CN114336075B - 一种涡旋电磁超表面结构及其涡旋电磁波产生方法 - Google Patents

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本发明公开一种涡旋电磁超表面结构及其涡旋电磁波产生方法，包括呈二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元，涡旋电磁超表面单元包括笑脸型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板，笑脸型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板由上至下依次层叠设置；本发明采用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10GHz产生高效涡旋波束，具有双极化工作的特性，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笑脸型金属单元、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斜入射正出射，极化不敏感和高增益等性能造成工作效率较低的问题。

Description

一种涡旋电磁超表面结构及其涡旋电磁波产生方法
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种涡旋电磁超表面结构及其涡旋电磁波产生方法。
背景技术
角动量本质上是电磁波的一种属性，Poynting于20世纪初从理论上推导出角动量，如实验证明的自旋角动量(SAM)、涡形拉盖尔-高斯光束角动量的存在性、轨道角动量(OAM)等，在结构化电磁场和光场，与通常提供有限信道的SAM相比，OAM承载更多正交模式，因此承载更大的信道容量，认识到这种潜力，OAM波束已被应用于许多场合，如无线电传播、光纤传输和量子通信。
为了实现这些应用，第一步是产生具有适当模式的涡旋波，众所周知，OAM涡旋光束以环形场为特征，具有螺旋相位波前，方位角相位项为
Figure BDA0003463370400000011
其中l为拓扑模式，
Figure BDA0003463370400000012
为绕传播轴的方位角，有很多方法可以获得这样的波前，一些常见的方法是通过螺旋相位板或全息板引入所需的相位延迟；显然，这种相位延迟依赖于光在远大于波长的距离上的传播，从而导致难以设计紧凑的器件，另一种近似方法是使用基于奈奎斯特理论的圆形天线阵列，然而，其复杂的馈电网络是一个缺点，基于Pancharatnam-Berry(PB)相位概念，超表面阵列可广泛用于产生相位、幅度或极化的突然变化。
目前的可重构阵列天线和开放谐振腔天线可以产生多模输出，但由于其复杂的馈电网络和多层结构的限制，模式纯度和增益并不理想，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，因此，本发明提出一种涡旋电磁超表面结构及其涡旋电磁波产生方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种涡旋电磁超表面结构，该结构的每一个涡旋电磁超表面单元由从上至下依次层叠设置的笑脸型金属单元、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斜入射正出射，极化不敏感和高增益等性能造成工作效率较低的问题。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种涡旋电磁超表面结构，包括呈二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元，所述涡旋电磁超表面单元包括笑脸型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板，所述笑脸型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板由上至下依次层叠设置，所述笑脸型金属单元的尺寸大小基于涡旋相位确定，所述笑脸型金属单元包括第一金属贴片和第二金属贴片，所述第一金属贴片上开设有弧形槽和呈左右对称分布的椭圆形通孔，所述第二金属贴片设有两组并分别设于第一金属贴片的两组所述椭圆形通孔内。
进一步改进在于：所述第一金属贴片和第二金属贴片的厚度均为0.017mm，所述中间层介电基板的厚度为1.5mm。
进一步改进在于：所述椭圆形通孔的椭圆中点与y轴的夹角为5°。
进一步改进在于：所述弧形槽的终点与起点关于y轴对称，所述弧形槽的中心在坐标轴原点，所述第二金属贴片为椭圆形，两组所述第二金属贴片关于y轴对称且与y轴的夹角为5°。
进一步改进在于：所述第一金属贴片、第二金属贴片和底层金属接地板的材质均为铜。
进一步改进在于：所述笑脸型金属单元的半径为涡旋相位的函数，所述涡旋相位基于涡旋相位分布函数计算得到，所述涡旋相位分布函数的计算公式为：
Figure BDA0003463370400000031
式中，
Figure BDA0003463370400000032
为涡旋相位分布函数，l为0AM模态数，x，y分别为涡旋电磁超表面单元对应的横坐标和纵坐标。
进一步改进在于：计算相位分布函数时，将涡旋相位分布和聚焦相位分布相加之和作为涡旋电磁超表面单元排布的最终相位分布，所述聚焦相位分布的计算公式为：
Figure BDA0003463370400000033
式中，
Figure BDA0003463370400000034
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。
进一步改进在于：所述中间层介电基板采用F4B，所述中间层介电基板的介电常数为2.2，所述中间层介电基板的正切损耗常数为0.003。
一种涡旋电磁超表面结构的涡旋电磁波产生方法，包括以下步骤：先在涡旋电磁超表面结构上表面的斜上方设置馈源喇叭，接着通过馈源喇叭对涡旋电磁超表面结构的上表面进行激励，再由涡旋电磁超表面结构产生涡旋电磁波，所述馈源喇叭通过改变其极化方向使入射电磁波分别具备TE模式和TM模式。
本发明的有益效果为：本发明采用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10GHz产生高效涡旋波束，具有双极化工作的特性，而且馈源喇叭位于超表面斜上方，对出射的涡旋波束无阻挡，出射方向可根据需要设计，以实现灵活调控，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笑脸型金属单元、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斜入射正出射，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；
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笑脸型电磁超表面单元中笑脸型金属单元的半径大小依据,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。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的涡旋电磁超表面结构示意图；
图2是本发明的笑脸型金属单元结构示意图；
图3是本发明的实施例二中的反射波的幅度和相位变化示意图；
图4是本发明的实施例二中的TE实测与仿真结果图；
图5是本发明的实施例二中的TM实测与仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1、图2，本实施例提供了一种涡旋电磁超表面结构，包括呈二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元，涡旋电磁超表面单元包括笑脸型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板，笑脸型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板由上至下依次层叠设置，笑脸型金属单元的尺寸大小基于涡旋相位确定，笑脸型金属单元包括第一金属贴片和第二金属贴片，第一金属贴片上开设有弧形槽和呈左右对称分布的椭圆形通孔，第二金属贴片设有两组并分别设于第一金属贴片的两组椭圆形通孔内，采用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10GHz产生高效涡旋波束，具有双极化工作的特性，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笑脸型金属单元、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斜入射正出射，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。
第一金属贴片和第二金属贴片的厚度均为0.017mm，中间层介电基板的厚度为1.5mm。
第一金属贴片半径为r,椭圆形通的孔半长轴为a2，椭圆形通孔的半短轴为b2，椭圆形通孔的椭圆中点为O2，椭圆形通孔的椭圆中点与y轴的夹角为5°。
弧形槽的起点为A，弧形槽的终点与起点关于y轴对称，弧形槽的中心在坐标轴原点，弧形槽的圆弧宽度为w，第二金属贴片为椭圆形且半长轴为a1，且半短轴为b1，第二金属贴片的椭圆中点为O1，两组第二金属贴片关于y轴对称且与y轴的夹角为5°。
第一金属贴片、第二金属贴片和底层金属接地板的材质均为铜。
笑脸型金属单元的半径为涡旋相位的函数，涡旋相位基于涡旋相位分布函数计算得到，涡旋相位分布函数的计算公式为：
Figure BDA0003463370400000061
式中，
Figure BDA0003463370400000062
为涡旋相位分布函数，l为0AM模态数，x，y分别为涡旋电磁超表面单元对应的横坐标和纵坐标。
计算相位分布函数时，将涡旋相位分布和聚焦相位分布相加之和作为涡旋电磁超表面单元排布的最终相位分布，聚焦相位分布的计算公式为：
Figure BDA0003463370400000071
式中，
Figure BDA0003463370400000072
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笑脸型电磁超表面单元中笑脸型金属单元的半径大小依据,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。
中间层介电基板采用F4B，中间层介电基板的介电常数为2.2，中间层介电基板的正切损耗常数为0.003。
本实施例还提供了一种涡旋电磁超表面结构的涡旋电磁波产生方法，包括以下步骤：先在涡旋电磁超表面结构上表面的斜上方设置馈源喇叭，接着通过馈源喇叭对涡旋电磁超表面结构的上表面进行激励，再由涡旋电磁超表面结构产生涡旋电磁波，馈源喇叭通过改变其极化方向使入射电磁波分别具备TE模式和TM模式，馈源喇叭位于超表面斜上方，对出射的涡旋波束无阻挡，出射方向可根据需要设计，以实现灵活调控。
实施例二
参见图1，笑脸型金属单元阵列排列在背面为金属接地平面的中间层介电基板上，每个元素位于rm，n，与x轴成
Figure BDA0003463370400000081
角，馈电喇叭天线放置在rf，与中间层介电基板表面的法线成θ角。
来自涡旋电磁超表面的任意方向
Figure BDA0003463370400000082
的两个正交极化的反射电场将具有以下形式：
Figure BDA0003463370400000083
其中，F是馈电方向图函数，A是超表面单元方向图函数，rm，n是第mn个元素的位置向量，k0是真空中的传播常数，
Figure BDA0003463370400000084
是来自超表面的输出主波束设计的方向，为了产生反射涡旋波，可以通过下式获得OAM涡旋光束在x-和y-极化中的每个单元所需的相移：
Figure BDA0003463370400000085
其中，lx和ly分别是x-和y-极化分量所需的OAM模式数，
Figure BDA0003463370400000086
和
Figure BDA0003463370400000087
是第mn个元素的方位角，并且是第mn个元素的x和y极化分量所需的补偿相位。
选择笑脸形状作为阵列单元贴片，该阵列贴片在1.5毫米厚的F4B基板(εr＝2.2,tanδ＝0.003)上，基板后面是金属地，单元关于y轴对称，如图2所示，该元素的一些主要参数列于下表1中，O点是笑脸金属贴片和嘴巴中心弧线的中心点，嘴弧的起点是A(-r/2，-r/4)；O1(r/3，r/4.8)和O2(-r/3，-r/3)分别是椭圆眼睛形状和椭圆眼廓的中心点，每个椭圆的长轴与y轴之间的夹角为5°。
表1GEOMETRICAL PARAMETERS OF THE PROPOSED STRUCTURE
Figure BDA0003463370400000091
反射波的幅度(Reflection Magnitude)和相位(Reflection Phase)与不同r的关系绘制在图3中，可以看出，相位在300°以上的范围内呈现连续变化，TE波入射和TM波入射的相位差小于10°，从幅度上可以看出，两种模式的损耗都小于0.12dB，TE和TM模式之间的相差小于0.1dB。
馈源喇叭位于超表面的前面，喇叭位置为rf＝(0，85，190)mm，该位置相对于阵列表面中心，斜入射角为26.6°，该阵列由19×19个单元组成，总面积为285mm×285mm(工作在10GHz)。
对本发明的涡旋电磁超表面结构进行仿真实验，结果如图4、图5所示：
近场结果在仿真软件中，取采样平面平行于超表面天线，距离分别为350，375，400mm三个平面，平面大小为300mm乘300mm，采样间隔为3mm，得到每个采样点主极化电场的幅值和相位。
图4为TE实测与仿真结果图，其中a、b为天线近场仿真结果，d、e为天线近场测试结果，c为天线远场E面测试(Meas.)与仿真(Sim.)结果，f为天线远场H面测试(Meas.)与仿真(Sim.)结果；
图5为TM实测与仿真结果图，其中a、b为天线近场仿真结果，d、e为天线近场测试结果，c为天线远场E面测试(Meas.)与仿真(Sim.)结果，f为天线远场H面测试(Meas.)与仿真(Sim.)结果。
通过仿真软件结合Python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斜入射正出射，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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种涡旋电磁超表面结构，其特征在于：包括呈二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元，所述涡旋电磁超表面单元包括笑脸型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板，所述笑脸型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板由上至下依次层叠设置，所述笑脸型金属单元的尺寸大小基于涡旋相位确定，所述笑脸型金属单元包括第一金属贴片和第二金属贴片，所述第一金属贴片上开设有弧形槽和呈左右对称分布的椭圆形通孔，所述第二金属贴片设有两组并分别设于第一金属贴片的两组所述椭圆形通孔内；
所述椭圆形通孔的椭圆中点与y轴的夹角为5°；
所述弧形槽的终点与起点关于y轴对称，所述弧形槽的中心在坐标轴原点，所述第二金属贴片为椭圆形，两组所述第二金属贴片关于y轴对称且与y轴的夹角为5°；
所述笑脸型金属单元的半径为涡旋相位的函数，所述涡旋相位基于涡旋相位分布函数计算得到，所述涡旋相位分布函数的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为涡旋相位分布函数，l为0AM模态数,x,y分别为涡旋电磁超表面单元对应的横坐标和纵坐标；
计算相位分布函数时，将涡旋相位分布和聚焦相位分布相加之和作为涡旋电磁超表面单元排布的最终相位分布，所述聚焦相位分布的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
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。
2.根据权利要求1所述的一种涡旋电磁超表面结构，其特征在于：所述第一金属贴片和第二金属贴片的厚度均为0.017mm，所述中间层介电基板的厚度为1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种涡旋电磁超表面结构，其特征在于：所述第一金属贴片、第二金属贴片和底层金属接地板的材质均为铜。
4.根据权利要求1所述的一种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F4B，所述中间层介电基板的介电常数为2.2，所述中间层介电基板的正切损耗常数为0.003。
5.一种使用权利要求1-4任意一项所述的涡旋电磁超表面结构产生涡旋电磁波的方法，其特征在于，包括以下步骤：先在涡旋电磁超表面结构上表面的斜上方设置馈源喇叭，接着通过馈源喇叭对涡旋电磁超表面结构的上表面进行激励，再由涡旋电磁超表面结构产生涡旋电磁波，所述馈源喇叭通过改变其极化方向使入射电磁波分别具备TE模式和TM模式。
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