CN111969328B

CN111969328B - 一种基于双层超表面的高性能oam波束发生器

Info

Publication number: CN111969328B
Application number: CN202010725022.XA
Authority: CN
Inventors: 高喜; 唐李光; 李思敏
Original assignee: Guangxi University of Science and Technology
Current assignee: Guangxi University of Science and Technology
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2040-07-24
Also published as: CN111969328A

Abstract

本发明公开了一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，由至少八组结构单元组拼接而成，结构单元组由若干子单元组成，子单元包括十字形金属贴片和介质板，十字形金属贴片与介质板固定连接，十字形金属贴片包括上层十字形贴片和下层十字形贴片，上层十字形贴片包括侧翼和主体片，通过在垂直引入半个周期的位移，使得垂直极化透射波与水平透射波的相位差在宽频带范围内等于180°，极大拓展了器件的工作带宽，同时利用层间的电磁互耦特性，使得器件在宽频带范围内具有高传输效率，在此基础上，结合几何相位(PB)原理，将结构单元组按照区域进行排列，形成具有宽带、高透射率、厚度超薄等优点的OAM波束生成器。

Description

一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器。

背景技术

不同模态的轨道角动量(OAM)的正交性使得OAM波束能够在同一频率下同时传输多种信号，可用于提高频谱利用率，从而提高信道容量，OAM波束的利用最初集中在光学领域，最近又被用于微波频段的无线通信和雷达成像。通常，产生OAM波束有两种方法：(1)由相控均匀圆阵列产生OAM波束；(2)将平面波变换产生OAM波束；而超表面是一种将亚波长单元结构在平面内周期或非周期排列而成的人工结构，它具有结构简单、厚度超薄、易加工等优点，同时通过设计单元结构的几何形式和排列方式，能够任意调控电磁波，因此，利用超表面能够获得OAM波束。

但是利用超表面获得OAM波束也存在许多问题，如传输效率低、频带窄等，增加超表面的层数能够有效拓展器件的工作带宽，但明显增加了器件的厚度，不利于集成。

发明内容

为解决现有技术中超表面OAM波束发生器的厚度大，不利于集成的问题，本发明提出一种基于双层超表面、厚度超薄的高性能OAM波束发生器。

一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，由至少八组结构单元组拼接而成，所述结构单元组由若干结构单元组成，所述子单元包括十字形金属贴片和介质板，所述十字形金属贴片与所述介质板固定连接，并分别位于所述介质板的上下两侧，所述十字形金属贴片包括上层十字形贴片和下层十字形贴片，所述上层十字形贴片包括侧翼和主体片，所述主体片沿所述介质板的长度延伸方向设置，所述侧翼则以垂直于所述主体片的方向与所述主体片固定连接。

其中，所述下层十字形贴片包括上半片和下半片，所述上半片位于所述下半片的上侧，所述上半片与所述下半片沿所述介质板的中心线对称设置，且所述上半片与所述下半片拼接而成的贴片结构与所述上层十字形贴片的结构相同。

其中，所述上半片的上边缘与所述介质板的中心线的距离为平移长度，所述平移长度的范围为0～7.5mm。

其中，所述上层十字形贴片和所述下层十字形贴片的各面均为透射型超表面。

其中，所述子单元在电磁响应时，会产生垂直极化波和水平极化波，而所述垂直极化波和所述水平极化波在11～12.5GHz的频率范围内，相位差为180度。

其中，在11.03-12.85GHz的频率范围内，所述子单元的电磁响应将左旋圆极化波转换成右旋圆极化波。

其中，所述子单元的自阻抗在所述平移长度的范围内保持不变。

其中，当平移长度为0mm时，所述子单元的耦合阻抗在2.5～10GHz频率范围内为电容特性，在10～15GHz频率范围内为电感特性，当平移长度为7.5mm时，所述子单元的耦合阻抗在2.5～10G的频率范围内均为电感特性。

其中，所述结构单元组中的所述子单元相互拼接以形成若干条形子单元组，若干条所述条形子单元组组成所述结构单元组，所述条形子单元组在区域内均相对平行设置，所述条形子单元组的一端与区域的边缘抵接，所述条形子单元组的另一端则与相邻区域的所述条形子单元组抵接。

其中，还具有空心环，至少八组所述结构单元组环绕所述空心环设置，且所述结构单元组的相位随方位角由0变化到4π。

本发明的有益效果为：将两个由十字形结构构成的超表面印制在介质层的两个表面上，同时让两个超表面在垂直产生半个周期的位移，通过在垂直向引入半个周期的位移，使得垂直极化透射波与水平极化透射波的相位差在宽频带范围内等于180°，极大拓展了器件的工作带宽，同时利用层间的电磁互耦特性，使得器件在宽频带范围内具有高传输效率。在此基础上，结合几何相位(PB)原理，将结构单元组按照区域进行排列，形成具有宽带、高透射率、厚度超薄等优点的OAM波束生成器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器的结构示意图，其中，(a)为俯视图，(b)仰视图，(c)侧视图。

图2是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器的超表面子单元的透射系数及相位。

图3是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器的超表面单元对于左旋圆极化波入射的散射参数。

图4是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器的超表面子单元的透射系数，其中，(a)为垂直极化，即y极化，(b)为水平极化，即x极化。

图5(a)是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器的等效电路模型，图5(b)是等效电路与全波仿真的对比结果。

图6是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器的等效电路模型中的阻抗特性，其中，(a)中平移长度Ly＝0mm；(b)中平移长度Ly＝7.5mm。

图7是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器的等效电路结构，其中，(a)为阻抗网络；(b)为导纳网络。

图8是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器的等效电路的阻抗值，其中，(a)中平移长度Ly＝0mm；(b)中平移长度Ly＝7.5mm。

图9(a)是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器的超表面阵列的几何结构的整体结构排布。

图9(b)是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器的超表面阵列的几何结构的区域分布示意图。

图10是本发明一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器在高度z＝30mm处xoy内的电场强度及相位分布。

10-子单元组、20-子单元、30-条形子单元组、40-空心环、21-十字形金属贴片、22-介质板、211-上层十字形贴片、212-下层十字形贴片、213-侧翼、214-主体片、215-上半片、216-下半片。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图10，本发明提供一种技术方案：

具体实施例1：

参阅图1，优选一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，所述介质板22的介电常数为2.65，厚度为h＝2mm，单元周期为P＝15mm，其他结构参数如所述十字形金属贴片21的垂直长度为Dy＝11.2mm，水平长度Dx＝5.2mm，所述侧翼213的水平长度Wx＝1.5mm，垂直长度Wy＝1.6mm，所述平移长度Ly＝7.5mm，首先，对超表面的电磁响应进行仿真，并在9-14GHz频段范围内观察超表面的透射率及相位特性，参阅图2可知：

所述子单元20在11到12.5GHz的频率范围内，对水平X和垂直y的极化波都具有很高的透射率，且它们之间的相位差接近180度。因此，由几何相位原理可知，对所述子单元20进行旋转，能够实现对透射波的相位调控，为了更清晰的了解该结构在圆极化平面波激励下的电磁特性，进一步对该结构在左旋圆极化平面波激励下的电磁响应进行全波分析，参阅图3：

结果表明，所述子单元20在11.03-12.85GHz的频率范围内能将左旋圆极化波转换成右旋圆极化波，且透射率高于0.9，其相对带宽高达15.3％，说明超表面具有高透射率、宽频带的优良特性。

超表面单元的等效电路分析：

本发明所提出的超表面结构的主要特点在于上下两层超表面在垂直方向y方向存在错位，为了探究其内在的物理机理，分析超表面在不同所述平移长度Ly情况下的电磁特性，结果如图4所示：

从图4中可以明显看出，超表面结构沿着y方向进行位移所述平移长度Ly以后，y极化波的透射系数的幅度及相位变化明显，而x极化波的透射系数基本不变，此外，图4(a)显示，当所述平移长度Ly从0mm变到7.5mm时，y极化波的透射系数的相位在11-12.5GHz的频率范围内基本保持不变，而透射率得到大幅度提高，从0.1-0.4之间提高至0.9以上。

利用耦合电路模型对超表面沿y方向的电磁特性进行分析：

从图5(b)中可以看出，等效电路模型与全波仿真的结果吻合很好，证明了等效电路模型的精确性，由于本发明提出的结构具有对称性，因此其等效阻抗元素之满足Z₁₁＝Z₂₂以及Z₁₂＝Z₂₁的关系。

根据等效电路理论，其等效阻抗的解析表达式为：

由等效电路理论可知，等效电路模型中阻抗矩阵参数决定于超表面单元的表面电流分布，而在本发明提出的结构中，只是两层超表面沿y方向发生了所述平移长度Ly的位移，超表面子单元20的结构形式并没发生变化，因此所述子单元20的表面电流分布不会发生改变，当超表面发生平移长度Ly的位移后，N_i,h变为：

N′_i,h＝∫_u.c.J_i(x,y+L_y)·Φ_h(x,y)dxdy

＝N_i,hexp(jL_yk_my)＝N_i,hexp(j2πmL_y/P_y)

其中，Py为垂直y方向的周期长度，再将上式进行取代，则可得到耦合阻抗与位移距离Ly的关系为：

上式为超表面发生所述平移长度Ly的位移后，等效电路的互阻抗，而自阻抗(Z₁₁)在超表面发生位移前后不变，基于上述各式，分别画出Ly＝0mm及7.5mm情况下等效电路的阻抗特性，如图6所示，从图中可以看出，对于不同的所述平移长度Ly，自阻抗Z₁₁基本保持不变，而耦合阻抗(互阻抗)Z₁₂发生了很大的变化：当Ly＝0mm时Z₁₂在2.5-10GHz频率范围内为电容特性，在10-15GHz频率范围内呈电感特性；而当Ly＝7.5mm时，Z₁₂在2.5-10GHz的频率范围内都呈电感特性，正因为Z₁₂的这种变化，才使得超表面的透射率得到大幅度提高。

下面本发明从等效电路的网络理论出发讨论超表面具有高透射率时自阻抗与耦合阻抗需要满足的条件，由于图7(a)中的阻抗网络存在电压源，会对等效电路的分析造成一定的困难，因此将阻抗矩阵以及传输线转换为如图7(b)所示的π型网络，在图7(b)中，虚线区域内的导纳为：

Z_S,tl≈jμ₀ωd/2

从等效网络的电路结构容易看出，当虚线部分的等效电路产生谐振时，将会表现为高透射率状态，即满足以下的条件：

Z_resonate＝Z_S,tl//Z_S＝±j∞

Z_S,tl＝-Z_S

由上式可知，Z_s,tl介质的厚度以及磁导率有关，且呈电感性，因此，为了获得谐振条件，则要求Z_S的虚部数值为负，呈现电容性，图8为Z_s，tl和Z_S随频率的变化关系，由图8(a)可知，在f＝7.5GHz附近Z_S,tl＝-Z_S，对应于图4(a)中Ly＝0mm时谐振发生的位置。而图8(b)显示的结果完全不同，Z_S在11-12.5GHz频率范围内呈现电容性，并且在这区域内满足Z_S,tl≈-Z_S，说明在宽带范围内保持谐振状态。对比图4(a)，发现当Ly从0mm变到7.5mm时，y极化波在该频段(11-12.5GHz)的透射率得到大幅度提高，主要是因为超表面在该频段产生了谐振所致，由

可知，当Im(Z₁₂)为正数且尽可能大于Im(Z₁₁)，可以满足谐振条件，进一步，从上式中发现，超表面沿垂直y方向产生Ly的位移可以控制耦合阻抗Z₁₂，最终达到满足谐振条件的目的。

超表面的阵列结构及仿真：

为了能让超表面产生OAM波束，设计了如图9(a)所示的超表面，该结构主要是将提出的所述子单元20按照图9(b)划分区域进行排列而成，采用这种排列方式，能使透射波的相位在角向形成螺旋分布，从而实现OAM波束。

为了研究超表面的性能，本发明采用CST软件建模并对其电磁特性进行仿真分析。在仿真中，采用左旋圆极化均匀平面波激励超表面，仿真结果如图10所示，给出了超表面阵列在工作频带中右旋圆极化透射波在x-y面内的电场强度分布以及相位分布图。由图可知，其电场分布呈现明显的空心环状分布，而相位随着方位角由0变化到4π，综合图10(a)和图10(b)可以推断透射波为携带拓扑荷L＝2的涡旋波束。

本发明在现有技术的基础上，将两个超表面印制在介质层的两个表面上，同时让两个超表面在y方向产生半个周期的位移，通过在y方向引入半个周期的位移，使得y极化透射波与x极化透射波的相位差在宽频带范围内等于180°，极大拓展了器件的工作带宽，同时利用层间的电磁互耦特性，使得器件在宽频带范围内具有高传输效率，在此基础上，结合几何相位(PB)原理，将结构单元组按照区域进行排列，形成具有宽带、高透射率、厚度超薄等优点的OAM波束生成器。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，其特征在于，该OAM波束发生器，由至少八组结构单元组拼接而成，所述至少八组结构单元组将该OAM波束发生器分成至少八个区域，所述的OAM波束发生器还具有空心环，所述至少八组结构单元组环绕所述空心环设置，且所述结构单元组的相位随方位角由0变化到4π，所述结构单元组由若干子单元组成，所述子单元包括十字形金属贴片和介质板，所述十字形金属贴片与所述介质板固定连接，并分别位于所述介质板的上下两侧，所述十字形金属贴片包括上层十字形贴片和下层十字形贴片，所述上层十字形贴片与所述下层十字形贴片在垂直向上有半个周期的位移，所述上层十字形贴片包括侧翼和主体片，所述主体片的长度延伸方向为垂直向，与所述主体片长度方向垂直的方向为水平向，所述主体片在所述介质板上侧，使透射波的相位在角向形成螺旋分布，所述侧翼则以垂直于所述主体片的方向与所述主体片固定连接，所述结构单元组中的所述子单元相互拼接以形成若干条形子单元组，若干条所述条形子单元组组成所述结构单元组，所述条形子单元组在所在区域内均相对平行设置，最长的所述条形子单元组沿OAM波束发生器的径向一端指向OAM波束发生器的外侧，另一端指向所述空心环。

2.如权利要求1所述的一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，其特征在于，所述下层十字形贴片包括上半片和下半片，所述上半片和所述下半片为结构相同的凸字形片体，所述上半片位于所述下半片的上侧，所述上半片与所述下半片沿所述介质板的中心线对称设置，且所述上半片与所述下半片拼接而成的贴片结构与所述上层十字形贴片的结构相同。

3.如权利要求2所述的一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，其特征在于，所述上层十字形贴片与所述下层十字形贴片在垂直向上半个周期的位移距离为平移长度，所述平移长度的范围为0~7.5mm。

4.如权利要求2所述的一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，其特征在于，所述上层十字形贴片和所述下层十字形贴片的各面均为透射型超表面。

5.如权利要求4所述的一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，其特征在于，所述子单元在电磁响应时，会产生垂直极化波和水平极化波，而所述垂直极化波和所述水平极化波在11~12.5GHz的频率范围内，相位差为180度。

6.如权利要求4所述的一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，其特征在于，在11.03-12.85GHz的频率范围内，所述子单元的电磁响应将左旋圆极化波转换成右旋圆极化波。

7.如权利要求3所述的一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，其特征在于，所述子单元的自阻抗在所述平移长度的范围内保持不变。

8.如权利要求7所述的一种基于双层超表面的高性能OAM波束发生器，其特征在于，当平移长度为0mm时，所述子单元的耦合阻抗在2.5~10GHz频率范围内为电容特性，在10~15GHz频率范围内为电感特性，当平移长度为7.5mm时，所述子单元的耦合阻抗在2.5~10G的频率范围内均为电感特性。