CN111697338A - 一种人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线及其方法。本发明采用波导馈电装置，将同轴线中的TEM模式转换为SSP模式，沿着SSP传输线的表面传播；加载在SSP传输线外的辐射结构的衍射作用下，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应，从而将SSP模式转换为自由空间辐射波，同时辐射结构的螺旋线的本征电场具有OAM模式，因此实现了具有OAM模式的空间辐射波，并且工作在不同的频段内；通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；OAM模式的旋转方向与螺旋线的手性一致；本发明结构紧凑，不需要多个单元组阵；系统的鲁棒性强，只需要保持螺旋线的螺旋特性即可；波导馈电装置简单，只需要同轴端口馈电即可，不需要复杂的馈电网络。

Description

一种人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线及其方法
技术领域
本发明涉及轨道角动量技术，具体涉及一种人工表面等离激元轨道角动量波矢扫描天线及其实现方法。
背景技术
轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)具有螺旋形的波前面，在各个领域有着广泛的应用。首先，不同OAM模式之间相互正交，可以应用于通信系统中以提高信道容量。此外OAM可以应用于成像、量子通信等领域。由于OAM在众多领域的广泛应用，因此如何高效地产生OAM模式一直是一个研究热点。在光学波段，螺旋相位板在角向一周的厚度不同，当高斯模式通过螺旋相位板时可以转化为OAM模式，此外也可以通过全息相位板实现OAM模式的转换。目前在低频波段产生OAM模式的方式有以下几种方式：(1)天线阵列，通过设计天线单元之间的相移，可以实现在角向一周的螺旋形相位分布；(2)超表面结构，超表面包括反射型和透射型两种，通过利用单元结构与相移的关系，通过利用不同尺寸或者方向的单元构建超表面阵列，在平面波的照射下实现OAM模式；(3)平面型人工表面等离激元，引入异周期单元，构建在一周的相移差；(4)螺旋天线，通过合理的调整螺旋天线的半径、螺距等参数，可以在螺旋天线上产生OAM波束，而且可以通过螺旋天线中的天线个数调整产生OAM模式的拓扑荷。虽然目前已有许多产生OAM波束的方式，但是仍然有许多问题存在，如(1)工作尺寸限制，采用阵列结构会导致体积过大，不利于天线结构的微型化，且面临复杂的馈源结构设计；(2)工作带宽限制，由于超表面结构的依赖于单元结构的谐振效应，带宽窄；(3)模式调节困难。超表面阵列、天线阵列、平面型人工表面等离激元等结构依赖于相邻单元之间的相位变化，每个OAM模式分布都需要特定的阵列排布，调节起来比较困难；(4)辐射方向难以调节，目前实现辐射方式的调节方式有限，以机械调节为主，且调节角度受限。
发明内容
本发明提出了一种人工表面等离激元(spoof surface plasmon,SSP)的轨道角动量模式扫描天线及其实现方法；能够实现OAM模式辐射，且能够工作在不同的频段内；在每个频段内能够实现定向的OAM辐射，辐射方向由工作频率确定；OAM模式的旋转方向与螺旋线结构的手性保持一致。
本发明的一个目的在于提出一种人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线。
本发明的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线包括：第一波导馈电装置、SSP传输线、辐射结构、第二波导馈电装置和支撑架；其中，SSP传输线的两端分别同轴连接第一波导馈电装置和第二波导馈电装置；辐射结构固定在支撑架上，辐射结构同轴套在SSP传输线外；第一和第二波导馈电装置的两端分别同轴连接同轴线；SSP传输线为圆柱光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期结构的深度一致的环状的凹槽，周期为d，槽宽为a，内半径和外半径分别为R1和R2，外半径R2与同轴线的内导体的半径相同；第一波导馈电装置包括外导体和内导体，由依次同轴连接的同轴线连接段、过渡段、同轴深度渐变圆柱光栅和敞口金属盖板构成；外导体的外径均匀一致；同轴线连接段的外导体为半径均匀的圆筒状，内导体为圆柱形，外导体的内半径和内导体的半径均与同轴线的外导体的内半径和内导体的半径相同；过渡段的外导体的内半径逐渐倾斜变小，内导体为圆柱形，内导体的半径均与同轴线的内导体的半径相同；同轴深度渐变圆柱光栅的外导体为半径均匀的圆筒状，同轴深度渐变圆柱光栅的外导体的内半径与过渡段的外导体的末端的内半径相同，内导体为深度渐变圆柱光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期性的深度逐渐变深的环状的凹槽，凹槽的周期与SSP传输线的圆柱光栅的结构相同，圆柱的半径与同轴线的内导体的半径相同，深度渐变圆柱光栅的内半径渐变减小，最小值与SSP传输线的圆柱光栅的内半径相同；敞口金属盖板的外导体的内半径逐渐变大，直至与外半径一致，内导体为圆柱光栅，敞口金属盖板的圆柱光栅的结构与SSP传输线的圆柱光栅除长度外的结构相同；第二波导馈电装置包括外导体和内导体，由依次同轴连接的敞口金属盖板、同轴深度渐变圆柱光栅、过渡段和同轴线连接段构成，第二波导馈电装置的结构与第一波导馈电装置的结构对称，第一和第二波导馈电装置的同轴深度渐变圆柱光栅和敞口金属盖板的内导体，与SSP传输线的的圆柱光栅的周期一致，并相互连接为一整体；辐射结构为螺旋线，辐射结构的螺旋线的周期大于圆柱光栅的周期；TEM模式经由同轴线，传输至第一波导馈电装置；TEM模式经同轴线连接段传输至过渡段；过渡段压缩TEM模式，从而提高TEM模式向SSP的耦合效率，传输至同轴深度渐变圆柱光栅；同轴深度渐变圆柱光栅将压缩后的TEM模式逐渐过渡到SSP模式；SSP模式经敞口金属盖板释放至SSP传输线；SSP模式被局缚在SSP传输线的表面，并沿着SSP传输线的表面传播，无法形成自由空间辐射；SSP模式受到加载在SSP传输线外的辐射结构的衍射作用，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应；叠加后的波矢存在小于自由空间波矢的部分，从而将这部分波矢对应的SSP模式转换为自由空间辐射波；同时由于辐射结构为螺旋线，是一种周期结构，根据周期结构弗洛奎特定理，螺旋线结构中支持的本征电磁波都携带有轨道角动量模式，从而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式，即得到了自由空间辐射的OAM模式；SSP模式由第二波导馈电装置的敞口金属盖板接收，经同轴深度渐变圆柱光栅转变为TEM模式，再经过渡段和同轴线连接段输出至同轴线，将结构中未辐射出的能量输出，同时减少系统中的反射，避免反射引起系统损耗；选择工作频段为辐射区只有一个辐射模式对应的频段，从而提高OAM模式的纯度；进一步，在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；并且，轨道角动量模式的旋转方向与螺旋线的旋转方向一致。
由于辐射结构的螺旋线具有手性，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋线的旋转方向为左旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋；反之，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋线的旋转方向为右旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋；如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋。
辐射结构的周期为p，螺旋线的内半径和外半径大小分别为R3和R4，满足，R2＜R3≤2R2，
Figure BDA0002541349130000031
辐射结构的周期p大于等于三倍的SSP传输线的圆柱光栅的周期d，即p≥3d。SSP传输线的长度L5满足：50d≤L5≤150d。
同轴线连接段的外导体的内半径与同轴线的内半径一致，同轴线连接段的外导体的外半径与同轴线的外半径不需要一致。同轴线连接段的外导体的内半径为R5，R6为第一波导馈电装置的外导体的外径，满足R6＝R5-L2tanθ1+L4tanθ2。
过渡段的外导体的内径的倾斜夹角为θ1，角度较小，满足0＜θ1≤15°。
敞口金属盖板的外导体的渐变角度为θ2，角度较大，满足20°≤θ2≤50°。
同轴线连接段、过渡段、同轴深度渐变圆柱光栅和敞口金属盖板的长度分别为L1、L2、L3和L4，分别满足为2d≤L1≤5d，5d≤L2≤15d，5d≤L3≤10d，10d≤L4≤20d。
第一波导馈电装置、SSP传输线、辐射结构和第二波导馈电装置采用的材料为金属，具体采用金属铜。
本发明的另一个目的在于提出一种人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线的实现方法。
本发明的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线的实现方法，包括以下步骤：
1)TEM模式经由同轴线，传输至第一波导馈电装置；
2)TEM模式经同轴线连接段传输至过渡段；
3)过渡段压缩TEM模式，从而提高TEM模式向SSP的耦合效率，传输至同轴深度渐变圆柱光栅；
4)同轴深度渐变圆柱光栅将压缩后的TEM模式逐渐过渡到SSP模式；
5)SSP模式经敞口金属盖板释放至SSP传输线；SSP模式被局缚在SSP传输线的表面，沿着SSP传输线的表面传播，无法形成自由空间辐射；
6)SSP模式受到加载在SSP传输线外的辐射结构的衍射作用，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应；叠加后的波矢存在小于自由空间波矢的部分，从而这部分波矢将对应频率的SSP模式转换为自由空间辐射波；
7)同时由于辐射结构为螺旋线，是一种周期结构，根据周期结构弗洛奎特定理，螺旋线的本征电磁场
Figure BDA0002541349130000041
表达式为：
Figure BDA0002541349130000042
其中，F()为表达式函数，Fvn(r)是径向电场的表达式，v是角向的模式阶数，n是轴向谐波次数，r、
Figure BDA0002541349130000045
和z分别代表圆柱坐标系中的径向分量、角向分量与轴向分量，kz0为轴向基波的传播常数，kzn＝kz0+2nπ/d是n次轴向谐波的传播常数，
Figure BDA0002541349130000043
项为角向的相位表达式，其表示相位在角向一周是变化的，表明螺旋线中本征电磁场携带有OAM模式，从而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式，即得到了向自由空间辐射的OAM模式，j为虚数单位；
8)SSP模式由第二波导馈电装置的敞口金属盖板接收，经同轴深度渐变圆柱光栅转变为TEM模式，再经过渡段和同轴线连接段输出至同轴线，将结构中未辐射出的能量输出，同时减少系统中的反射，避免反射引起系统损耗；
9)根据波矢匹配关系，在工作频率f0时，根据工作频率和波矢，得到辐射角度θ为：
Figure BDA0002541349130000044
其中，kz0是与工作频率f0对应的轴向基波的传播常数，θ为OAM辐射方向与z轴正向的夹角，在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；
10)轨道角动量模式的旋转方向与辐射结构的螺旋线的旋转方向一致。
其中，在步骤10)中，由于辐射结构的螺旋线具有手性，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋线的旋转方向为左旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋；反之，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋线的旋转方向为右旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋。
本发明的优点：
本发明采用波导馈电装置，将同轴线中的TEM模式转换为SSP模式，沿着SSP传输线的表面传播；加载在SSP传输线外的辐射结构的衍射作用下，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应，从而将SSP模式转换为自由空间辐射波，同时辐射结构的螺旋线的本征电场具有OAM模式，因此实现了具有OAM模式的空间辐射波，并且工作在不同的频段内；从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；轨道角动量模式的旋转方向与螺旋线的手性一致；这种天线结构紧凑，不需要多个单元组阵；系统的鲁棒性强，只需要保持螺旋线的螺旋特性即可；波导馈电装置简单，只需要同轴端口馈电即可，不需要复杂的馈电网络。
附图说明
图1为本发明的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线的一个实施例的示意图，其中，(a)为外观图，(b)为剖面图；
图2为本发明的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线的布里渊图分布图，其中，(a)为SSP传输线的布里渊图分布图，(b)和(c)分别为频段一和频段二的布里渊图分布图；
图3为本发明的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线的一个实施例的不同工作频段下的辐射角度分布图；
图4为本发明的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线的一个实施例的不同工作频段下的电场分布图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线包括：人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线包括：第一波导馈电装置1、SSP传输线2、辐射结构3、第二波导馈电装置4和支撑架；其中，SSP传输线2的两端分别同轴连接第一波导馈电装置1和第二波导馈电装置4；辐射结构3固定在支撑架上，辐射结构3同轴套在SSP传输线2外；第一和第二波导馈电装置4的两端分别同轴连接同轴线；SSP传输线2为圆柱光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期结构的深度一致的环状的凹槽，周期为d，槽宽为a，内半径和外半径分别为R1和R2，外半径R2与同轴线的内导体的半径相同；第一波导馈电装置1包括外导体和内导体，由依次同轴连接的同轴线连接段、过渡段、同轴深度渐变圆柱光栅和敞口金属盖板构成，长度分别为L1、L2、L3和L4；外导体的外径均匀一致；同轴线连接段的外导体为半径均匀的圆筒状，内导体为圆柱形，外导体的内半径和内导体的半径均与同轴线的外导体的内半径和内导体的半径相同；过渡段的外导体的内半径逐渐倾斜变小，渐变角度为θ1，内导体为圆柱形，内导体的半径均与同轴线的内导体的半径相同；同轴深度渐变圆柱光栅的外导体为半径均匀的圆筒状，同轴深度渐变圆柱光栅的外导体的内半径与过渡段的外导体的末端的内半径相同，内导体为深度渐变圆柱光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期性的深度逐渐变深的环状的凹槽，凹槽的周期与SSP传输线2的圆柱光栅的结构相同，圆柱的半径与同轴线的内导体的半径相同，深度渐变圆柱光栅的内半径渐变减小，最小值与SSP传输线2的圆柱光栅的内半径相同；敞口金属盖板的外导体的内半径逐渐变大，渐变角度为θ2，直至与外半径一致，内导体为圆柱光栅，敞口金属盖板的圆柱光栅的结构与SSP传输线2的圆柱光栅除长度外的结构相同；第二波导馈电装置4包括外导体和内导体，由依次同轴连接的敞口金属盖板、同轴深度渐变圆柱光栅、过渡段和同轴线连接段构成，第二波导馈电装置4的结构与第一波导馈电装置1的结构对称，第一和第二波导馈电装置4的同轴深度渐变圆柱光栅和敞口金属盖板的内导体，与SSP传输线2的圆柱光栅的周期一致，并相互连接为一整体；辐射结构3为螺旋线，辐射结构3的螺旋线的周期大于圆柱光栅的周期。
在图1中，电磁波传播的方向沿z轴，本实施例的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线的剖面为yz面。
在本实施例中，辐射结构的内半径和外半径大小分别为R3和R4，满足
Figure BDA0002541349130000061
p＝4d。SSP传输线的结构参数为：R1＝2mm，R2＝5mm,a＝1mm,d＝2mm。辐射结构的参数为R3＝6mm，R4＝12mm，p＝8d＝16mm。L1＝5d,L2＝10d，L3＝10d，L4＝10d；SSP传输线的长度L5＝100d，辐射结构的周期为(L5-20d)/p。
圆柱光栅是一种圆对称周期结构，支持SSP在表面的传播。圆柱光栅的工作模式为SSP基模，其色散方程为：
Figure BDA0002541349130000062
Figure BDA0002541349130000063
其中，
Figure BDA0002541349130000071
为n次轴向谐波的传播常数，kz0为轴向基波的传播常数，
Figure BDA0002541349130000072
为径向的传播常数，
Figure BDA0002541349130000073
其中n为轴向谐波次数，c是光速，f是频率。由于SSP波矢大于自由空间波矢，是一种慢波，被局缚在结构表面，无法向自由空间传播。由于0次谐波的强度远大于其他谐波的波矢，因为只考虑0次谐波分量。
螺旋线是一种特殊的周期结构，根据周期结构弗洛奎特(Floquet’s)定理，螺旋线中的本征电磁场
Figure BDA0002541349130000074
表达式为：
Figure BDA0002541349130000075
其中，Fvn(r)是径向电场的表达式，v是角向的模式阶数，n是轴向谐波次数，r、
Figure BDA0002541349130000079
和z分别代表圆柱坐标系中的径向分量、角向分量与轴向分量，kz0为轴向基波的传播常数，kzn＝kz0+2nπ/d是n次轴向谐波的传播常数，
Figure BDA0002541349130000076
项为角向的相位表达式，其表示相位在角向一周是变化的，表明螺旋线中本征电磁场携带有OAM模式。为了描述OAM的模式分布，用拓扑荷l来表征在OAM模式，拓扑荷由符号±和数字两部分构成。其中±代表OAM模式的旋转方向，+代表OAM旋转方向为顺时针方向，而-代表OAM旋转方向为逆时针方向；数字代表OAM模式在角向相位变化为2π的倍数。
当圆柱光栅上的SSP模式沿着圆柱光栅表面传播时，由于会受到螺旋线的衍射作用，SSP的波矢会叠加上衍射产生的谐波波矢，整个结构色散线在布里渊图中沿横轴平移，所以也称频谱搬移效应。当色散线移到快波区时，叠加后的波矢kz小于自由空间波矢时，就可以形成对应频率的空间辐射，即：
Figure BDA0002541349130000077
在转化为自由空间辐射时，辐射方向与+z方向的夹角为θ。根据波矢匹配关系，在工作频率为f0时，得到的辐射角度θ为：
Figure BDA0002541349130000078
如果形成的自由空间辐射是叠加了n次谐波，那么产生的OAM模式的拓扑荷为l＝±n。其中，±由OAM模式的旋转方向决定，且与螺旋线的旋转方向保持一致。由于螺旋线具有手性，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋线的旋转方向为左旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋。螺旋线具有模式转换的作用，使得不具有轨道角动量的模式具有轨道角动量模式。
如图1所示，在本实施例中，圆柱光栅的结构参数为R1＝2mm，R2＝5mm，a＝1mm，d＝2mm。辐射结构的参数为R3＝7mm，R4＝13mm，p＝8d＝12mm。L1＝2d，L2＝5d,L3＝10d,L4＝10d，θ1＝7°，θ2＝35°，L5＝80d，在工作阻抗为50Ω时，由同轴线的阻抗条件，需满足R5＝2.32R2。圆柱光栅的布里渊图如图2(a)所示，点横线表示不同谐波下真空中的光线，光线以下形成的区域为慢波区，该区域中的电磁波的纵向波矢大于自由空间波矢，相速度小于光速，电磁波被局域在结构表面；相邻两条光线以上形成的倒三角区域为辐射区，该区域中电磁波的纵向波矢大于自由空间波矢，相速度大于光速，可以形成自由空间的辐射。
从图2(a)可以看出，圆柱光栅SSP的色散线分布在慢波区域中，其意味着SSP被局缚在圆柱光栅表面，只能沿着圆柱光栅表面传播无法形成自由空间辐射。在光栅外面加载一个同轴的螺旋线后，SSP的辐射特性被改变。图2(b)和(c)展示了系统叠加n＝-1和n＝-2谐波之后的布里渊图分布，形成的辐射频段分别为频段一和频段二。在每个辐射区间中的辐射方向分别如图3所示。
从图3可以看出，在不同的工作频段内，辐射方向随频率改变，且改变的角度范围较大调节范围大，因此该天线具有频率调控的波束扫描功能。这些分析可以通过电磁仿真软件CST进行验证，仿真结果如图4所示。
在图4中分别展示了在频段一和频段二下的电场分布以及辐射方向。通过横截面上的电场分布可以得知不同的工作模式下为不同的拓扑荷模式，而纵截面的电场分布可以得知电场在不同频率下的辐射方向不同，验证了本发明的天线的波束扫描特性。
该结构的工作频率由圆柱光栅的工作频率决定，通过对圆柱光栅的结构参数，如半径、周期等，实现对工作频段的操控。周期可选为工作波长的
Figure BDA0002541349130000081
槽宽为周期的
Figure BDA0002541349130000082
当周期和槽宽确定时，圆柱光栅的槽深越深，工作频率越高。由于金属在微波-毫米波-太赫兹波段仍可以认为是理想金属，当选择适当的结构参数，工作频率可以拓展到毫米波太赫兹波段，因此该方案的工作频段可以从微波至毫米波-太赫兹波段。此外，本发明原理简单，结构紧凑，系统鲁棒性强，且能够实现多模工作，有望应用于基于OAM模式的太赫兹通信系统。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线，其特征在于，所述人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线包括：第一波导馈电装置、SSP传输线、辐射结构、第二波导馈电装置和支撑架；其中，SSP传输线的两端分别同轴连接第一波导馈电装置和第二波导馈电装置；辐射结构固定在支撑架上，辐射结构同轴套在SSP传输线外；第一和第二波导馈电装置的两端分别同轴连接同轴线；SSP传输线为圆柱光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期结构的深度一致的环状的凹槽，周期为d，槽宽为a，内半径和外半径分别为R1和R2，外半径R2与同轴线的内导体的半径相同；第一波导馈电装置包括外导体和内导体，由依次同轴连接的同轴线连接段、过渡段、同轴深度渐变圆柱光栅和敞口金属盖板构成；外导体的外径均匀一致；同轴线连接段的外导体为半径均匀的圆筒状，内导体为圆柱形，外导体的内半径和内导体的半径均与同轴线的外导体的内半径和内导体的半径相同；过渡段的外导体的内半径逐渐倾斜变小，内导体为圆柱形，内导体的半径均与同轴线的内导体的半径相同；同轴深度渐变圆柱光栅的外导体为半径均匀的圆筒状，同轴深度渐变圆柱光栅的外导体的内半径与过渡段的外导体的末端的内半径相同，内导体为深度渐变圆柱光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期性的深度逐渐变深的环状的凹槽，凹槽的周期与SSP传输线的圆柱光栅的结构相同，圆柱的半径与同轴线的内导体的半径相同，深度渐变圆柱光栅的内半径渐变减小，最小值与SSP传输线的圆柱光栅的内半径相同；敞口金属盖板的外导体的内半径逐渐变大，直至与外半径一致，内导体为圆柱光栅，敞口金属盖板的圆柱光栅的结构与SSP传输线的圆柱光栅除长度外的结构相同；第二波导馈电装置包括外导体和内导体，由依次同轴连接的敞口金属盖板、同轴深度渐变圆柱光栅、过渡段和同轴线连接段构成，第二波导馈电装置的结构与第一波导馈电装置的结构对称，第一和第二波导馈电装置的同轴深度渐变圆柱光栅和敞口金属盖板的内导体，与SSP传输线的的圆柱光栅的周期一致，并相互连接为一整体；辐射结构为螺旋线，辐射结构的螺旋线的周期大于圆柱光栅的周期；TEM模式经由同轴线，传输至第一波导馈电装置；TEM模式经同轴线连接段传输至过渡段；过渡段压缩TEM模式，从而提高TEM模式向SSP的耦合效率，传输至同轴深度渐变圆柱光栅；同轴深度渐变圆柱光栅将压缩后的TEM模式逐渐过渡到SSP模式；SSP模式经敞口金属盖板释放至SSP传输线；SSP模式被局缚在SSP传输线的表面，并沿着SSP传输线的表面传播，无法形成自由空间辐射；SSP模式受到加载在SSP传输线外的辐射结构的衍射作用，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应；叠加后的波矢存在小于自由空间波矢的部分，从而将这部分波矢对应的SSP模式转换为自由空间辐射波；同时由于辐射结构为螺旋线，是一种周期结构，根据周期结构弗洛奎特定理，螺旋线结构中支持的本征电磁波都携带有轨道角动量模式，从而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式，即得到了自由空间辐射的OAM模式；SSP模式由第二波导馈电装置的敞口金属盖板接收，经同轴深度渐变圆柱光栅转变为TEM模式，再经过渡段和同轴线连接段输出至同轴线，将结构中未辐射出的能量输出，同时减少系统中的反射，避免反射引起系统损耗；选择工作频段为辐射区只有一个辐射模式对应的频段，从而提高OAM模式的纯度；进一步，在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；并且，轨道角动量模式的旋转方向与螺旋线的旋转方向一致。
2.如权利要求1所述的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线，其特征在于，所述辐射结构的周期为p，螺旋线的内半径和外半径大小分别为R3和R4，满足，R2＜R3≤2R2，
Figure FDA0002541349120000021
辐射结构的周期p大于等于三倍的SSP传输线的圆柱光栅的周期d，即p≥3d。
3.如权利要求1所述的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线，其特征在于，所述SSP传输线的长度L5满足：50d≤L5≤150d。
4.如权利要求1所述的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线，其特征在于，所述过渡段的外导体的内径的倾斜夹角为θ1，满足0＜θ1≤15°。
5.如权利要求1所述的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线，其特征在于，所述敞口金属盖板的外导体的渐变角度为θ2，满足20°≤θ2≤50°。
6.如权利要求1所述的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线，其特征在于，所述同轴线连接段、过渡段、同轴深度渐变圆柱光栅和敞口金属盖板的长度分别为L1、L2、L3和L4，分别满足为2d≤L1≤5d，5d≤L2≤15d，5d≤L3≤10d，10d≤L4≤20d。
7.如权利要求1所述的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线，其特征在于，所述第一波导馈电装置、SSP传输线、辐射结构和第二波导馈电装置采用的材料为金属。
8.一种如权利要求1所述的人工表面等离激元轨道角动量波束扫描天线的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1)TEM模式经由同轴线，传输至第一波导馈电装置；
2)TEM模式经同轴线连接段传输至过渡段；
3)过渡段压缩TEM模式，从而提高TEM模式向SSP的耦合效率，传输至同轴深度渐变圆柱光栅；
4)同轴深度渐变圆柱光栅将压缩后的TEM模式逐渐过渡到SSP模式；
5)SSP模式经敞口金属盖板释放至SSP传输线；SSP模式被局缚在SSP传输线的表面，沿着SSP传输线的表面传播，无法形成自由空间辐射；
6)SSP模式受到加载在SSP传输线外的辐射结构的衍射作用，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应；叠加后的波矢存在小于自由空间波矢的部分，从而这部分波矢将对应频率的SSP模式转换为自由空间辐射波；
7)同时由于辐射结构为螺旋线，是一种周期结构，根据周期结构弗洛奎特定理，螺旋线的本征电磁场
Figure FDA0002541349120000031
表达式为：
Figure FDA0002541349120000032
其中，F()为表达式函数，Fvn(r)是径向电场的表达式，v是角向的模式阶数，n是轴向谐波次数，r、
Figure FDA0002541349120000033
和z分别代表圆柱坐标系中的径向分量、角向分量与轴向分量，kz0为轴向基波的传播常数，kzn＝kz0+2nπ/d是n次轴向谐波的传播常数，d为圆柱光栅的周期，
Figure FDA0002541349120000035
项为角向的相位表达式，其表示相位在角向一周是变化的，表明螺旋线中本征电磁场携带有OAM模式，从而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式，即得到了向自由空间辐射的OAM模式，j为虚数单位；
8)SSP模式由第二波导馈电装置的敞口金属盖板接收，经同轴深度渐变圆柱光栅转变为TEM模式，再经过渡段和同轴线连接段输出至同轴线，将结构中未辐射出的能量输出，同时减少系统中的反射，避免反射引起系统损耗；
9)根据波矢匹配关系，在工作频率f0时，根据工作频率和波矢，得到辐射角度θ为：
Figure FDA0002541349120000034
其中，kz0是与工作频率f0对应的轴向基波的传播常数，θ为OAM辐射方向与z轴正向的夹角，在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向，p为辐射结构的周期；
10)轨道角动量模式的旋转方向与辐射结构的螺旋线的旋转方向一致。
9.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，在步骤10)中，由于辐射结构的螺旋线具有手性，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋线的旋转方向为左旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋；反之，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋线的旋转方向为右旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112887035A (zh) * 2021-01-26 2021-06-01 北京大学 一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法
CN113067159A (zh) * 2021-03-23 2021-07-02 北京大学 一种高效无限通道行波-表面波天线及其实现方法
CN114498013A (zh) * 2022-01-20 2022-05-13 哈尔滨工程大学 一种基于人工表面等离基元结构的四臂螺旋天线

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005069443A1 (en) * 2004-01-19 2005-07-28 Roke Manor Research Limited Parabolic reflector
CN105703048A (zh) * 2016-01-13 2016-06-22 北京大学 一种超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器及耦合方法
CN106848557A (zh) * 2017-01-24 2017-06-13 东南大学 基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器及其实现方法
US20180316095A1 (en) * 2017-04-26 2018-11-01 Electronics And Telecommunications Research Institute Transceiver in wireless communication system
CN109301505A (zh) * 2018-11-26 2019-02-01 宁夏大学 一种超宽带oam涡旋电磁波天线
CN109524790A (zh) * 2018-11-06 2019-03-26 北京大学 一种基于f-p腔加载的人工表面等离激元辐射器及控制方法
CN109904578A (zh) * 2019-03-21 2019-06-18 北京大学 一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器及耦合方法
CN110635206A (zh) * 2019-09-26 2019-12-31 中国矿业大学 一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置及生成方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005069443A1 (en) * 2004-01-19 2005-07-28 Roke Manor Research Limited Parabolic reflector
CN105703048A (zh) * 2016-01-13 2016-06-22 北京大学 一种超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器及耦合方法
CN106848557A (zh) * 2017-01-24 2017-06-13 东南大学 基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器及其实现方法
US20180316095A1 (en) * 2017-04-26 2018-11-01 Electronics And Telecommunications Research Institute Transceiver in wireless communication system
CN109524790A (zh) * 2018-11-06 2019-03-26 北京大学 一种基于f-p腔加载的人工表面等离激元辐射器及控制方法
CN109301505A (zh) * 2018-11-26 2019-02-01 宁夏大学 一种超宽带oam涡旋电磁波天线
CN109904578A (zh) * 2019-03-21 2019-06-18 北京大学 一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器及耦合方法
CN110635206A (zh) * 2019-09-26 2019-12-31 中国矿业大学 一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置及生成方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIA YUAN YIN ET AL: "Microwave Vortex-Beam Emitter Based on Spoof Surface Plasmon Polaritons", 《LASER & PHOTONICS REVIEWS》 *
韩亚娟等: "基于人工表面等离激元的天线研究进展", 《电波科学学报》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112887035A (zh) * 2021-01-26 2021-06-01 北京大学 一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法
CN112887035B (zh) * 2021-01-26 2022-01-28 北京大学 一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法
CN113067159A (zh) * 2021-03-23 2021-07-02 北京大学 一种高效无限通道行波-表面波天线及其实现方法
CN113067159B (zh) * 2021-03-23 2022-01-28 北京大学 一种高效无限通道行波-表面波天线及其实现方法
CN114498013A (zh) * 2022-01-20 2022-05-13 哈尔滨工程大学 一种基于人工表面等离基元结构的四臂螺旋天线
CN114498013B (zh) * 2022-01-20 2024-03-26 哈尔滨工程大学 一种基于人工表面等离基元结构的四臂螺旋天线

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