[发明专利]能产生轨道角动量波束的极低反射率旋转相位板设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及产生携带轨道角动量波束领域，尤其涉及一种产生轨道角动量波束的极低反射率的旋转相位板设计方法。

背景技术

现今的通信系统面临着诸多挑战，频谱与电磁波极化资源正逐渐耗尽。为了提高通信速率，即便是应用了高密度编码和信道共享技术，仍然不能从根本上解决这一问题。一种能够高效率提高频谱效率的方法已经被提出。携带有轨道角动量的电磁波通信得到了诸多关注。电磁波携带有自旋角动量和轨道角动量。自旋角动量的表征是电磁波的极化，即线极化和圆极化。所以利用电磁波自旋角动量的信道复用，复用数量是有限的。然而，轨道角动量的模式理论上是无限多的。这一理论基础为利用电磁波轨道角动量提升通信频谱利用率提供了很好发展前景。

有多种方案可以产生携带有轨道角动量的电磁波：使用天线阵列可以产生携带有轨道角动量的电磁波，这种方式理论和技术基础完备，可以比较容易的组建系统。但是，复杂的天线阵列移相馈电网络给系统增加了成本和技术难题。此外，使用赋形螺旋抛物面天线也可以产生携带有轨道角动量的电磁波，这种方式可以利用现有的天线结构。但是如何利用赋形螺旋抛物面天线复用和解复用仍然是一个问题。而在光频段内普遍使用的全息板方法，由于高损耗和低效率的问题，在微波频段内并不适用。

旋转相位板作为一种普遍用于光频和微波频段内来产生携带有轨道角动量波束的方法，近些年得到了广泛的研究，并且演变出了多种结构和方法。其中平滑旋转相位板、阶梯旋转相位板、钻孔平面旋转相位板、超表面旋转相位板在实验领域得到了广泛的应用。然而，由于介质材料的原因，不同结构的旋转相位板都会产生不同程度的反射，这一反射会导致发射效率降低、轨道角动量波束畸变、通信质量下降等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用传输线理论、空间阻抗匹配方法设计旋转相位板，从而以极低反射率产生轨道角动量波束。

       本发明解决技术问题所采取技术方案为：

       本发明方法是通过在介质材料上设计直径不同且远小于入射波波长的通孔，来改变材料的等效介电常数；根据波束沿方位角周期性变化的相移关系，调整不同方位角处材料的厚度及通孔大小以改变透射相位。利用这一方法，在满足空间满足方位角涡旋相移的基础上，达到阻抗匹配，大幅降低反射率。

       利用上述设计方法所制作而成的旋转相位板，可以在极低反射率的条件下，产生携带有轨道角动量的波束。对馈源天线进行馈电，馈源天线产生的电磁波入射到极低反射率旋转相位板，对于不同方位角，极低反射率旋转相位板的透射波相移不同，可以产生周期性的涡旋相位变化，透射波束携带有轨道角动量。同时，又因为阻抗匹配，反射率极低，理论上不会产生反射。

本发明的有益效果：经过传输线理论分析、空间阻抗匹配设计的极低反射率旋转相位板可以产生携带有轨道角动量的微波波束。极低的反射率不但可以降低反射，提高效率，同时还可以减小轨道角动量波束的畸变。

附图说明

图1极低反射率旋转相位板组成单元；

图2极低反射率旋转相位板组成单元传输线模型；

图3极低反射率旋转相位板；

图4极低反射率旋转相位板与普通旋转相位板反射率对比；

图5透射波截面旋转相位分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

极低反射率旋转相位板是由如图1所示的单元组成的。单元外形为长方体，a为正方形横截面边长，且远小于真空中的波长。d为前后正方形表面距离，即单元厚度。从单元前表面到后表面设计通孔，以改变介质的等效介电常数。以圆孔为例，半径为r，调节d与r的大小可以改变透射波相位从而符合阻抗匹配的条件。 

图2为极低反射率旋转相位板组成单元的传输线模型，Z₀为空气的特征阻抗，ε_r为介质相对介电常数，Z_e为介质特征阻抗。为满足阻抗匹配条件，达到极低反射率，传输线模型需要满足下列公式：

其中λ₀为电磁波在真空中的波长。利用这一单元模型组成极低反射率的旋转相位板，单元的厚度需要满足：

其中l为轨道角动量的模态，N为极低反射率旋转相位板分割的阶梯总数，d_m为第m阶的厚度，d₁为第一阶的厚度。为了满足上面两个公式，需要同时改变单元的厚度和相对介电常数，其中相对介电常数是通过改变介质单元上孔的大小来改变的。