面基本单元来实现OAM的产生还未报道。
发明内容
针对目前研究中存在的问题或不足，本发明结合电磁波极化转换结构的幅值和相位特性，通过对幅值和相位的调控，提供了一种能够实现OAM产生的超表面设计方法。基于该方法设计的基本单元结构能够在大于55％的带宽范围内保持平均交叉极化转换效率在70％以上，而且能够实现360°的相位梯度变化。通过补偿相位公式的理论推导，以及对极化转换基本单元的设计，采用球面波作为场源，设计出在12GHz工作频率下能产生OAM涡旋波束的反射型超表面。采用MATLAB进行理论计算，并通过全波仿真对所提出的方案进行仿真设计，最后对产生OAM的超表面结构进行实验验证，得到了与理论相符合的结果。
本发明的技术方案如下：
一种反射型极化转换轨道角动量产生超表面的结构设计，包括以下步骤：
步骤1：设计出具有反射极化转换特性的基本单元结构，使其能够实现高效的极化转换效率，从下至上依次包括底部金属层、中间介质层和顶部金属图案层；
首先根据产生轨道角动量OAM对基本单元结构的幅值和相位的要求，优化结构的尺寸参数，选择n/2个基本单元结构，n为偶数，使其极化转换的平均幅值至少大于70％且能够实现180°的相差；
所述基本单元结构的底部金属层和中间介质层具有相同的周期尺寸，顶部金属图案层为轴对称的环形结构，以环形结构的对称轴与入射电场的极化方向轴之间的夹角为45°或135°设置，并对环形结构开口并使得开口后的环形结构依然关于该对称轴对称，结构中的尺寸参数均处于亚波长范围；
所述底部金属层和顶部金属图案层的金属由反射率≥90％的金属材料构成，中间介质层由介电常数为2.2-2.65的低损耗材料构成；
步骤2：把步骤1设计的n/2个基本单元结构以入射电场的极化方向为对称轴镜像翻转，得到另外n/2个基本单元结构；
步骤3：根据步骤2得到的n个实现反射型极化转换特性的基本单元结构，使这n个基本单元能够实现360°的相差，且相邻单元间的相位梯度满足360°/n或-360°/n的关系；
根据自由空间的赫姆霍兹方程推导出沿电磁波传输方向传播的涡旋波的电场表达式，其中涡旋波束相位作为超表面的输出相位，得到输出相位公式；
然后根据入射场源得到超表面的输入相位，进而得到每个基本单元结构需要提供的补偿相位；
步骤4：根据补偿相位公式利用MATLAB程序设计，建立基本单元结构相位和补偿相位之间的关联，得到输出相位、输入相位和整个超表面需要提供的补偿相位形式，进而得到产生OAM的超表面所有基本结构单元的排列规则，从而对所有基本结构单元进行排布得到反射型极化转换轨道角动量产生超表面，且OAM所需的总相差为360°。
进一步的，所述反射型极化转换轨道角动量产生超表面的整体尺寸大于10倍的工作波长，且球面波源与超表面之间的距离大于等于10倍的工作波长。
本发明实现的产生OAM的超表面结构具有超薄，高效，结构简单等特点，且是在能实现极化转换的反射型单元基础上实现，利用基本单元的极化特性在优化幅值和相位需求的过程中，只需得到n/2个基本单元，再作镜像对称即可得到n个所需的基本结构，减小了设计难度。通过调节基本单元结构的几何参数可以实现幅值和相位差的需求，进而减小设计和优化难度，同时制作工艺简单，成本较低，使其大批量、标准化生产成为可能。
附图说明
图1为实施例的基本单元结构示意图；
图2为实施例的8个基本单元结构示意图；
图3为实施例的实现OAM产生的MATLAB中计算得到的超表面的输入和输出以及补偿相位分布；
图4为实施例的实现OAM产生的CST中仿真设计的超表面结构；
图5为实施例仿真的产生OAM的幅值结果：左右两幅图分别为距离Z轴600mm和800mm位置处的xoy平面的幅值结果；
图6为实施例仿真的产生OAM的相位结果：左右两幅图分别为距离Z轴600mm和800mm位置处的xoy平面的相位结果；
图7为实施例通过印制电路板工艺制备的产生OAM的测试样品；
图8为实施例实测的产生OAM的幅值结果：左右两幅图分别为距离Z轴600mm和800mm位置处的xoy平面的幅值结果；
图9为实施例实测的产生OAM的相位结果：左右两幅图分别为距离Z轴600mm和800mm位置处的xoy平面的相位结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例1
本实施例中：n＝8，底部金属层和介质层的长宽均为10mm，介质层的厚度为3mm；底部金属层和顶部金属图案层均由电导率为5.8×107S/m的金属铜构成，介质层由介电常数2.65、损耗0.0002的Teflon构成，结构的整体尺寸为12λ0*12λ0。
一种反射型极化转换轨道角动量产生超表面的结构设计，包括以下步骤：
步骤1：根据极化转换基本原理首先设计具有极化特性的初始单元，在CST中对极化单元结构建模仿真并进行优化。其中基本单元结构包括底部金属层1，中间介质层2、顶部金属图案层3，其中底部金属层1和中间介质层2具有相同的周期尺寸，在图案层3的中心对称开缝形成环形结构，保持图案的对称轴与入射电场极化方向夹角为45°，金属层1和介质层2的长宽均为10mm，介质层的厚度为3mm，金属图案层3的内环长度为3mm，内外环的宽度分别为5mm和6mm，如附图中1所示，外环的长度和开口的宽度为优化的变量；
步骤2：根据实现OAM所需的幅值和相位要求，在CST的优化过程中选用外环的长度和开口的宽度为优化变量，首先优化得到能够实现180°或-180°相位差的n/2个基本单元(n为偶数，本实施例中n＝8)，使其平均极化转换效率至少达到70％。然后以入射电场的极化方向所在坐标轴进行镜像翻转，得到另外n/2个极化结构基本单元，从而得到产生OAM所需的360°相差的n个基本结构。
根据这一原则优化得到8个基本单元的外环的长度和开口的宽度分别为：3.6mm，0.8mm；7.8mm，0.2mm；5.0mm，0.2mm；4.4mm，1.0mm；3.6mm，0.8mm；7.8mm，0.2mm；5.0mm，0.2mm；4.4mm，1.0mm；这8个基本单元幅值基本相等，相邻单元间的相位差的为-45°；
步骤3：根据产生OAM的涡旋波束的基本原理，利用涡旋波的输出相位与球面波的输入相位进行减法运算得到超表面需要提供的补偿相位，根据这一关系在MATLAB中进行程序设计，建立超表面需要提供的补偿相位和基本单元相位之间的关联，以大于10倍的工作波长所对应的结构尺寸设计得到超表面结构，本发明中结构的整体尺寸为300mm*300mm(12λ0*12λ0)，进而得到输出相位，输入相位和补偿相位的分布形式；
步骤4：在CST中建模仿真：根据MATLAB得到的超表面的补偿相位程序在CST中进行宏建模，确定仿真工作频点为12GHz，选择球面波作为场源进行仿真计算，球面波源与超表面之间的距离大于等于10倍的工作波长，本发明中距离设置为250mm，接着对物理电场的幅值和相位进行分析；
步骤5：通过PCB印刷电路板工艺制备样品，并在微波暗室中完成测试，分析仿真结果与测试结果的误差；得到的仿真测试对比(图5，6和图8，9)可知电场幅值差别不大，相位的旋向也基本一致，很好的达到了预期的效果，验证了该结构的可行性；
综上所述，本发明在反射型极化转换基本单元的基础上进行产生OAM超表面的结构设计，可以较好的应用在微波通信信道容量的拓展方向。

Claims (3)

1.一种反射型极化转换轨道角动量产生超表面的结构设计，包括以下步骤：
步骤1：设计出具有反射型极化转换特性的基本单元结构，使其能够实现高效的极化转换效率，从下至上依次包括底部金属层、中间介质层和顶部金属图案层；
首先根据产生轨道角动量对基本单元结构的幅值和相位的要求，外环的长度和开口的宽度为优化的变量优化结构的尺寸参数，选择n/2个基本单元结构，n为偶数，使其极化转换的平均幅值至少大于70%且能够实现180°的相差；
所述基本单元结构的底部金属层和中间介质层具有相同的周期尺寸，顶部金属图案层为轴对称的环形结构，以环形结构的对称轴与入射电场的极化方向轴之间的夹角为45°或135°设置，并对环形结构开口并使得开口后的环形结构依然关于该对称轴对称，结构中的尺寸参数均处于亚波长范围；
所述底部金属层和顶部金属图案层的金属由反射率≥90%的金属材料构成，中间介质层由介电常数为2.2-2.65的低损耗材料构成；
步骤2：把步骤1设计的n/2个基本单元结构以入射电场的极化方向为对称轴镜像翻转，得到另外n/2个基本单元结构；
步骤3：根据步骤2得到的n个实现反射型极化转换特性的基本单元结构，使这n个基本单元能够实现360°的相差，且相邻单元间的相位梯度满足360°/n或-360°/n的关系；
根据自由空间的赫姆霍兹方程推导出沿电磁波传输方向传播的涡旋波的电场表达式，其中涡旋波束相位作为超表面的输出相位，得到输出相位公式；
然后根据入射场源得到超表面的输入相位，进而得到每个基本单元结构需要提供的补偿相位；
步骤4：根据补偿相位公式利用MATLAB程序设计，建立基本单元结构相位和补偿相位之间的关联，得到输出相位、输入相位和整个超表面需要提供的补偿相位形式，进而得到产生OAM的超表面所有基本结构单元的排列规则，从而对所有基本结构单元进行排布得到反射型极化转换轨道角动量产生超表面。
2.如权利要求1所述反射型极化转换轨道角动量产生超表面的结构设计，其特征在于：所述n=8，底部金属层和介质层的长宽均为10mm，介质层的厚度为3mm；底部金属层和顶部金属图案层均由电导率为5.8×107 S/m的金属铜构成，介质层由介电常数2.65、损耗0.0002的Teflon构成。
3.如权利要求1所述反射型极化转换轨道角动量产生超表面的结构设计，其特征在于：所述反射型极化转换轨道角动量产生超表面的整体尺寸大于10倍的工作波长，且球面波源与超表面之间的距离大于等于10倍的工作波长。
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