CN116111360B - 一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法 - Google Patents
一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116111360B CN116111360B CN202310035689.0A CN202310035689A CN116111360B CN 116111360 B CN116111360 B CN 116111360B CN 202310035689 A CN202310035689 A CN 202310035689A CN 116111360 B CN116111360 B CN 116111360B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- super
- branch
- sub
- phase
- angular momentum
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 53
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 35
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 21
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 10
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 9
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 7
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005388 cross polarization Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
- H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
- H01Q15/0046—Theoretical analysis and design methods of such selective devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
- H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
- H01Q15/004—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective using superconducting materials or magnetised substrates
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Radio Relay Systems (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法，包括以下步骤：步骤10，设计基于PB相位的超表面单元结构；步骤20，计算RCP、LCP以及双圆极化的补偿相位；步骤30，根据双圆极化的补偿相位确定超表面阵列所需的补偿相位分布图；步骤40，根据双圆极化的补偿相位与角度θ的对应关系以及补偿相位分布图确定超表面阵列的每个超表面单元结构对应的角度θ，以得到超表面阵列的每个超表面单元结构的排布方式；步骤50，基于广义Snell定理推导得出双圆极化轨道角动量波束偏折角与不同频率波长之间的定量关系。本发明大幅度降低了设计难度，可应用于宽带的轨道角动量通信、多路通信以及极化分复用通信等领域，扩展了应用范围。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，信道容量和频谱利用率越来越接近理论的香农极限，这极大地限制了相关移动互联网业务的继续发展，迫切需要新的通信技术来解决目前的困境。轨道角动量(OAM：Orbital Angular Momentum)的出现使得频谱拥挤问题有了新的解决途径，由于其具有涡旋相位波前分布特点，在通信传输、量子编码、粒子操纵及光学成像等领域具有广阔的应用前景。作为电磁波的一种基本物理特性，理论上轨道角动量具有无限多的模式，可以在不增加带宽的基础上，实现多个模式的同时传输，且各模式之间相互正交，互不干扰，进而能够提升信道容量和频谱利用率。正是由于轨道角动量在无线通信中的巨大潜力，近年来一直受到科学界的广泛关注，逐渐成为研究热点。
携带轨道角动量的电磁波(又称涡旋波)具有的相位因子，其中l是轨道角动量的拓扑电荷，/>是围绕传播轴的方位角，这种特殊的相位因子使得电磁波相位波前呈螺旋状。因此，要想产生不同模式的轨道角动量，就需要对电磁波施加相应的螺旋相位因子。传统的涡旋波产生方法主要有：圆形阵列天线、抛物面天线、螺旋相位板等。
目前，基于超表面对圆极化轨道角动量涡旋波束的研究多是单波束、单极化、单一模式的轨道角动量涡旋波。现有技术中，Ding等人设计了一种十字形超表面结构(Independent Wavefront Tailoring in Full Polarization Channels by Helicity-Decoupled Metasurface，Annalen der Physik,vol.534,no.4,2100546,2022.)，该结构包含两层介质基板(2)，两层介质板的上表面均有十字形金属图案，上下两层基板的厚度均为1.63mm，介质板的介电常数为4.3，损耗角正切值为0.0035，超表面单元结构周期为6mm。该结构只在单一频点实现了对双圆极化轨道角动量的独立可控，频带范围窄，而且需要联合调控传输相位和PB相位，即同时调整超表面单元结构的几何参数和旋转角度，控制变量较多，设计难度较高，且双层板结构，加工成本高，不利于批量化生产。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法，包括以下步骤：
步骤10，设计基于PB相位的超表面单元结构，所述超表面单元结构为单层结构，包括：金属层、位于所述金属层上的介质基板和位于介质基板上的金属贴片；
以所述介质基板的表面为xoy平面，所述金属贴片在所述介质基板的表面内旋转以使所述金属贴片的中心轴线与y轴的夹角为θ；
其中，在预设宽带范围内，采用圆极化波对所述超表面单元结构进行激励，不同的角度θ对应的超表面单元结构的反射幅度均大于0.95，反射相位变化±2θ；
步骤20，计算RCP的补偿相位、LCP的补偿相位以及双圆极化的补偿相位；
步骤30，根据所述双圆极化的补偿相位确定所述超表面阵列所需的补偿相位分布图；
步骤40，根据所述双圆极化的补偿相位与角度θ的对应关系以及所述补偿相位分布图确定所述超表面阵列的每个所述超表面单元结构对应的角度θ，以得到所述超表面阵列的每个所述超表面单元结构的排布方式；
步骤50，基于广义Snell定理确定双圆极化轨道角动量波束偏折角与不同频率波长之间的定量关系。
在本发明的一个实施例中，所述金属贴片，包括：第一枝节结构和第二枝节结构；
所述第一枝节结构和所述第二枝节结构形成轴对称；
所述第一枝节结构，包括：两个第一子枝节和第一连接子枝节；
所述第一连接子枝节的两端分别与两个第一子枝节的一端连接，所述第一子枝节和所述第一连接子枝节垂直；
所述第二枝节结构，包括：两个第二子枝节和第二连接子枝节；
所述第二连接子枝节的两端分别与两个第二子枝节的一端连接，所述第二子枝节和所述第二连接子枝节垂直；所述第二连接子枝节和所述第一连接子枝节间隔设置且相互平行；
与所述第一连接子枝节垂直的中心轴线与y轴的角度为θ。
在本发明的一个实施例中，所述RCP的补偿相位计算公式为：
所述LCP的补偿相位的计算公式为：
所述双圆极化的补偿相位计算公式为：
其中，k0表示自由空间的波数，表示第m行的第n列的超表面单元结构的位置矢量，F表示馈源喇叭的相位中心与超表面阵列之间的距离，表示第k个波束的偏折方向，lkR表示第k个RCP波束所携带的OAM模式，lkL表示第k个LCP波束所携带的OAM模式。
在本发明的一个实施例中，所述双圆极化的补偿相位与角度θ的对应关系为：
在本发明的一个实施例中，所述双圆极化轨道角动量波束偏折角与不同频率波长之间的定量关系的表达式为：
其中，λ表示不同频率下的波长，表示波束偏折角所需的相位梯度。
本发明的有益效果：
本发明通过调控超表面单元结构的PB相位即可实现对所生成的双圆极化轨道角动量波束的圆极化形式、偏折方向(偏折方向也即是波束方向)和模式(模式也即是拓扑态)分别独立调控，控制变量少，大幅度降低了设计难度，且能够在宽带范围内实现双圆极化轨道角动量的独立调控，可应用于宽带的轨道角动量通信、多路通信以及极化分复用通信等领域，扩展了应用范围。同时，超表面单元结构为单层结构，降低了加工成本，整体结构剖面较低，有利于器件的小型化应用。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1a为本发明实施例提供的一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列的超表面单元结构的金属贴片未旋转的结构示意图；
图1b为本发明实施例提供的金属贴片旋转角度θ的结构示意图；
图2a为本发明实施例提供的x极化和y极化入射下的反射幅度和反射相位以及二者的相位差的示意图；
图2b为本发明实施例提供的LCP激励下的共极化反射系数/交叉极化反射系数以及超表面单元结构的工作效率的示意图；
图2c为本发明实施例提供的LCP激励下不同旋转角度下的反射系数和反射相位的示意图；
图3为本发明实施例提供的超表面阵列所需的总的补偿相位分布图；
图4a为本发明实施例提供的超表面阵列所生成的LCP轨道角动量波束偏折角与不同频率波长定量关系的理论计算与仿真结果对比图；
图4b为本发明实施例提供的超表面阵列所生成的RCP轨道角动量波束偏折角与不同频率波长定量关系的理论计算与仿真结果对比图；
图5为本发明实施例提供的印刷电路板工艺制作的超表面阵列的结构示意图；
图6为本发明实施例提供超表面阵列的各频点处仿真和测试的远场方向图对比结果。
具体实施方式
相关技术中，极化是电磁波的一个重要性质，是电场矢量末端在空间运动轨迹的表现形式。随着对轨道角动量研究的不断深入，人们已不再满足于多模轨道角动量的“态分复用”，多极化为轨道角动量的极化复用开辟了一条新的道路，可进一步提升信道容量。现有的多极化轨道角动量研究大多集中在线极化轨道角动量的产生和性能调控，应用范围比较局限。对于宽频范围的多波束、多极化、多模式的波束方向可控的多功能轨道角动量涡旋波的研究较少。而对不同拓扑态和不同圆极化形式的不同偏转方向波束的灵活独立可调的多功能轨道角动量涡旋波在波束扫描、信号传输、信息安全等领域具有更为广阔的应用前景。因此，研究简易低成本的宽带、圆极化形式、波束方向和拓扑态独立可调的轨道角动量阵列设计方法具有重要的现实意义。
针对目前研究中存在的问题或不足，本发明利用超表面对电磁波幅度和相位强大的调控能力，提供了一种能在宽带范围内实现圆极化形式、拓扑态(拓扑态也即是模式)和波束方向(波束方向也即是偏折方向)分别独立可调的轨道角动量超表面阵列设计方法。基于该方法设计了一种单层的PB超表面单元结构，即通过旋转单元结构中金属贴片3的角度，在宽频范围内实现涡旋波产生所需的2π的相位覆盖，利用所提出的相位补偿理论，实现了对双圆极化轨道角动量涡旋波不同圆极化形式、拓扑态和波束方向分别独立可控的功能。为了明确波束偏转角度随频率变化出现偏差的原因，进一步分析了所生成波束的偏折角与不同频率波长之间的定量关系。该超表面阵列结构具有宽带、多功能、高效和性能灵活可控等优点。本发明利用CST进行优化设计，并通过全波仿真对所提方案进行分析，最后通过实验验证，得到了与理论预期相符合的结果。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法，包括以下步骤：
步骤10，根据琼斯矩阵原理设计基于PB相位的超表面单元结构，超表面单元结构为单层结构，包括：金属层1、位于金属层1上的介质基板2和位于介质基板2上的金属贴片3；超表面阵列由M×N个超表面单元结构组成。
以介质基板2的表面为xoy平面，金属贴片3在介质基板2的表面内旋转角度θ以实现超表面阵列所需2π的相位覆盖。也即是金属贴片3在xoy平面内旋转以使金属贴片3的中心轴线与y轴的夹角为角度θ。
其中，在预设宽带范围内，采用圆极化波对超表面单元结构进行激励，不同角度θ对应的超表面单元结构均保持良好的反射性能，反射幅度均大于0.95且基本保持不变，反射相位变化±2θ，且反射相位曲线斜率基本保持不变。
为了保证超表面单元结构良好的反射性能和工作效率，根据琼斯矩阵可以推导出两种线极化波的反射幅度和反射相位在一定带宽范围内需要分别满足以下条件：共极化反射系数rxx和ryy的幅度满足|rxx|＝|ryy|≈1，二者之间的相位差满足根据产生轨道角动量对超表面单元结构的反射幅度和相位的需求，在圆极化入射下，旋转金属贴片3，使反射相位能覆盖2π。同时，保证宽带范围内不同旋转角度下反射幅度几乎保持不变，且满足金属贴片3旋转θ，反射相位变化±2θ，其中“+”对应右旋圆极化(RCP：right-handedcircularly polarized)入射，“-”对应左旋圆极化(LCP：left-handed circularlypolarized)入射。
在一种可行的实现方式中，超表面单元结构的金属贴片3的具体结构为：金属贴片3，包括：形成轴对称结构的第一枝节结构和第二枝节结构。
第一枝节结构，包括：两个第一子枝节41和第一连接子枝节42；
第一连接子枝节42的两端分别与两个第一子枝节41的一端连接，第一子枝节41和第一连接子枝节42垂直；
第二枝节结构，包括：两个第二子枝节51和第二连接子枝节52；
第二连接子枝节52的两端分别与两个第二子枝节51的一端连接，第二子枝节51和第二连接子枝节52垂直；第二连接子枝节52和第一连接子枝节42间隔设置且相互平行。与第一连接子枝节42垂直的中心轴线与y轴的角度为θ。
本实施例中，根据琼斯矩阵原理设计得到宽带的单层基于PB相位的超表面单元结构，通过在CST中对超表面单元结构进行仿真优化，得到如附图1a中所示的超表面单元结构。如附图1b所示，在xoy平面内旋转图1a的金属贴片3，旋转角为θ，用于实现宽带2π的相位覆盖。
其中，如图1a中所示，底部金属层1和中间介质基板2的长和宽均为p＝8mm，介质基板2的厚度为h＝3mm，顶部金属贴片3的尺寸参数为连接枝节的长度l1＝5.6mm，子枝节的长度l2＝2mm，w1＝w2＝0.5mm(子枝节和连接枝节的宽度相同)，第一连接子枝节42和第二连接子枝节52之间的距离g＝1mm。尺寸参数均处于亚波长范围，顶部的金属贴片3和底部金属层1的金属均由反射率≥90％的金属材料构成，中间介质基板2采用介电常数为2.2-2.65的低损耗材料。优选地，金属贴片3和金属层1均采用导电率为5.8×107S/m的金属铜，中间介质基板2采用介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001的F4B材料。
基于该超表面单元结构的具体结构，为了保证超表面单元结构良好的反射性能和工作效率，以及轨道角动量对单元反射幅度和相位的要求，首先采用线极化波对超表面单元结构进行激励，相应的反射性能如附图2a所示，可以看出，在9-21GHz内，超表面单元结构的共极化反射系数rxx和ryy的幅度满足(第一个下标代表反射波极化，第二个下标代表入射波极化)|rxx|＝|ryy|≈1，二者之间的相位差满足
其次，采用圆极化波对超表面单元结构进行激励，不失一般性，本实施例采用LCP波对超表面单元结构进行激励，相应的反射性能以及超表面单元结构的工作效率如附图2b所示，在9-21GHz内，超表面单元结构的共极化反射系数|rll|>0.95，交叉极化反射系数|rrl|<0.2，超表面单元结构工作效率大于95％。由于要在宽带范围内保证良好的圆极化反射性能，因此对圆极化入射下，不同旋转角度的反射性能进行了研究，如附图2c所示，在9-21GHz内，不同旋转角度下，共极化反射系数幅度|rll|几乎保持不变，反射相位满足旋转角度θ，相位变化-2θ。
步骤20，计算RCP的补偿相位、LCP的补偿相位以及双圆极化的补偿相位。
本步骤中，提出双圆极化轨道角动量独立可控的相位补偿理论。首先求得每个分量的补偿相位，其次利用相位的矢量叠加定理，求得总的相位补偿公式。最终根据设计要求，求得超表面阵列所需的补偿相位。该方法仅通过调控超表面单元结构的PB相位即可实现对所生成的双圆极化轨道角动量波束的圆极化形式、偏折方向和模式独立调控，实现难度低，同时打破了PB相位对LCP和RCP固有的对称性。
RCP的补偿相位计算公式为：
LCP的补偿相位的计算公式为：
双圆极化的补偿相位计算公式(总的相位补偿公式)为：
对于RCP和LCP的相位补偿，计算公式中有三项，第一项为馈源与超表面之间的空间补偿相位，第二项为反射波偏折的补偿相位，第三项为产生轨道角动量的补偿相位。其中，k0表示自由空间的波数，表示第m行的第n列的超表面单元结构的位置矢量，F表示馈源喇叭的相位中心与超表面阵列之间的距离，/>表示第k个波束的偏折方向，lkR表示第k个RCP波束所携带的OAM模式，lkL表示第k个LCP波束所携带的OAM模式，1≤m≤M,1≤n≤N。
步骤30，根据双圆极化的补偿相位确定超表面阵列所需的补偿相位分布图。
基于步骤10中设计的超表面单元结构和步骤20中提出的相位补偿理论，在MATLAB中进行程序设计，计算出超表面阵列所需的总的补偿相位分布图，如附图3所示。
本实施例的中心频率设置为f0＝15GHz，馈源与超表面阵列之间的距离F＝160mm。不失一般性，将LCP轨道角动量波束模式设置为-1，偏折方向为RCP轨道角动量波束模式设置为+1，偏折方向/>
步骤40，根据双圆极化的补偿相位与角度θ的对应关系以及补偿相位分布图确定超表面阵列的每个超表面单元结构对应的角度θ，以得到超表面阵列的每个超表面单元结构的排布方式。
根据相位与超表面单元结构的金属贴片3的旋转角度θ的对应关系：得到超表面上每个超表面单元结构的排布方式(每一个超表面单元结构对应一个旋转角度θ)，利用MATLAB和CST的联合仿真进行建模，得到宽带双圆极化独立可控超表面阵列结构。该超表面阵列结构由20×20个超表面单元结构组成，整体尺寸为160mm×160mm，采用线极化球面波作为场源进行仿真计算。
步骤50，基于广义Snell定理推导得出双圆极化轨道角动量波束偏折角与不同频率波长之间的定量关系：其中，λ表示不同频率下的波长，/>表示自身设计的波束偏折角所需的相位梯度，有利于预测涡旋波束的接收端位置。
具体地，对步骤40中的20×20个超表面单元结构构成的超表面阵列的远场辐射方向图进行分析，远场辐射方向图中出现了偏折角随频率变化出现偏差的现象，针对这一现象基于广义Snell定理推导出波束偏折角与不同频率的波长之间的定量关系，对于LCP满足对于RCP满足/>λ0表示中心频率对应的波长，理论计算与仿真结果吻合，如附图4a和图4b所示。
本发明的超表面阵列通过印刷电路板工艺制备得到实验样品，并在微波暗室中完成实验测试，样品如附图5所示，仿真和测试的远场方向图结果如附图6所示，通过实验验证了该设计的可行性。
需要说明的是，人工电磁超表面作为超材料的二维等效结构，具有亚波长周期单元，对电磁波的幅度和相位有强大的操控能力。本发明提出了一种双圆极化轨道角动量独立可控的相位补偿理论，基于此理论，仅利用PB(Pancharatnam-Berry)相位设计了一种简单易操作的超表面阵列结构，可在同一超表面阵列中同时实现对不同圆极化形式、拓扑态和偏折方向的左旋圆极化和右旋圆极化轨道角动量的独立调控，解决了目前圆极化轨道角动量工作频带窄、不同拓扑态的轨道角动量极化形式单一、难以在宽带范围内同时实现双圆极化轨道角动量不同拓扑态和偏折方向独立可控的问题。
本发明为解决目前研究中波束偏转方向随频率变化而出现偏差的问题，根据理论推导首次定量分析明确了生成的轨道角动量波束偏折角与不同频率波长之间的函数关系，为更好地预测宽频范围内不同频点轨道角动量的接收端位置提供了理论依据，同时为宽带频谱范围的信息安全接收提供技术支持。
本发明采用印刷电路板技术对样品进行加工制作，样品具有轻重量、低成本、易实现、低剖面等优点。不同于其他的圆极化轨道角动量调控方法，该方法具有设计简单、易于操作等优点，设计的阵列结构具有宽带多功能、极化、波束方向和拓扑态独立可调等优点，有利于器件的集成化与小型化。
本发明提出的宽带双圆极化拓扑态和波束方向独立可控的轨道角动量超表面阵列设计，该结构具有宽带、高效、多功能、性能独立可控的优点，且设计中明确了波束偏转角度随频率变化产生偏差的原因。该方法不仅可以用于反射型超表面设计，还可以应用到透射型超表面设计中。此外，通过调整不同的尺寸参数可使结构在不同的频段中具有不同的幅相特性，进而满足不同频段的应用需求，进一步拓展其应用范围，且基于该设计方法制作的超表面阵列设计简单，实现难度低，加工成本低，有利于批量化生产应用。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10，设计基于PB相位的超表面单元结构，所述超表面单元结构为单层结构，包括：金属层(1)、位于所述金属层(1)上的介质基板(2)和位于介质基板(2)上的金属贴片(3)；
以所述介质基板(2)的表面为xoy平面，所述金属贴片(3)在所述介质基板(2)的表面内旋转以使所述金属贴片(3)的中心轴线与y轴的夹角为θ；
其中，在预设宽带范围内，采用圆极化波对所述超表面单元结构进行激励，不同的角度θ对应的超表面单元结构的反射幅度均大于0.95，反射相位变化±2θ；
步骤20，计算RCP的补偿相位、LCP的补偿相位以及双圆极化的补偿相位；
步骤30，根据所述双圆极化的补偿相位确定所述超表面阵列所需的补偿相位分布图；
步骤40，根据所述双圆极化的补偿相位与角度θ的对应关系以及所述补偿相位分布图确定所述超表面阵列的每个所述超表面单元结构对应的角度θ，以得到所述超表面阵列的每个所述超表面单元结构的排布方式；
步骤50，基于广义Snell定理确定双圆极化轨道角动量波束偏折角与不同频率波长之间的定量关系；
所述金属贴片(3)，包括：第一枝节结构和第二枝节结构；
所述第一枝节结构和所述第二枝节结构形成轴对称；
所述第一枝节结构，包括：两个第一子枝节(41)和第一连接子枝节(42)；
所述第一连接子枝节(42)的两端分别与两个第一子枝节(41)的一端连接，所述第一子枝节(41)和所述第一连接子枝节(42)垂直；
所述第二枝节结构，包括：两个第二子枝节(51)和第二连接子枝节(52)；
所述第二连接子枝节(52)的两端分别与两个第二子枝节(51)的一端连接，所述第二子枝节(51)和所述第二连接子枝节(52)垂直；所述第二连接子枝节(52)和所述第一连接子枝节(42)间隔设置且相互平行；
所述第一子枝节(41)和所述第二子枝节(51)相背离的延伸；
与所述第一连接子枝节(42)垂直的中心轴线与y轴的角度为θ；
所述RCP的补偿相位计算公式为：
；
所述LCP的补偿相位的计算公式为：
；
所述双圆极化的补偿相位计算公式为：
；
其中，k 0表示自由空间的波数，表示第m行的第n列的超表面单元结构的位置矢量，F表示馈源喇叭的相位中心与超表面阵列之间的距离，表示第k个波束的偏折方向，l kR表示第k个RCP波束所携带的OAM模式，l kL表示第k个LCP波束所携带的OAM模式。
2.根据权利要求1所述的一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法，其特征在于，所述双圆极化的补偿相位与角度θ的对应关系为：。
3.根据权利要求1所述的一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法，其特征在于，所述双圆极化轨道角动量波束偏折角与不同频率波长之间的定量关系的表达式为：；
其中，λ表示不同频率下的波长，表示波束偏折角所需的相位梯度，/>表示使波束偏折到/>方向所需的相位。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310035689.0A CN116111360B (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310035689.0A CN116111360B (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116111360A CN116111360A (zh) | 2023-05-12 |
| CN116111360B true CN116111360B (zh) | 2023-09-26 |
Family
ID=86260993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310035689.0A Active CN116111360B (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116111360B (zh) |
Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105161858A (zh) * | 2015-10-10 | 2015-12-16 | 复旦大学 | 一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法 |
| CN105826692A (zh) * | 2016-05-26 | 2016-08-03 | 哈尔滨工业大学 | 基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜及方法 |
| CN108539417A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-09-14 | 西安电子科技大学 | 一种圆极化轨道角动量反射阵天线 |
| CN207967317U (zh) * | 2018-02-06 | 2018-10-12 | 深圳市景程信息科技有限公司 | 应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元 |
| CN110120595A (zh) * | 2018-02-06 | 2019-08-13 | 深圳市景程信息科技有限公司 | 用于三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面 |
| CN111430896A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-07-17 | 安徽大学 | 一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线 |
| CN111525270A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-08-11 | 电子科技大学 | 一种反射型极化转换超表面的轨道角动量产生结构设计 |
| CN111666682A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-09-15 | 陕西宛鸣信息科技有限公司 | 超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法 |
| CN111682320A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-09-18 | 中国矿业大学 | 一种涡旋电磁超表面结构 |
| CN111737777A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-10-02 | 陕西宛鸣信息科技有限公司 | 基于非均匀透射宽带pb超表面的设计方法 |
| CN112701479A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-04-23 | 四川大学 | 一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线 |
| CN113300119A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-08-24 | 南京大学 | 一种用于圆极化波束赋形的透射型超表面及设计方法 |
| CN113300113A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-08-24 | 华南理工大学 | 一种宽带双极化多波束轨道角动量天线及通信设备 |
| CN114696107A (zh) * | 2020-12-28 | 2022-07-01 | 南京大学 | 一种双频左右旋独立调控超表面设计方法 |
| CN115173071A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-10-11 | 南京航空航天大学 | 一种基于多功能共享孔径超表面的涡旋波产生结构及设计方法 |
-
2023
- 2023-01-10 CN CN202310035689.0A patent/CN116111360B/zh active Active
Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105161858A (zh) * | 2015-10-10 | 2015-12-16 | 复旦大学 | 一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法 |
| CN105826692A (zh) * | 2016-05-26 | 2016-08-03 | 哈尔滨工业大学 | 基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜及方法 |
| CN207967317U (zh) * | 2018-02-06 | 2018-10-12 | 深圳市景程信息科技有限公司 | 应用于太赫兹频段的石墨烯反射单元 |
| CN110120595A (zh) * | 2018-02-06 | 2019-08-13 | 深圳市景程信息科技有限公司 | 用于三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面 |
| CN108539417A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-09-14 | 西安电子科技大学 | 一种圆极化轨道角动量反射阵天线 |
| CN111525270A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-08-11 | 电子科技大学 | 一种反射型极化转换超表面的轨道角动量产生结构设计 |
| CN111430896A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-07-17 | 安徽大学 | 一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线 |
| CN111666682A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-09-15 | 陕西宛鸣信息科技有限公司 | 超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法 |
| CN111737777A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-10-02 | 陕西宛鸣信息科技有限公司 | 基于非均匀透射宽带pb超表面的设计方法 |
| CN111682320A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-09-18 | 中国矿业大学 | 一种涡旋电磁超表面结构 |
| CN112701479A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-04-23 | 四川大学 | 一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线 |
| CN114696107A (zh) * | 2020-12-28 | 2022-07-01 | 南京大学 | 一种双频左右旋独立调控超表面设计方法 |
| CN113300113A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-08-24 | 华南理工大学 | 一种宽带双极化多波束轨道角动量天线及通信设备 |
| CN113300119A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-08-24 | 南京大学 | 一种用于圆极化波束赋形的透射型超表面及设计方法 |
| CN115173071A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-10-11 | 南京航空航天大学 | 一种基于多功能共享孔径超表面的涡旋波产生结构及设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116111360A (zh) | 2023-05-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xu et al. | Dual-mode transmissive metasurface and its applications in multibeam transmitarray | |
| Sievenpiper et al. | A tunable impedance surface performing as a reconfigurable beam steering reflector | |
| Zhang et al. | A dual-polarized reconfigurable reflectarray antenna based on dual-channel programmable metasurface | |
| Sievenpiper et al. | A steerable leaky-wave antenna using a tunable impedance ground plane | |
| Wang et al. | Spatial multi-polarized leaky-wave antenna based on spoof surface plasmon polaritons | |
| CN111737777A (zh) | 基于非均匀透射宽带pb超表面的设计方法 | |
| Wang et al. | End-fire surface wave antenna with metasurface coating | |
| CN111666682A (zh) | 超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法 | |
| Amini et al. | Wide-band polarization control of leaky waves on anisotropic holograms | |
| Emara et al. | Laser-drilled all-dielectric Huygens’ transmit-arrays as 120 GHz band beamformers | |
| Kakhki et al. | Dual complementary source magneto-electric dipole antenna loaded with split ring resonators | |
| Zhang et al. | A unidirectional beam-scanning antenna excited by corrugated metal–insulator–metal ground supported spoof surface plasmon polaritons | |
| CN113285233B (zh) | 一种基于介质基超构材料的f-p腔天线及电子设备 | |
| Zhiming et al. | Investigations and prospects of Fabry-Perot antennas: A review | |
| CN116111360B (zh) | 一种双圆极化轨道角动量独立可控的超表面阵列设计方法 | |
| Vuyyuru et al. | Efficient Synthesis of Passively Loaded Finite Arrays for Tunable Anomalous Reflection | |
| Liu et al. | Leaky-wave antenna with switchable omnidirectional conical radiation via polarization handedness | |
| CN115173071A (zh) | 一种基于多功能共享孔径超表面的涡旋波产生结构及设计方法 | |
| Kamoda et al. | Millimeter‐wave beam former using liquid crystal | |
| Burtsev et al. | Compact High‐Gain Volumetric Phased Array Antenna with Genetically Designed Interelement Resonances for 5G Applications | |
| Ge et al. | Low-profile high-gain endfire antenna with circular polarization | |
| Esmail et al. | Dual beam Yagi antenna using novel metamaterial structure at 5G band of 28 GHz | |
| CN113889771B (zh) | 双圆极化多波束数字编码透射超构表面 | |
| Sokolov et al. | Simulation of a Reflective Antenna Array with a Liquid Crystal Substrate | |
| Chen et al. | Millimeter-Wave Slot-Based Cavity Antennas With Flexibly-Chosen Linear Polarization |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240423 Address after: No. 505, Building 6, District D, Tianfu Software Park, No. 599, Century City South Road, Chengdu High-tech Zone, China (Sichuan) Free Trade Pilot Zone, Chengdu 610096 Patentee after: Chengdu Huaiyu Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 710071 No. 2 Taibai South Road, Shaanxi, Xi'an Patentee before: XIDIAN University Country or region before: China |
|
| TR01 | Transfer of patent right |