CN111682320A - 一种涡旋电磁超表面结构 - Google Patents

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王伟华
韩奎
赵雷
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Abstract

本发明涉及一种涡旋电磁超表面结构，属于微波段电磁波调控技术领域，解决了现有涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能造成工作效率较低的问题。涡旋电磁超表面结构包括多个二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元；其中，涡旋电磁超表面单元包括由上至下依次层叠设置的工型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板；涡旋电磁超表面单元上的工型金属单元的旋转角度基于涡旋相位确定。基于该涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束能够同时兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能，提高了涡旋电磁超表面结构的工作效率。

Description

一种涡旋电磁超表面结构
技术领域
本发明涉及微波段电磁波调控技术领域，尤其涉及一种涡旋电磁超表面结构。
背景技术
光学涡旋是指当光波具有螺旋型相位波前结构时，波前会绕着传播方向上的一条线以螺旋方式旋转，这一类特殊光波或光场称为光学涡旋，光学涡旋具有螺旋相位波前和轨道角动量(OAM)，在微粒子操作、原子光学、空间光信息传输与处理等领域具有重要潜在应用价值，是现代光学中的一个新兴领域，光学涡旋的产生、调制、探测以及应用等问题成为光学领域的研究热点。
OAM涡旋光束具有理论上无限多的非干扰正交信道和不同模态的附加信息，在提高频谱效率和通信能力方面具有巨大的潜力。涡旋光束的一个标志性特征是中心相位奇异性，表明辐射场沿传播轴有一个强度为零的环形横向剖面。涡旋光束具有独特的电磁特性，在光学和射频通信领域得到了广泛的应用。但是现有的涡旋电磁超表面产生的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能，造成了涡旋电磁超表面结构工作效率较低的问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种涡旋电磁超表面结构，用以解决现有涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能造成工作效率较低的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种涡旋电磁超表面结构，用于在天线激励下产生涡旋波束，所述涡旋电磁超表面结构包括多个二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元；其中，所述涡旋电磁超表面单元包括由上至下依次层叠设置的工型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板；涡旋电磁超表面单元上的工型金属单元的旋转角度基于涡旋相位确定。
进一步，所述涡旋电磁超表面单元的周期为px＝py＝8mm。
进一步，所述工型金属单元包括第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片，所述第二金属贴片的两端分别连接第一金属贴片的中点和第二金属贴片的中点，所述第一金属贴片与第三金属贴片分别与第二金属贴片垂直。
进一步，所述第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片的宽度均为0.5mm；所述第一金属贴片与第三金属贴片的长度相等且均为3.2mm，第三金属贴片的长度为4mm。
进一步，所述第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片的材质均为铜。
进一步，所述工型金属单元的旋转角度是涡旋相位的一半，所述涡旋相位基于涡旋相位分布函数计算得到。
进一步，所述涡旋相位分布函数的计算公式为：
Figure BDA0002537330680000021
式中，
Figure BDA0002537330680000022
为涡旋相位分布函数，l为OAM模态数，x、y分别为涡旋电磁超表面单元对应的横、纵坐标。
进一步，所述中间层介电基板采用聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数为2.65，正切损耗常数为0.001。
进一步，所述中间层介电基板的厚度为3mm。
进一步，所述底层金属接地板的材质为铜。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、一种涡旋电磁超表面结构，由多个二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元组成，该涡旋电磁超表面单元能够在12～20GHZ之间能够产生高效涡旋波束，具有超宽工作带宽。同时，每一个涡旋电磁超表面单元由从上至下依次层叠设置的工型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板组成，设计简单且成本低，解决了现有涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能造成工作效率较低的问题，提高了涡旋电磁超表面的工作效率，为涡旋波束在无线通信领域的应用提供了新的可能性。
2、通过采用涡旋相位分布函数和聚焦相位分布函数的加和结果作为工型电磁超表面单元中工型金属单元的旋转角度依据，简单易行，易于实施，同时采用聚焦相位分布函数作的计算结果对涡旋相位分布函数的计算结果进行补偿，减小了计算误差，提高了涡旋电磁超表面结构的精度，有利于高增益涡旋波束的产生。
3、通过CST仿真软件结合Matlab对涡旋电磁超表面结构的性能和效果进行分析，并将分析的结果以图形化的方式呈现，具有较强的说服力，说明涡旋电磁超表面结构能够解决现有的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能造成工作效率较低的问题，证明了该涡旋电磁超表面结构可以适用于任一极化激励，并保持良好的性能。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为一个实施例中涡旋电磁超表面结构示意图；
图2为一个实施例中涡旋电磁超表面单元示意图；
图3为一个实施例中工型金属单元的尺寸示意图；
图4为一个实施例中在LCP激励下涡旋电磁超表面单元的电磁参数；
图5为一个实施例中在LP激励下涡旋电磁超表面单元的电磁参数；
图6为一个实施例中在LCP激励下，不同旋转角度的工型金属单元的反射振幅及相位；
图7为一个实施例中模态为1时涡旋波束的涡旋相位分布；
图8为一个实施例中模态为1时涡旋波束的聚焦相位分布；
图9为一个实施例中模态为1时涡旋波束的叠加相位分布；
图10为一个实施例中模态为1时涡旋电磁超表面结构的仿真图；
图11为一个实施例中在LP激励下涡旋波束3D远场辐射模式；
图12为一个实施例中在LP激励下涡旋波束的幅值及相位分布；
图13为一个实施例中在LCP激励下涡旋波束3D远场辐射模式；
图14为一个实施例中在LCP激励下涡旋波束的幅值及相位分布；
图15为一个实施例中在LCP激励下涡旋波束2D远场辐射模式；
图16为一个实施例中在LP激励下涡旋波束2D远场辐射模式；
附图标记：
100-工型金属单元；200-中间层介电基板；300-底层金属接地板。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
现有的涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能，造成了涡旋电磁超表面结构的工作效率较低的问题。为此，本申请提出了一种涡旋电磁超表面结构，该涡旋电磁超表面结构包括多个二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元。同时，本申请中使用CST仿真软件对该涡旋电磁超表面单元的性能进行仿真模拟，具体是通过在CST仿真软件的VBA宏模块中调用Matlab软件计算多个涡旋电磁超表面单元的排列相位，得到涡旋电磁超表面结构的拓扑结构，对该涡旋电磁超表面单元在LCP和LP馈电天线激励下的远程特性进行分析，以验证该涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束能够同时兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能，可以解决现有的涡旋电磁超表面存在的超带宽、极化不敏感和高增益不能兼容的问题，提高了涡旋电磁超表面的工作效率，为涡旋波束在无线通信领域的应用提供了新的可能性。
本发明的一个具体实施例，公开了一种涡旋电磁超表面结构，用于在天线激励下产生涡旋波束，如图1所示。涡旋电磁超表面结构包括多个二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元，该涡旋电磁超表面单元能够在12～20GHZ之间能够产生高效涡旋波束。其中，如图2所示，涡旋电磁超表面单元包括由上至下依次层叠设置的工型金属单元100、中间层介电基板200和底层金属接地板300，其中，工型金属单元100用于获得涡旋波束的涡旋相位，该涡旋相位可以从0～360度连续变化，底层金属接地板300为金属铜背板，用于实现电磁波的完美反射，即由工型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板组成的涡旋电磁超表面结构保证了该体系为纯反射体系，不存在任何传输。
实施时，涡旋电磁超表面单元中的工型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板共中心轴层叠。具体来说，该涡旋电磁超表面单元依据涡旋电磁超表面单元设计原理得到。其中，涡旋电磁超表面单元的周期为px＝py＝8mm，涡旋电磁超表面单元上的工型金属单元的旋转角度基于涡旋相位确定。
与现有技术相比，本实施例提供的一种涡旋电磁超表面结构，由多个二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元组成，该涡旋电磁超表面单元能够在12～20GHZ之间能够产生高效涡旋波束，具有超宽工作带宽。同时，每一个涡旋电磁超表面单元由从上至下依次层叠设置的工型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板组成，设计简单且成本低，解决了现有涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能造成工作效率较低的问题，提高了涡旋电磁超表面的工作效率，为涡旋波束在无线通信领域的应用提供了新的可能性。
优选地，工型金属单元包括第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片，第二金属贴片的两端分别连接第一金属贴片的中点和第二金属贴片的中点，第一金属贴片与第三金属贴片分别与第二金属贴片垂直。优选地，第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片的宽度均为0.5mm；第一金属贴片与第三金属贴片的长度相等且均为3.2mm，第三金属贴片的长度为4mm。优选地，第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片的材质均为铜。
具体来说，如图3所示，涡旋电磁超表面单元最上层为工型金属单元，该工型金属单元由三个金属贴片组成，中间竖条金属贴片的两端分别与两个横条金属贴片的中点连接，且中间竖条金属贴片与两个横条金属贴片均垂直。其中，三个金属贴片的宽度均为0.5mm，两个横条金属贴片的长度为a＝3.2mm，中间竖条金属贴片的长度为b＝4mm，同时，组成工型金属单元的三个金属贴片均为铜材质。该工型金属单元的尺寸使得涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束具有超宽带和极高的转换效率，为实现涡旋电磁超表面的超宽带和高增益奠定了基础。
优选地，中间层介电基板采用聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数为2.65，正切损耗常数为0.001。优选地，中间层介电基板的厚度为3mm。优选地，涡旋电磁超表面单元的周期为px＝py＝8mm。优选地，底层金属接地板的材质为铜。
具体来说，涡旋电磁超表面单元的中间层介电基板采用聚四氟乙烯玻璃布板(F4B)，介电常数为2.65，正切损耗常数为0.001，该聚四氟乙烯玻璃布板具有良好的电气性能和较高的机械强度，是一种优良的微波印制电路基板。同时，该中间层介电基板的长度和宽度相等且均为8mm，高度为3mm。对于整个涡旋电磁超表面结构，每个涡旋电磁超表面单元的排列周期为8mm，最上层的工型金属单元和最下层的底层金属接地板厚度很小可以忽略，即该涡旋电磁超表面结构的厚度为3mm。
优选地，工型金属单元的旋转角度是涡旋相位的一半，涡旋相位基于相位分布函数计算得到。其中，相位分布函数的计算公式为：
Figure BDA0002537330680000071
式中，
Figure BDA0002537330680000072
为涡旋相位分布函数，l为OAM模态数，也称拓扑核，x、y分别为涡旋电磁超表面单元中心对应的横、纵坐标。
具体来说，为了减小相位分布的误差，在计算相位分布时，可以取涡旋相位分布
Figure BDA0002537330680000081
和聚焦相位分布
Figure BDA0002537330680000082
两者加和的结果作为最终每个涡旋电磁超表面单元排布的最终相位分布，即
Figure BDA0002537330680000083
其中，聚焦相位分布的计算公式为：
Figure BDA0002537330680000084
式中，
Figure BDA0002537330680000085
为聚焦相位分布函数，λ为涡旋波束工作带宽中心频率的波长，F为聚焦，即馈电天线到涡旋电磁超表面结构的距离。
通过采用涡旋相位分布函数和聚焦相位分布函数的加和结果作为涡旋电磁超表面单元中工型金属单元的旋转角度依据，简单易行，易于实施，同时采用聚焦相位分布函数作的计算结果对涡旋相位分布函数的计算结果进行补偿，减小了计算误差，提高了涡旋电磁超表面结构的精度，有利于高增益涡旋波束的产生。
基于设计得到的涡旋电磁超表面单元，使用CST仿真软件对该涡旋电磁超表面单元的性能和效果进行模拟和分析。具体通过在CST的VBA宏模块中调用Matlab软件计算涡旋电磁超表面单元的涡旋相位，进而得到涡旋电磁超表面单元中工型金属单元的旋转角度，最终将多个涡旋电磁超表面单元中的工型金属单元按照该旋转角度排列得到涡旋电磁超表面结构。
首先，将涡旋电磁超表面单元绕中心轴旋转45°，X、Y分别表示入射波的极化方向，在X极化或Y极化激励下，分析共极化反射参数rxx、ryy以及交叉极化反射参数ryx、rxy，如图4所示，在x极化或y极化入射情况下，共极化的反射振幅非常接近1(|rxy|≈|ryx|≈1)，交叉极化则小于0.2(|rxx|≈|ryy|<0.2)，充分说明了交叉极化的转化高效率。
接着，此单元在左圆极化波的激励下，分析共极化反射参数rLL、rRR以及交叉极化反射参数rRL和rLR,并计算工作效率。如图5所示的LCP波正入射时的共极化反射幅值和交叉极化反射幅值，其中，共极化反射幅值大于0.95(rLL>0.95)，交叉极化反射幅值被抑制在0.2以下(rLR<0.2)，圆极化消光比σ＝20log10(|rLL|/|rRL|)>10dB，说明该涡旋电磁超表面单元具有较高的极化纯度，即交叉极化不会影响最终的涡旋电磁超表面结构的性能。同时，在不考虑馈电天线孔径的情况下，涡旋电磁超表面单元工作效率的计算公式为：
Figure BDA0002537330680000091
通过涡旋电磁超表面单元工作效率的计算公式可以得到：在12-20GHz带宽内涡旋电磁超表面结构的工作效率高于95％。
考虑到工型金属单元的旋转角对涡旋电磁超表面结构的影响，可以通过改变工型金属单元的旋转角θ，分析在LCP馈电天线激励下，不同θ旋转角的涡旋电磁超表面单元的反射幅度和相位，如图6所示。在馈电天线LCP的垂直入射下，所有超表面金属单元的共极化反射幅度都接近于1，相位覆盖了的区间为0～360°，并且旋转角度每改变30°，反射相位变化60°，即涡旋电磁超表面单元中工型金属单元的旋转角度为30°。
如图7所示的涡旋波束的涡旋相位分布，考虑到满足涡旋相位分布的涡旋电磁超表面结构只有在平面波的激励下产生良好的涡旋波束，这在光学领域很容易实现，但是在微波段不存在平面波，所以我们需要将球面波转化为平面波，此时便需要引入聚焦相位分布函数，涡旋波束的螺旋相位分布如图8所示。通过涡旋相位分布函数和聚焦相位分布函数，得到叠加相位分布函数，其中，涡旋波束在叠加相位下的分布如图9所示。最终，多个涡旋电磁超表面单元的结构排列通过CST仿真技术的宏建模实现，具体是在CST仿真软件的VBA宏模块中调用Matlab软件计算多个涡旋电磁超表面单元的排列相位以及单元结构建模的VBA宏来实施。实例性的，取模态数l＝1的涡旋相位分布函数排列每一个超表面单元，最终得到涡旋电磁超表面结构，如图10所示，此电磁超表面结构由30*30个电磁超表面单元构成，尺寸为240*240mm，每一个超表面单元的工型金属单元基于不同的位置具有不同的旋转角度，以此实现对应的相位分布。
在LP馈电天线激励下涡旋波束的远场三维辐射图如图11所示，可以清楚地看到涡旋光束的明显特征，即沿传播轴的明显沟槽表明法线方向的辐射能量极低，其次，所有的三维远场辐射模式都表现出典型的甜甜圈形状的强度。
图12为在LP馈电天线激励下平行于涡旋电磁超表面结构的电场特性。其中，图12(a)为在12～20GHz范围内涡旋波束的幅值；图12(b)为涡旋波束的相位分布，由图可知，在12GHz、14GHz、16GHz、18GHz、20GHz的频率中，涡旋波束相位依次从0°变化到360°。这些现象说明产生了模态为1的涡旋波，另外相位奇异点位于涡旋电磁超表面结构的中心位置，间接说明了涡旋电磁超表面结构的高效率性。
LP馈电天线激励下涡旋波束的远场三维辐射图如图13所示，包括12GHz、14GHz、16GHz、18GHz、20GHz远场的归一化三维辐射模式，均表现出完美涡旋光束的典型特征。
与在LP激励下的远场情况类似，图14为在LCP馈电天线激励下平行于涡旋电磁超表面结构的电场特性。如图14(a)为在12～20GHz范围内，在LCP馈电天线激励下涡旋波束的幅值，如图14(b)所示，在LCP馈电天线的垂直入射下，涡旋电磁波的反射相位依次从0变化到360°，同时，产生了模态为1的涡旋波。
在12-20GHz的带宽内远场特性分析，表明本申请既可以在LCP馈电天线的激励下产生良好的涡旋波束，同样的也可以在LP馈电天线的激励下产生良好的涡旋波束，即该涡旋电磁超表面结构对超宽带和极化不敏感具有良好的兼容性。
另外，为了直观的观察涡旋波束的增益情况，对2D远场辐射模式进行了分析。图15为在LCP馈电天线激励下，涡旋波仿真2D远场辐射模式，从图中可以直观的看出，在12-20GHz工作带宽内，共极化反射涡旋波束增益很高。另外，涡旋波束的增益均高于15dB，而且在某些工作带宽范围的增益高于20dB，充分说明了本申请的涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束具有良好的增益。图16为在LP馈电天线激励下，涡旋波仿真2D远场辐射模式，在12-20GHz的工作带宽内，增益均高于15dB，在某些工从作带宽范围的增益也高于20dB。不管是在LCP馈电天线还是LP馈电天线的激励下，在θ＝0处，曲线有一明显的海沟状，说明此处的辐射强度很低，完全符合涡旋波束的幅度特性；而且在12-20GHz的工作带宽内增益都高于15dB，并且在中心频率处的增益效果高于23dB。即本申请中的涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束具有良好的增益。
综上，通过CST仿真软件结合Matlab对涡旋电磁超表面结构的性能和效果进行分析，并将分析的结果以图形化的方式呈现，具有较强的说服力，说明涡旋电磁超表面结构能够解决现有的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能造成工作效率较低的问题，证明了该涡旋电磁超表面结构可以适用于任一极化激励，并保持良好的性能。
为了避免外界的干扰，CST仿真实验在微波暗室中进行，将馈电天线和涡旋电磁超表面固定在泡沫板上，可围绕中心轴线在实验平台上旋转。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡旋电磁超表面结构，用于在天线激励下产生涡旋波束，其特征在于，所述涡旋电磁超表面结构包括多个二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元；其中，所述涡旋电磁超表面单元包括由上至下依次层叠设置的工型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板；涡旋电磁超表面单元上的工型金属单元的旋转角度基于涡旋相位确定。
2.根据权利要求1所述的涡旋电磁超表面结构，其特征在于，所述涡旋电磁超表面单元的周期为px＝py＝8mm。
3.根据权利要求1所述的涡旋电磁超表面结构，其特征在于，所述工型金属单元包括第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片，所述第二金属贴片的两端分别连接第一金属贴片的中点和第二金属贴片的中点，所述第一金属贴片与第三金属贴片分别与第二金属贴片垂直。
4.根据权利要求3所述的涡旋电磁超表面结构，其特征在于，所述第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片的宽度均为0.5mm；所述第一金属贴片与第三金属贴片的长度相等且均为3.2mm，第三金属贴片的长度为4mm。
5.根据权利要求4所述的涡旋电磁超表面结构，其特征在于，所述第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片的材质均为铜。
6.根据权利要求1所述的涡旋电磁超表面结构，其特征在于，所述工型金属单元的旋转角度是涡旋相位的一半，所述涡旋相位基于涡旋相位分布函数计算得到。
7.根据权利要求6所述的涡旋电磁超表面结构，其特征在于，所述涡旋相位分布函数的计算公式为：
Figure FDA0002537330670000011
式中，
Figure FDA0002537330670000012
为涡旋相位分布函数，l为OAM模态数，x、y分别为涡旋电磁超表面单元中心对应的横、纵坐标。
8.根据权利要求2所述的涡旋电磁超表面结构，其特征在于，所述中间层介电基板采用聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数为2.65，正切损耗常数为0.001。
9.根据权利要求8所述的涡旋电磁超表面结构，其特征在于，所述中间层介电基板的厚度为3mm。
10.根据权利要求9所述的涡旋电磁超表面结构，其特征在于，所述底层金属接地板的材质为铜。
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