CN111697342A - 产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元 - Google Patents

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杜国宏
赵远
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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

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Abstract

本发明公开了一种产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元，在介质基板上下两面都具有金属层，且两层金属层的结构相同、上下对应设置；每一个金属层都由4片金属贴片组成，金属贴片为弧度π/4的弧形金属贴片，4片金属贴片一端共同相接于电磁表面单元中心，相邻两片金属贴片以电磁表面单元中心为圆心相隔90°，4片金属贴片的弯曲方向一致，在4片金属贴片的远离电磁表面单元中心一段距离的位置都设置有连接上下金属层的金属柱。本发明携带轨道角动量波束的人工电磁表面单元在口径、波束发散角、厚度方面有比较明显的改进，整个人工电磁表面产生的波束在厚度更小的情况下达到较高的增益，良好的波束发散角和口径效率。

Description

产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元
技术领域
本发明涉及人工电磁超表面结构领域，特别是一种产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元。
背景技术
随着5G技术的商用以及物联网的飞速发展，人们对无线通讯的速率以及容量的要求越来越高，在对天线性能提出要求的同时，对传输数据也进行了编码调制，主要的调制方式有振幅调制，频移调制，相移调制，正交相移调制。这些调制方法可以提高信道容量，但是会导致整个系统的复杂度大大提升，复杂度的提升会导致成本，误差随之增加。携带轨道角动量的电磁波在任意频率下都具有多种互不干扰的正交模态的性质，大大提高了频谱的利用率，逐渐称为电磁领域和通信领域的研究热点。现有的产生轨道角动量的方式主要有透射型螺旋相位板，螺旋反射面和环形阵列天线。
现阶段的人工电磁超表面普遍存在厚度较厚的问题，例如公开号为CN108521022A的名称为“一种全透射人工电磁材料”的中国专利，其通过使用三层基材和金属表面蚀刻的人工电磁表面来提高材料的透射率，但是由于单元本身的多层结构导致电磁材料的剖面较厚，对人工电磁材料的透射率造成损失。
透射型螺旋相位板由于电磁波照射到人工电磁超表面的不同位置时的厚度不同，导致不同位置的透射波具有不同的相位差，从而形成涡旋电磁波束。缺点在于当电磁波段比较低时，由于波长较长导致相位板的尺寸会比较大，较大的体积会导致加工成本上升而且笨重，不方便搬运。另一方面由于电磁波只是通过在介质板内形成的相位差进而形成波束，不可避免的会导致功率损耗。
螺旋反射面通过设计反射面结构产生涡旋电磁波束，反射面本身的体积较大，再加上金属结构导致重量较重，人工电磁表面的材料相比反射面体积较小而且重量较轻，反射面本身由于需要设计不同位置产生涡旋电磁波所需要的曲率，造成透射介质板的加工成本较高。
相控阵天线通过移相器可以比较精确的产生轨道角动量所需要的电磁波相位，但是相控阵天线最大的难点就是需要设计十分复杂的馈电网络，馈电网络的精度直接决定了整个波束的效果，造成整个馈电网络的设计变得十分复杂，另一方面整个馈电网络相比于相控阵面有较大的体积，较大的体积不利于天线系统在有限的工作环境下工作。
相关术语：
轨道角动量(Orbital Angular Momentum)：电磁波能够携带动量和角动量，电磁波的动量又可以分为自旋角动量和轨道角动量，轨道角动量表示电子绕传播轴旋转，是由能量流(由坡印廷矢量描述)围绕光轴旋转而产生的，它使电磁波的相位波前呈涡旋状，因此，携带有轨道角动量的电磁波也被称为涡旋电磁波。将轨道角动量应用在电磁波中，在正常的电磁波中添加一个相位旋转因子，此时电磁波波前将不再是平面结构，而是绕着波束传播方向旋转，呈现出一种螺旋的相位结构。涡旋波每绕传输轴旋转一圈，相位波就前进。
人工电磁表面(metameterial)：人工电磁材料是由一系列由介质板和金属贴片组成的电磁表面单元通过周期排列的方式组成。人工超构表面是三维电磁超材料的平面形式，其具有超常的电磁波调节能力。可以对电磁波的幅度、相位、极化等关键参数进行调控。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元，解决现阶段轨道产生角动量电磁波的技术方案存在成本高，产品笨重，电磁波损耗大等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元，包括金属层、金属柱和介质基板；在所述介质基板上下两面都具有金属层，且两层金属层的结构相同、上下对应设置；每一个金属层都由4片金属贴片组成，所述金属贴片为弧度π/4的弧形金属贴片，4片金属贴片一端共同相接于电磁表面单元中心，相邻两片金属贴片以电磁表面单元中心为圆心相隔90°，4片金属贴片的弯曲方向一致，在4片金属贴片的远离电磁表面单元中心一段距离的位置都设置有连接上下金属层的金属柱。
进一步地，所述金属柱远离电磁表面单元中心π/12弧度。
进一步地，所述人工电磁表面单元的长度P＝2.6mm；所述介质基板采用Rogers5880介质基板，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.4mm；所述金属贴片的半径R2的变化范围为0.4mm至1.3mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过在介质基板间加载金属柱的方式实现人工电磁表面单元的单层效果，该人工电磁表面单元具有和多层透射型人工电磁表面单元相同的超过360°的透射相位变化范围和接近0dB的插入损耗，相比于传统的透射螺旋板损耗更小，另一方面人工电磁表面单元本身的加工成本相比于金属反射板的设计成本和加工成本更低。低剖面的人工电磁表面单元口径大小为39mm×39mm×0.4mm，具有更小的空间体积。整个人工电磁表面最终产生的轨道角动量波束具有5°的波束发散角，具有较远的传输距离。本人工电磁表面在口径、波束发散角、厚度方面有比较明显的改进，其产生的波束在厚度更小的情况下达到较高的增益，良好的波束发散角和口径效率。
附图说明
图1是人工电磁表面单元的整体结构示意图。
图2是人工电磁表面单元侧视图。
图3是人工电磁表面单元俯视图相关尺寸表示。
图4是人工电磁表面单元侧视图相关尺寸表示。
图5是加载金属柱的人工电磁表面单元的透射相位和透射幅度随R2变化的仿真结果图。
图6是未加载金属柱的人工电磁表面单元的透射相位和透射幅度随R2变化的仿真结果图。
图7是距离人工电磁表面84mm的位置在77GHz需要补偿的相位分布图。
图8是阵面每个单元在77GHzR2的尺寸大小分布图。
图9是人工电磁表面的模型图。
图10是中心频率77GHz下人工电磁表面的E面和H面的远场方向图。
图11是中心频率77GHz下人工电磁表面的波束形状图。
图12是中心频率77GHz下人工电磁表面的相位分布图。
图中：金属柱1；金属贴片2；介质基板3。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图4所示，本发明是一种产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元，其结构为：包括金属层、金属柱1和介质基板3；在所述介质基板3上下两面都具有金属层，且两层金属层的结构相同、上下对应设置；每一个金属层都由4片宽度w1的金属贴片2组成，所述金属贴片2为弧度π/4的弧形金属贴片，4片金属贴片2一端共同相接于电磁表面单元中心，相邻两片金属贴片2以电磁表面单元中心为圆心相隔90°，4片金属贴片2的弯曲方向一致，在4片金属贴片2的远离电磁表面单元中心一段距离的位置都设置有连接上下金属层的半径为R1的金属柱1。
具体的，透射型人工电磁表面单元通过调节圆弧半径R2来控制单元的相位，R2的变化范围在0.4mm-1.3mm，介质基板3材料主要采用的是Rogers 5880介质板，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。上下两层的螺旋形金属层呈现中心对称。整个人工电磁表面单元的周期P＝2.6mm，单元的中心频率为77GHz,周期长度约为0.6倍自由空间波长，单元的厚度为0.4mm，整个单元通过加载金属柱使得整个单元减小到只有一层介质板，介质基板3的厚度为h＝0.4mm。
为了说明金属柱对电磁表面单元的影响，分别对加载金属柱1和没有加载金属柱1的电磁表面单元通过仿真软件进行比较，如图5和图6所示，从图中可以看出加载了金属柱的单元和没有加载金属柱的单元在透射相位上有明显的变化，相位变化范围由120°提高到了360°，相位变化范围提高了一倍以上，原本需要四层甚至更多的空气层才能实现360°的透射相位变化范围，现在只需要一层介质板就可以实现，大大降低了介质板的厚度，使单元具有低剖面的特点。另一方面，从图中可以看出，加载金属柱后单元的透射幅度也有所改善，未加载金属柱时单元在R2尺寸为0.6mm-0.7mm的范围时透射幅度很低，电磁波在接触到表面时会发生反射，而加载金属柱后单元尺寸在0.6mm-1.5mm保持2dB以下的插入损耗。
将电磁表面单元组合成人工电磁表面，以人工电磁表面的中心为原点，经过原点垂直于电磁表面为Z轴，设电磁表面单元的中心位置相对于原点的坐标为(x,y)，馈源天线位于距离人工电磁表面h的位置，则该电磁表面的相位补偿量为
Figure BDA0002547312040000051
其中l为轨道角动量的模式常数，理论上可以生成任意模式常数的轨道角动量波束。补偿公式
Figure BDA0002547312040000061
是馈源天线照射到人工电磁表面的相位分布和轨道角动量所需要的相位分布的叠加，其中馈源天线照射到人工电磁表面的相位分布为
Figure BDA0002547312040000062
轨道角动量的相位分布为
Figure BDA0002547312040000063
相位补偿的分布如图7所示，每个单元对应的R2的尺寸分布如图8所示。
基于仿真软件对中心频率为77GHz的透射型人工电磁表面进行建模，最终建模后人工电磁表面如图9所示，该透射型人工电磁表面的口径为39mm×39mm×0.4mm，馈源天线选择的是矩形喇叭天线，放置于距离人工电磁表面84mm的位置，使用仿真软件对透射型人工电磁表面进行仿真，中心频率77GHz下人工电磁表面的E面和H面的远场方向图如图10所示，从图中可以看出方向图在角度为180°处存在一个中心凹陷，中心凹陷结构是轨道角动量涡旋电磁波的主要特征，整个轨道角动量波束的最大增益为17.2dBi，波束发散角约为5°，相比于传统产生方案，在波束发散角方面有了较大的改善，较小的波束发散角可以实现较高的传输效率和较远的传播距离，这有利于利用轨道角动量进行数据传输。
观察在馈源天线照射到电磁表面之后距离电磁表面10mm处的电场相位分布，电长度约为2.6λ0，λ0约为77GHz在自由空间中的波长。77GHz下馈源天线照射到透射型人工电磁表面的远场方向图如图11所示，从图中可以看出电磁波在中间形成一道凹陷，，这是轨道角动量波束的典型特征。在77GHz的电场相位分布图如图12所示，从相位分布图中可以看出轨道角动量的电场相位分布出现和图7类似的相位奇点，呈涡旋状相位分布，这种相位变化满足标准轨道角动量波束中的e-ilπ相位波前。从上述仿真结果可以看出，该透射型人工电磁表面产生的电磁波束符合轨道角动量电磁波的特征，也证明了相位补偿公式的正确性。

Claims (3)

1.一种产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元，其特征在于，包括金属层、金属柱（1）和介质基板（3）；在所述介质基板（3）上下两面都具有金属层，且两层金属层的结构相同、上下对应设置；
每一个金属层都由4片金属贴片（2）组成，所述金属贴片（2）为弧度π/4的弧形金属贴片，4片金属贴片（2）一端共同相接于电磁表面单元中心，相邻两片金属贴片（2）以电磁表面单元中心为圆心相隔90°，4片金属贴片（2）的弯曲方向一致，在4片金属贴片（2）的远离电磁表面中心一段距离的位置都设置有连接上下金属层的金属柱（1）。
2.根据权利要求1所述的产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元，其特征在于，所述金属柱（1）远离电磁表面单元中心π/12弧度。
3.根据权利要求1所述的产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元，其特征在于，所述人工电磁表面单元的长度P=2.6mm；所述介质基板（3）采用Rogers 5880介质基板，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.4mm；所述金属贴片（2）的半径R2的变化范围为0.4mm至1.3mm。
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