CN114284742B

CN114284742B - 数字编码透射超构表面的多波束oam系统

Info

Publication number: CN114284742B
Application number: CN202111513920.XA
Authority: CN
Inventors: 李思佳; 李卓越; 黄国帅; 刘小宾; 杨欢欢; 李桐
Original assignee: Air Force Engineering University of PLA
Current assignee: Air Force Engineering University of PLA
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2041-12-10
Also published as: CN114284742A

Abstract

数字编码透射超构表面单元包括一层介质和两层金属贴片，上下两层金属贴片完全相等，金属贴片表面类似于两大小结构不同，大小相同的双箭头结构组成。以旋转角度

为周期旋转金属贴片获得8种编码单元。设计具有不同功能的二维编码超构表面阵列，通过将8种编码单元“0”‑“7”的一部分或全部，分别编码成能够实现特定功能的二维编码超构表面阵列，将不同功能超构表面阵列通过以8为模进行模加运算来实现方向图卷积，获得用于实现复合功能的数字编码透射超构表面阵列。采用线极化喇叭天线作为发射端，超构表面阵列放置在线极化喇叭天线前方并与其保持一定距离，构成数字编码透射超构表面的多波束OAM系统。本发明能有效缓解实时信息交互困难，频带资源短缺问题。

Description

数字编码透射超构表面的多波束OAM系统

技术领域

本发明涉及数字编码透射超构表面设计以及多波束OAM实现技术，具体涉及一种数字编码透射超构表面的多波束OAM系统。

背景技术

电磁超构材料是一种人工复合型材料，通过人工微结构的设计和空间序构的排列，打破某些自然规律的限制，从而获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料。超构材料的二维表现形式称为电磁超构表面(Metasurface，MS)，简称为超表面，2014年，崔铁军院士提出了“数字编码超材料”和“可编程超表面”引起了国内外学者的广泛关注。2016年，Yu等人提出了一种的双层单元构成的谐振结构，可以实现1＝1模态的OAM波束具有3GHz的带宽工作特性。(Shixin Yu，Long Li，Guangming Shi，Appl.Phys.Lett，vol.108，no.12，pp.108-112，2016.) Xu等人提出了一款双层超表面单元可以独立控制x极化波和y极化波，通过双层正交结构设计，可以在不产生过多串扰的情况下独立控制反射相位，可以实现6.95-18GHz超宽带范围内实现OAM波束。(Hexiu Xu，Haiwen Liu，Xiaohui Ling，IEEETrans.Antennas Propag，vol.65，no.12，pp.7378-7382，2017.)同时，对于超表面单元而言，实现超表面相位突变的方式不仅限于依靠结构参数变化的结构相位，基于单元结构旋转而引起的相位变化同样可以应用于超表面设计中。 Ran等人设计的一种基于PB相位原理的结构可以实现圆极化波的完美转换。此结构在12-18GHz可以激发2模态涡旋波束且效率可达到75.76％。(Yuzhou Ran， Jiangang Liang，Tong Cai，Opt.Commun.vol.427，no.07，pp：101-106，2018)2018 年，Zhang等人提出的“时空编码超构表面”，Lei Zhang，Xiao QingChen，Shuo Liu，Qian Zhang，Jie Zhao，Jun Yan Dai，Guo Dong Bai，Xiang Wan，QiangCheng，Giuseppe Castaldi，Vincenzo Galdi，Tie Jun Cui，Space-time-coding digitalmetasurface，Nat.Commun，2018，vol，9，pp：4334.)为解决无线通信领域频谱资源短缺问题提供了新方法与思路。透射式超构表面由于损耗不可忽略，且单元调控中需要考虑的更多参数，要实现高效率的透射超构表面仍是一个很大的挑战， 2017年Zhang等人提出的基于反射超构表面的卷积运算，通过模加实现不同的功能，将此方法延伸到透射超构表面中，为解决透射多功能问题提供了良好的理论基础。(Lei Zhang，Shuo Liu，LiangLin Li andTieJun Cui，ACS Applied Materials&Interfaces，2017，9，36447-36455.)。就现有的研究现状而言，透射型超构表面的研究相对较少，通过透射超构表面实现多波束OAM更是鲜有报道。多波束OAM可以提升通信容量，缓解现阶段频谱资源紧缺的问题。因此为了满足现阶段多通道无线通信领域的应用需求，基于透射超构表面的多波束OAM实现具有重要的研究意义。

发明内容

为实现多波束OAM，本发明提供一种实现多波束OAM的数字编码透射超构表面单元，以下简称“单元”，由一层介质和与其贴合的前后两层金属贴片组成，其中

介质板自前而后或自后而前看，均为正方形，其边长为p；介质厚度为t；

前方金属贴片包括向上双箭头和向下双箭头；向上双箭头包括上方大箭头、下方小箭头和竖直杆，大箭头、小箭头均指向上且关于竖直杆为对称；大箭头包括呈一定角度的两根长斜杆，小箭头包括呈同样角度的两根短斜杆；长斜杆长度为b1；长斜杆与直杆之间的夹角为α；短斜杆与长斜杆平行，其长度为b2；长斜杆与短斜杆之间的垂直距离为m；组成箭头的所有杆的宽度为w；向上双箭头下端原地不动，将向上双箭头垂直于纸面向下翻转，直至贴到介质板上，即形成为向下双箭头；向上双箭头和向下双箭头的竖直杆总长度为l；金属贴片中心与介质板前表面中心重合，竖直杆与介质板前表面左右两侧的边平行；

后方金属贴片与前方金属贴片结构完全相等且位置完全对应地放置。

在本发明的一个实施例中，介质板边长p范围为6-14mm；介质厚度t范围为2-3mm。

在本发明的一个具体实施例中，介质板边长p为10mm；介质厚度t为 2.5mm；介电常数选取范围为2.2-4.0范围内。

在本发明的另一个实施例中，长斜杆长度b1在3.5-4.5mm范围内；两根长斜杆之间的夹角α取值范围为90°-150°；短斜杆长度b2取值范围为1.0-1.5mm；长斜杆与短斜杆之间的垂直距离m取值范围为0.3-0.7mm；组成箭头的所有杆的宽度w取值范围为0.8-1.2mm。

在本发明的另一个具体实施例中，长斜杆长度b1为4.06mm；两根长斜杆之间的夹角α为130°；短斜杆长度b2为1.2mm；长斜杆与短斜杆之间的垂直距离m为0.46mm；组成箭头的所有杆的宽度w为1.08mm；金属贴片厚度取值范围为0.015-0.045mm。

在本发明的又一个实施例中，在xoy平面内，金属贴片以

为周期进行旋转，形成P种编码单元“0”-“P”。

在本发明的又一个具体实施例中，在xoy平面内，金属贴片以

为周期进行旋转，旋转角度分别为“0°”，“22.5°”，“45°”，“67.5°”，“90°”，“112.5°”，“135°”，“157.5°”；形成8种编码单元“0”-“7”。

还提供一种用于实现复合功能的数字编码透射超构表面阵列，其采用上述的P种编码单元“0”-“P”排列呈二维编码超构表面阵列，根据需要的编码超构表面特性，设计N种具有不同功能的二维编码超构表面阵列，通过对P种编码单元“0”-“P”的一部分或全部进行编码，分别形成能够实现特定功能的二维编码超构表面阵列，根据实际需要，不同功能的二维编码超构表面阵列通过以P为模进行模加运算来实现方向图卷积，获得用于实现复合功能的数字编码透射超构表面阵列。

在本发明的一个实施例中，通过对P种编码单元“0”-“P”的一部分或全部进行编码，分别实现2模态OAM编码、四波束偏转编码与相位补偿编码，获得相应二维编码超构表面阵列，将这三种二维编码超构表面阵列通过以P为模进行模加运算来实现方向图卷积，获得2模态四波束OAM的二维编码超构表面阵列。

此外，提供一种数字编码透射超构表面的多波束OAM系统，其采用上述用于实现复合功能的数字编码透射超构表面阵列，以下简称“超构表面阵列”，采用线极化喇叭天线作为发射端，超构表面阵列放置在线极化喇叭天线前方并与其保持一定距离，线极化喇叭天线发射电磁波，电磁波透过超构表面阵列形成2 模态四波束OAM向空间辐射。

另外，还提供一种数字编码透射超构表面的多波束OAM系统的测试系统，其采用由线极化喇叭天线和超构表面阵列组成的数字编码透射超构表面的多波束OAM系统，线极化喇叭天线作为发射端，超构表面阵列放置在线极化喇叭天线前方并与其保持一定距离，将矢量网络分析仪连接至线极化喇叭天线上；发射端对面放置圆极化喇叭作为接收端，圆极化喇叭中心同样正对超构表面阵列中心，与超构表面阵列保持一定距离；由线极化喇叭天线与超构表面共同构成数字编码透射超构表面的多波束OAM系统；测试均在微波暗室内完成；线极化喇叭天线发射电磁波，电磁波透过超构表面继续向前，被圆极化喇叭天线接收到，通过圆极化喇叭天线远场测试得到透射OAM波束的方向图，再通过近场测试得到透射OAM波束的幅度与相位分布结果。

本发明将数字编码透射超构表面的方向图卷积定理与超构表面PB相位原理相结合，通过相位补偿、波束偏转、OAM编码相位功能叠加，提出基于数字编码透射超构表面的多波束OAM实现技术。本发明提出的超构表面能实现向多个方向透射出l＝+2模态的电磁涡旋波束，可提升通信容量。本发明在频谱资源短缺的无线通信领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1示出本发明实现多波束OAM的数字编码透射超构表面的单元示意图、旋转单元结构示意图、以及数字编码单元示意图。其中图1(a)示出数字编码透射超构表面单元的透视示意图，图1(b)示出双箭头金属贴片的结构示意图，图1(c)示出旋转单元结构在u-v坐标系下的示意图，图1(d)示出数字编码单元7种结构的示意图；

图2示出实现多波束OAM的数字编码超构表面单元在线极化与圆极化波入射时透射的频率响应；其中，图2(a)是“0”编码单元在x极化波和y极化波入射时的透射幅度、透射相位、透射相位差；图2(b)是7种编码单元在圆极化入射下的透射幅度；图2(c)是7种编码单元在右旋圆极化波入射时透射相位变化曲线；图2(d)是7种编码单元在左旋圆极化波入射时透射相位变化曲线；

图3示出数字编码透射超构表面实现多波束OAM阵列排布的具体方案，其中图3(d)四波束OAM实现的阵列分布图由图3(a)2模态OAM编码、图3(b)四波束偏转编码与图3(c)相位补偿编码卷积而成；

图4示出实现多波束OAM的数字编码透射超构表面在微波暗室内测试示意图、仿真样品及加工样品的结构示意图，其中图4(a)示出数字编码透射超构表面在微波暗室内测试示意图；图4(b)示出仿真样品的正面示意图；图4(c)示出加工样品的正面示意图；

图5示出实现多波束OAM的数字编码透射超构表面的在45°方位角和 135°方位角时两个OAM波束的仿真与测试曲线结果，其中图5(a)示出多波束 OAM在45°方位角时的远场方向图；图5(b)示出多波束OAM在135°方位角时的远场方向图，图5(c)示出多波束OAM在垂直于一个波束的平面的近场测试幅度分布结果，图5(d)示出了多波束OAM在垂直于一个波束的平面的近场测试相位分布结果。

具体实施方式

本发明提出一种实现多波束OAM的数字编码透射超构表面，超构表面单元(以下简称“单元”)结构示意图如图1(a)-(c)所示，单元由一层介质和与其贴合的前后两层金属贴片组成。

介质板自前而后或自后而前看，均为正方形，其边长为p，边长p范围为 6-14mm，优选值为10mm；介质厚度t在2-3mm范围内，优选值为2.5mm；介电常数选取范围为2.2-4.0范围内，优选值为3.66，损耗角正切值范围为 0.001-0.020，优选值为0.004。

前方金属贴片包括向上双箭头和向下双箭头。向上双箭头包括上方大箭头、下方小箭头和竖直杆，大箭头、小箭头均指向上且关于竖直杆为对称。大箭头包括呈一定角度的两根长斜杆，小箭头包括呈同样角度的两根短斜杆。长斜杆长度b1在3.5-4.5mm范围内，优选值为4.06mm。两根长斜杆之间的夹角α取值范围为90°-150°，优选值为130°。短斜杆与长斜杆平行，其长度b2取值范围为1.0-1.5mm，优选值为1.2mm。长斜杆与短斜杆之间的垂直距离m取值范围为 0.3-0.7mm，优选值为0.46mm。组成箭头的所有杆的宽度w取值范围为 0.8-1.2mm，优选值为1.08mm。金属贴片厚度取值范围为0.015-0.045mm，优选值为0.036mm。向上双箭头下端原地不动，将向上双箭头垂直于纸面向下翻转，直至贴到介质板上，即形成为向下双箭头。向上双箭头和向下双箭头的竖直杆总长度l取值范围为6-8mm，优选7mm。金属贴片中心与介质板前表面中心重合，竖直杆与介质板前表面左右两侧的边平行。

建立xyz直角坐标系，其中x轴指向右，y轴指向上，z轴垂直于纸面指向前。以金属贴片中心为轴，在xoy平面内，金属贴片以

为周期进行旋转，旋转角度分别为“0°”，“22.5°”，“45°”，“67.5°”，“90°”，“112.5°”，“135°”，“157.5°”。形成编码单元“0”-“7”，其结构如图1(d)所示。

本发明提出的实现多波束OAM的数字编码透射超构表面由电磁仿真软件 CSTStudio Suite 2020仿真实现。将设计的超构表面单元置于无限周期边界条件下进行仿真，将双端口结构中发射端口与接收端口同时设置线极化电磁波。图2(a)示出所提出的超构表面单元在线极化电磁波入射条件下透射系数t_xx与t_yy的幅度、相位以及相位差的仿真结果。从图中可以看出在9.3GHz工作频点透射幅度|t_xx|＝|t_yy|＝0.83，相位差为180°。图2(b)示出7种编码单元在圆极化入射下的透射幅度。从图中可以看出透射幅度在0.8附近。图2(c)-(d)分别示出7种编码单元在右旋圆极化波和左旋圆极化波入射时透射相位变化曲线，从相位相应曲线可以看出，透射相位呈现出2θ的周期变化，同时也说明提出的超构表面单元通过旋转结构可以实现360°相位调控。通过图示仿真结果，说明本发明提出的超构表面满足PB相位的工作原理，可作为多波束OAM实现的基本单元。

图3示出本发明提出的数字编码透射超构表面实现多波束OAM阵列排布的具体方案，以下将数字编码透射超构表面简称为“超构表面”，超构表面由40×40 个超构表面单元组成，并在一端馈有线极化喇叭天线。喇叭天线可视作点源，发出的波束为球面波，为了满足入射平面波的相位要求，需要对球面波进行相位补偿。图3(d)示出了2模态四波束OAM实现的阵列灰度图，以不同灰度分别对应8种旋转单元，图3(d)所示阵列分布结果是由图3(a)中的2模态OAM编码、图3(b)中的四波束偏转编码与图3(c)中的相位补偿编码通过方向图卷积形成，其中图3(a)中的2模态OAM编码、图3(b)中的四波束偏转编码、图3(c)中的相位补偿编码均通过计算机仿真形成，同样是以不同灰度分别对应8种编码单元。其中方向图卷积是由不同功能的编码方向图(例如图3(a)中的2模态OAM编码、图3(b)中的四波束偏转编码、图3(c)中的相位补偿编码)通过以8为模进行模加运算来实现。其中图3(a)中的2模态OAM编码、图3(b)中的四波束偏转编码、图3(c)中的相位补偿编码都可根据定义计算得到，为本领域技术人员熟知。因本发明中通过旋转金属贴片共形成8种超构表面单元，因此方向图卷积是通过以8 为模进行模加运算来实现的，如产生的超构表面单元为16种，则需要通过以16为模进行模加运算。根据数字编码超构表面卷积定理可知，图3(c)中的相位补偿编码可实现入射波从球面波到平面波的转换，图3(b)中的四波束偏转编码可实现多波束的目的，与图3(a)中提到的2模态OAM编码功能叠加，即可产生拥有以上三种功能的超构表面，如图3(d)所示，从而形成沿4个方向偏转的OAM波束。基于此结构产生的四波束OAM偏转角度可由超构表面单元控制，实现任意角度的偏转。将图3(d)示出的不同灰度还原为超构表面单元旋转对应的角度时，结构如图4(b)-(c)所示。图4(b)示出了还原后的超构表面在仿真条件下的示意图，图4(c)示出了超构表面的加工样件。同样，当我们对不同功能的编码进行模加运算时，则可产生对应的拥有以上功能的新型超构表面。

本发明提出的实现多波束OAM的数字编码透射超构表面通过仿真模拟与加工测量验证了发明的可行性。图4示出了微波暗室条件下多波束OAM的测试环境，微波暗室为本领域技术人员熟知，不再累述。设计加工的400mm×400mm 的编码超构表面阵列总共由1600个单元组成。将矢量网络分析仪(仅作为测试仪器)连接至线极化喇叭天线上，线极化喇叭天线作为发射端，超构表面竖立，线极化喇叭天线中心正对着超构表面中心，两者相距一定的距离，取值范围为 200-400mm，优选值为300mm。在图4(a)中，将线极化喇叭天线和超构表面放置在转台上，便于进行多种测试目的。发射端对面放置圆极化喇叭作为接收端，圆极化喇叭中心同样正对超构表面阵列中心(的另一面)，与超构表面阵列保持一定距离，取值范围为1000-2000mm，优选值为1500mm。由线极化喇叭天线与超构表面共同构成数字编码透射超构表面的多波束OAM系统。所有的测试均在微波暗室内完成。线极化喇叭天线发射电磁波，电磁波透过超构表面继续向前，被圆极化喇叭天线接收到，通过圆极化喇叭天线远场测试得到透射 OAM波束的方向图，再通过近场测试得到透射OAM波束的幅度与相位分布结果。

图5(a)-(b)分别示出了在45°和135°方位角时两个OAM波束的仿真与测试曲线，图示结果可以看出波束偏转角度约为34.0°，与理论计算值相等，波束能量达13.9dBi，图5(c)示出多波束OAM在垂直于一个波束的平面的近场测试幅度分布结果，波束中间能量有明显的零陷效应；图5(d)示出了多波束OAM 在垂直于一个波束的平面的近场测试相位分布结果，相位呈现涡旋状分布。测试结果与理论分析结果相符，证明仿真结果与测试结果具有良好的一致性，基本达到预期指标要求。通过加工测试验证了本发明提出的数字透射超构表面的多波束OAM系统，该系统具有良好的性能。

本发明的数字编码透射超构表面的多波束OAM系统能有效缓解实时信息交互困难，频带资源短缺问题。通过多波束的方式建立多通道系统，利用轨道角动量相互隔离的特点，来达到通信扩容的目的，为解决多目标之间的信息有效传输提供了重要的思路。提出的数字编码透射超构表面的多波束OAM系统在多通道无线通信系统中有重要的应用价值。

Claims

1.实现多波束OAM的数字编码透射超构表面单元，以下简称“单元”，由一层介质和与其贴合的前后两层金属贴片组成，其特征在于

前方金属贴片包括向上双箭头和向下双箭头；向上双箭头包括上方大箭头、下方小箭头和竖直杆，大箭头、小箭头均指向上且关于竖直杆为对称；大箭头包括呈一定角度的两根长斜杆，小箭头包括呈同样角度的两根短斜杆；长斜杆长度为b1；两根长斜杆之间的夹角为α；短斜杆与长斜杆平行，其长度为b2；长斜杆与短斜杆之间的垂直距离为m；组成箭头的所有杆的宽度为w；向上双箭头下端原地不动，将向上双箭头垂直于纸面向下翻转，直至贴到介质板上，即形成为向下双箭头；向上双箭头和向下双箭头的竖直杆总长度为l；金属贴片中心与介质板前表面中心重合，竖直杆与介质板前表面左右两侧的边平行；在xoy平面内，金属贴片以

为周期进行旋转，形成P种编码单元“0”-“P”；

2.如权利要求1所述的实现多波束OAM的数字编码透射超构表面单元，其特征在于，介质板边长p范围为6-14mm；介质厚度t范围为2-3mm。

3.如权利要求2所述的实现多波束OAM的数字编码透射超构表面单元，其特征在于，介质板边长p为10mm；介质厚度t为2.5mm；介电常数选取范围为2.2-4.0范围内。

4.如权利要求1所述的实现多波束OAM的数字编码透射超构表面单元，其特征在于，长斜杆长度b1在3.5-4.5mm范围内；两根长斜杆之间的夹角α取值范围为90°-150°；短斜杆长度b2取值范围为1.0-1.5mm；长斜杆与短斜杆之间的垂直距离m取值范围为0.3-0.7mm；组成箭头的所有杆的宽度w取值范围为0.8-1.2mm。

5.如权利要求4所述的实现多波束OAM的数字编码透射超构表面单元，其特征在于，长斜杆长度b1为4.06mm；两根长斜杆之间的夹角α为130°；短斜杆长度b2为1.2mm；长斜杆与短斜杆之间的垂直距离m为0.46mm；组成箭头的所有杆的宽度w为1.08mm；金属贴片厚度取值范围为0.015-0.045mm。

6.如权利要求1所述的实现多波束OAM的数字编码透射超构表面单元，其特征在于，在xoy平面内，金属贴片以

7.用于实现复合功能的数字编码透射超构表面阵列，其采用如权利要求1至6任一项所述的P种编码单元“0”-“P”排列呈二维编码超构表面阵列，其特征在于，根据需要的编码超构表面特性，设计N种具有不同功能的二维编码超构表面阵列，通过对P种编码单元“0”-“P”的一部分或全部进行编码，分别形成二维编码超构表面阵列，根据实际需要，不同功能的二维编码超构表面阵列通过以P为模进行模加运算来实现方向图卷积，获得用于实现复合功能的数字编码透射超构表面阵列。

8.如权利要求7所述的用于实现复合功能的数字编码透射超构表面阵列，其特征在于，通过对P种编码单元“0”-“P”的一部分或全部进行编码，分别实现2模态OAM编码、四波束偏转编码与相位补偿编码，获得相应二维编码超构表面阵列，将这三种二维编码超构表面阵列通过以P为模进行模加运算来实现方向图卷积，获得2模态四波束OAM的二维编码超构表面阵列。

9.数字编码透射超构表面的多波束OAM系统，其采用如权利要求7或8所述的用于实现复合功能的数字编码透射超构表面阵列，以下简称“超构表面阵列”，其特征在于，采用线极化喇叭天线作为发射端，超构表面阵列放置在线极化喇叭天线前方并与其保持一定距离，线极化喇叭天线发射电磁波，电磁波透过超构表面阵列形成2模态四波束OAM向空间辐射。

10.数字编码透射超构表面的多波束OAM系统的测试系统，其采用由线极化喇叭天线和如权利要求7或8所述的超构表面阵列组成的数字编码透射超构表面的多波束OAM系统，线极化喇叭天线作为发射端，超构表面阵列放置在线极化喇叭天线前方并与其保持一定距离，将矢量网络分析仪连接至线极化喇叭天线上；发射端对面放置圆极化喇叭作为接收端，圆极化喇叭中心同样正对超构表面阵列中心，与超构表面阵列保持一定距离；由线极化喇叭天线与超构表面共同构成数字编码透射超构表面的多波束OAM系统；测试均在微波暗室内完成；线极化喇叭天线发射电磁波，电磁波透过超构表面继续向前，被圆极化喇叭天线接收到，通过圆极化喇叭天线远场测试得到透射OAM波束的方向图，再通过近场测试得到透射OAM波束的幅度与相位分布结果。