CN111525271B - 一种反射型极化转换轨道角动量汇聚超表面的结构设计 - 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轨道角动量汇聚超表面的结构设计。本发明首先,按照产生和汇聚OAM所需的幅值和相位条件选择n/2个基本单元结构,使其能够实现180°的相差;其次,沿入射电场极化轴翻转得到能实现‑180°相差的另外n/2个基本单元;然后在MATLAB中,根据输入相位、输出相位、汇聚因子以及补偿相位之间的关系,通过程序设计计算得到超表面的补偿相位分布;最后在CST中根据MATLAB计算得到的补偿相位数据进行宏建模,进而得到能够汇聚OAM的超表面结构。
Description
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轨道角动量汇聚超表面的结构设计。
背景技术
未来智能世界对移动互联的要求越来越大,无线通信技术的发展,己经接近信道容量的极限,频谱利用率需要从其他维度开辟。电磁波角动量特性的新型无线传输技术可能会带来无线通信的时代变革。具有涡旋相位而携带轨道角动量的光束,称之为轨道角动量(OAM,Orbital Angular Momentum)。普通电磁波的轨道角动量模式为0,其波前为均匀平面波。如果电磁波的OAM模式不为0,其为螺旋状等相位面的特殊波前,具有螺旋状相位波前的这种特殊电磁波,我们称其为涡旋电磁波。同一频率的电磁波拥有无穷多种模式,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。
根据麦克斯韦的经典电磁理论可知电磁辐射同时载有能量和动量,其中动量包含线动量和角动量。角动量分为自旋角动量和轨道角动量,其中自旋角动量与电子的自旋相关,呈现出极化状态,我们常说的线极化、圆极化、椭圆极化就是由电子的自旋产生的;而轨道角动量是空间量,与空间的分布相关。携带轨道角动量是涡旋波束最重要的特征,其大小跟拓扑荷值的选取有关。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。
目前为止,关于轨道角动量的产生主要采用螺旋发射面、阵列天线、透射螺旋结构和透射光栅结构四种常用方式。前两种主要应用于较低频段,后两种主要用于较高频段。随着移动互联网业务迅速増长,频谱利用率和信道容量拥堵成为不可避免的难题,而轨道角动量在无线通信方面有着极大的潜力,近十年来吸引了科学家持续广泛的关注,出现了许多研究微波频段轨道角动量的探索。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。超表面具有亚波长的周期单元和超薄的平面结构,具有极强的操控电磁波幅值和相位的能力。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,缺少反射型超表面产生及汇聚OAM的研究,而由于在OAM的传输过程中,波束的发散现象较为明显,这种情况下不利于信息的有效传输和接收,因此研究OAM的汇聚,缩小传输过程中OAM的波束半径显得尤为重要。
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汇聚的超表面设计方法。
本发明的技术方案如下:
一种反射型极化转换轨道角动量汇聚超表面的结构设计,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,共计n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,且相邻基本单元结构间的相位梯度满足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,以及透镜汇聚光线的基本原理,引入汇聚因子;再根据输出相位、汇聚因子和输入相位之间的运算得到超表面每个单元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,进而得到汇聚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所需的总相位梯度为360°。
进一步的,所述反射型极化转换轨道角动量汇聚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。
本发明设计的极化转换基本单元结构能够实现360°的相位梯度变化,通过对比相同尺寸OAM的产生结构,实现OAM的汇聚,缩小OAM的波束半径。通过补偿相位公式和汇聚因子的理论推导,建立极化转换基本单元与汇聚OAM波束的超表面之间的关联,采用球面波作为场源,得到在12GHz工作频率下,能够汇聚OAM涡旋波束的高效率反射型超表面。采用MATLAB进行程序设计,并通过全波仿真对所提出的方案进行仿真,最后通过实验进行验证,得到了与理论相符合的结果。
本发明实现的汇聚OAM的结构具有超薄,高效,结构简单等特点,在能实现极化转换的反射型结构基础上实现的,在产生OAM的同时实现了涡旋波束半径的减小,并且可以通过调节几何参数来实现相位差的需求,同时制作工艺简单,成本较低,有益于大批量、标准化生产。
附图说明
图1为实施例的基本单元结构示意图;
图2为实施例在MATLAB中计算得到的实现OAM汇聚的超表面结构的输入和输出以及补偿相位分布图;
图3为实施例在CST中得到的实现OAM产生和汇聚的仿真电场能量强度,左右两幅图分别为距离Z轴500mm和600mm位置处的xoy平面的结果;
图4为实施例在CST中得到的实现OAM产生和汇聚的仿真电场能量强度在yoz平面的对比结果;
图5为实施例在CST中得到的实现OAM产生和汇聚的xoy平面的相位分布,左右两幅图分别为距离Z轴600mm和800mm位置处的结果;
图6为实施例通过印制电路板工艺制备的汇聚OAM的测试样品;
图7为实施例实测的产生和汇聚OAM的电场能量强度结果:左右两幅图分别为距离Z轴600mm和800mm位置处的xoy平面的结果;
图8为实施例实测的产生和汇聚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,底部金属层和中间介质层的长宽均为10mm,中间介质层的厚度为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;中间介质层由介电常数2.65、损耗0.0002的Teflon构成。
具体步骤如下:
步骤1:根据极化转换基本原理设计得到具有极化特性的初始基本单元结构,如附图中1所示。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方环结构,保持图案的对称轴与入射电场极化方向夹角为45°。
本实施例中选择的金属层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,本发明中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:根据实现OAM的涡旋波束的基本原理,以及透镜实现光束汇聚的原理,在产生OAM的涡旋波束的基础上,考虑涡旋波的输出相位以及加入汇聚因子之后引入的相位与球面波的输入相位作相减运算,得到超表面需要提供的补偿相位。
在MATLAB中根据这一原理进行程序设计,建立超表面需要提供的补偿相位和基本单元相位之间的排列规则,以大于10倍的工作波长所对应的结构尺寸设计超表面结构,本实施例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得到的汇聚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(本实施例中工作频点为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。接着对电场的幅值和相位以及电场能量强度进行分析,进而和产生OAM的结果进行对比,确定汇聚的有效性;
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;由得到的电场强度分布测试对比图可知,汇聚型OAM超表面结构很好的实现了涡旋波束半径的缩小,相位分布也能进一步验证这一现象,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,本发明可以在反射型极化转换基本单元的基础上进行汇聚OAM超表面的结构设计,可以较好的应用在微波通信信息的长距离和有效传输方面。但具体实施方式并非是对本发明的进一步限定,本领域技术人员完全能够根据本发明技术方案描述的内容组合出其它不同的实施方式。
Claims (3)
1.一种反射型极化转换轨道角动量汇聚超表面的结构设计,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,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;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,共计n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,且相邻基本单元结构间的相位梯度满足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,以及透镜汇聚光线的基本原理,引入汇聚因子;再根据输出相位、汇聚因子和输入相位之间的运算得到超表面每个单元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,进而得到汇聚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所需的总相位梯度为360°。
2.如权利要求1所述反射型极化转换轨道角动量汇聚超表面的结构设计,其特征在于:所述n=8,底部金属层和中间介质层的长宽均为10mm,中间介质层的厚度为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;中间介质层由介电常数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汇聚超表面的结构设计,其特征在于:所述反射型极化转换轨道角动量汇聚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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