CN114361800B - 一种基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动量波束产生方法 - Google Patents

一种基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动量波束产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动量波束产生方法。本发明首先提出了一种基于透射型超表面的天线，超表面天线设计为双层结构，在太赫兹波段，以喇叭天线作为馈源，集成低剖面的天线系统。通过机械改变双层超表面之间的相对旋转角，可以实现轨道角动量波束模态的可重构，且产生的波束是两种轨道角动量模态叠加的波束，为轨道角动量在太赫兹无线通信中复用打下基础。

Description

一种基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动 量波束产生方法
技术领域
本发明涉及轨道角动量波束的产生领域，尤其涉及一种用于太赫兹波段，可重构复用型模态太赫兹轨道角动量波束的产生方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(波长为3000μm～30μm)范围内的电磁波，介于微波段和红外光频段之间，具有很多独特的性质和鲜明的技术特点，在多领域具有潜在的应用，可广泛应用于遥感、雷达、高速数据通讯与传输方面等。
轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)，作为电磁波携带的基本属性，理论上来说具有无限个正交基，相比于传统调制技术，往往只对信号的幅度、频率、相位这三个线性动量进行信号的调制，然而电磁波不但传播线性动量，同样传播角动量J(AngularMomentum，AM)，角动量J由轨道角动量L和自旋角动量S(Spin Angular Momentum，SAM)组成，S表示电子自旋，与电磁波的极化方式有关，包含左旋和右旋圆极化两种方式；L表示电子绕传播轴旋转，与电磁波的空间分布有关，它使电磁波的相位波前呈涡旋状，而涡旋分布的电磁波在传输过程中携带轨道角动量，具有OAM的涡旋电磁波场方程可表示为：
Figure BDA0003410266900000011
Figure BDA0003410266900000012
其中A(r)为电磁波的幅值，r表示到波束中心轴线的辐射距离，
Figure BDA0003410266900000013
为相位旋转因子，
Figure BDA0003410266900000014
为垂直于传播方向的横截面的方位角，整数l为OAM模态数。不同l的OAM波空间结构不同，且相互正交，利用轨道角动量不同模态之间的正交性进行多路信号复用，可将多路信号分别调制到l不同的模式上进行同频传输，理论上可以实现同一频段上无穷多个子信道的无干扰传输，这将极大地提升系统频带利用率，以解决目前频谱资源紧缺的问题。
太赫兹技术与轨道角动量技术相结合，在高速无线通信领域具备巨大潜力，有望克服微波段可承载带宽小以及光波段大气湍流影响等问题。因此，在太赫兹波段设计天线以产生可重构的高质量OAM波束是太赫兹、轨道角动量技术能够相结合的前提所在。现有研究工作中，已有不少超表面天线在产生OAM波束时具备模态可重构性，进一步则需要考虑设计有效的分集系统，同时产生和传输多个OAM波束，为无线通信中相位分集应用打下基础。
发明内容
本发明提出一种基于透射型超表面的可重构复用型模态太赫兹轨道角动量波束产生方法，其目的在于在太赫兹波段，以超表面天线的方式产生可重构的复用型模态太赫兹轨道角动量波束，本发明的超表面天线加工难度和成本较低，适合广泛生产应用。
本发明解决技术问题所采取技术方案为：
设计双层超表面结构，工作在太赫兹频段；通过使双层超表面结构之间发生相对旋转，实现轨道角动量波束模态的调谐，且同时产生两种模态复用的轨道角动量波束。
本发明通过相位叠加原理对超表面进行设计，由于设计的超表面能够出射的波束为轨道角动量波束，因此，超表面天线最终呈现的相位分布
Figure BDA0003410266900000021
Figure BDA0003410266900000022
Figure BDA0003410266900000023
项为OAM特征相位，通过对
Figure BDA0003410266900000024
进行分析可发现，
Figure BDA0003410266900000025
为
Figure BDA0003410266900000026
的一次项，可存在于
Figure BDA0003410266900000027
的二次项方程中，因此，可将
Figure BDA0003410266900000028
分解为，
Figure BDA0003410266900000029
Figure BDA00034102669000000210
Figure BDA00034102669000000211
为了消除二次项，令a1＝-a2，则
Figure BDA00034102669000000212
l＝-(b1+b2),
根据上述推论，设计两层超表面平面作为模态可重构轨道角动量电磁波的发射器，φ1，φ2的相位分布分别为，
Figure BDA00034102669000000213
Figure BDA00034102669000000214
当φ2旋转一定角度
Figure BDA00034102669000000215
时，
Figure BDA0003410266900000031
可见，
Figure BDA0003410266900000032
因此，当两层超表面平面发生相对旋转时，引起
Figure BDA0003410266900000033
变化，即可实现出射轨道角动量波束模态的可重构性。
在上述具有可重构性轨道角动量波束的设计下，本发明增加了模态的可复用性，每层超表面上的相位设计成内环外环两个部分，如附图1所示，图1(a)为上层超表面相位分布图，超表面上相位分布分为两个部分，内环为
Figure BDA0003410266900000034
外环为
Figure BDA0003410266900000035
图1(b)为下层超表面相位分布图，内环为
Figure BDA0003410266900000036
外环为
Figure BDA0003410266900000037
馈源照射超表面天线后的出射波经过该超表面天线的内环时，可获得
Figure BDA0003410266900000038
的相位，经过外环时可获得
Figure BDA0003410266900000039
的相位，即可获得
Figure BDA00034102669000000310
两种不同模态的轨道角动量复用的波束。利用这种超表面天线，可以实现双模态复用的OAM波束，为无线通信中相位分集应用提供方式方法。
本发明的双层超表面结构为无源器件，以喇叭天线作为馈电。
进一步的，所述每层超表面均为透射型超表面，所述双层超表面结构以上下结构叠放工作。
作为本发明的优先方案，本发明通过机械方式改变双层超表面之间的相对旋转角。
与现有技术相比，本发明的有益效果：基于透射型超表面的天线是无源器件，用喇叭天线作为馈电，整个天线系统结构小、剖面低；在超表面上设计相位分布，设计难度小，对后续加工友好；通过机械旋转实现复用模态的可重构性，无需复杂的馈电网络改变单元电压，或通过温度控制等复杂手段，在模态切换上灵活性更好，操作更简单。
附图说明
图1为本发明双层超表面相位分布图；其中，a为上层超表面，b为下层超表面；
图2为本发明双层超表面天线工作示意图；
图3为l1＝1&l2＝2模态复用理论计算幅度结果；
图4为l1＝1&l2＝2模态复用cst仿真计算二维幅度结果；
图5为l1＝2&l2＝4模态复用理论计算幅度结果；
图6为l1＝2&l2＝4模态复用cst仿真计算二维幅度结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
图1给出了本实施例设计的双层超表面相位分布图，双层超表面以上下结构叠放工作，如图2所示，超表面通过喇叭天线进行馈电。图1(a)为上层超表面相位分布图，超表面上相位分布分为两个部分，内环为
Figure BDA0003410266900000041
外环为
Figure BDA0003410266900000042
图1(b)为下层超表面相位分布图，内环为
Figure BDA0003410266900000043
外环为
Figure BDA0003410266900000044
本发明中a1＝1，a2＝2。
当双层超表面发生相对旋转
Figure BDA0003410266900000045
则馈源出射波经过超表面天线时，经过内环可获得
Figure BDA0003410266900000046
的相位，经过外环可获得
Figure BDA0003410266900000047
的相位，即可获得
Figure BDA0003410266900000048
Figure BDA0003410266900000049
两束不同模态轨道角动量波束的叠加。图3为
Figure BDA00034102669000000410
时，经过MATLAB理论计算得到的l1＝1&l2＝2模态复用理论计算幅度结果，可以看到，l1＝1&l2＝2模态复用的结果为半月牙型波束，与理论相吻合，图4为CST Microwave Studio仿真软件中，l1＝1&l2＝2模态复用二维幅度结果，可以看到二维幅度结果呈半月牙型，与理论计算结果吻合，证明了模态复用功能的实现。图5为
Figure BDA00034102669000000411
时，经过MATLAB理论计算得到的l1＝2&l2＝4模态复用理论计算幅度结果，可以看到，l1＝2&l2＝4模态复用的结果为双月牙型波束，与理论相吻合，图6为CSTMicrowave Studio仿真软件中，l1＝2&l2＝4模态复用二维幅度结果，可以看到二维幅度结果呈双月牙型，与理论计算结果吻合，证明了复用模态的可重构性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动量波束产生方法，其特征在于：
设计双层超表面结构，所述每层超表面均为透射型超表面，工作在太赫兹频段；通过机械方式使双层超表面结构之间发生相对旋转，实现轨道角动量波束模态的调谐，且同时产生两种模态复用的轨道角动量波束；
所述双层超表面结构的每层超表面上相位分布分成内环、外环两个部分，且两层超表面上的相位分布互为相反数；设下层超表面内环相位分布为
Figure FDA0003854956170000011
外环相位分布为
Figure FDA0003854956170000012
则上层超表面内环相位分布为
Figure FDA0003854956170000013
外环相位分布为
Figure FDA0003854956170000014
a1、a2为相位分布表达式中的二次项系数，可取任意自然数；当两层超表面之间相对旋转
Figure FDA0003854956170000015
则馈源出射波经过该超表面天线的内环时，可获得
Figure FDA0003854956170000016
的相位，经过外环时可获得
Figure FDA0003854956170000017
的相位，即可获得
Figure FDA0003854956170000018
两种不同模态的轨道角动量复用的波束，
Figure FDA0003854956170000019
为垂直于传播方向的横截面的方位角。
2.根据权利要求1所述的基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动量波束产生方法，其特征在于：当
Figure FDA00038549561700000110
发生变化，内外环产生的轨道角动量模态l1、l2也会发生变化，从而实现轨道角动量模态复用型波束的可重构性。
3.根据权利要求1所述的基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动量波束产生方法，其特征在于：双层超表面结构为无源器件，以喇叭天线作为馈电元件。
4.根据权利要求1所述的基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动量波束产生方法，其特征在于：所述双层超表面结构以上下结构叠放工作。
5.根据权利要求1所述的基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动量波束产生方法，其特征在于：通过机械方式改变双层超表面之间的相对旋转角。
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