[发明专利]基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器及其实现方法

说明书

本发明公开一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器。该结构工作在微波频段，由双层人工表面等离激元波导实现对于电磁波的传输，上层波导和下层波导之间的连接通过一个金属过孔实现。该微波涡旋波发生器的辐射部分主要由一系列放置在人工表面等离激元波导旁边的圆形贴片实现，同时这些圆形贴片作为谐振器也提供了产生不同的涡旋波所需的相位。这种微波涡旋波发生器可以在不同频率处实现具有不同轨道角动量模式的涡旋波，而不需要在结构上做出任何改变。

技术领域

本发明属于新型人工电磁媒质以及无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器。

背景技术

由于光子有涡旋，因此具有螺旋相位面和方位角分量的光束可以携带轨道角动量。这一发现使得人们对于轨道角动量的关注度不断提升。光学频段的轨道角动量模式可以被用于显微镜检查、显微操作、超分辨率成像和量子信息技术等各个方面。随后，由于轨道角动量独特的优势，越来越多的研究关注于将其应用于无线通信领域，以解决无线通信过程中现有的无法解决的问题。自2007年射频轨道角动量模式被仿真成功后，基于轨道角动量的无线通信理论体系也被建立，2012年在无线通信传输中的涡旋波首次得到实验验证。实验结果表明，携带有轨道角动量的电磁波可以在不增加带宽的前提下，提高通信容量；且不同的轨道角动量模式之间是独立的互不影响。这对于无线通信领域是十分重要的发现。

为了更好的将轨道角动量模式投入实际的应用中，如何产生携带有轨道角动量的涡旋波便成了一个热点。迄今为止，人们已经研究出多种方法产生涡旋波。其中最常用的一种是利用螺旋相位板，简单的结构和设计原理使得其在光频段和微波频段均有广泛的应用。另一种在微波频段用的比较多的方法利用相控阵天线实现涡旋波所需的相位。但这种方法需要复杂的相移网络，同时还需保证不同辐射单元之间的功率相同。当所需的轨道角动量模式数增加时，相控阵天线的尺寸也要随之增加，这就加大了设计复杂度和加工成本。最近，随着人们对新型人工电磁表面研究的深入，发现可以通过设计新型人工电磁表面的单元结构并将它们按照特定的方式排列就可以使得与新型人工电磁表面相互作用的电磁波携带轨道角动量。另外，越来越多的关注点集中于易于加工的单个谐振腔结构，如回音廊模式谐振器。这种回音廊模式通过特定的相互作用也可以产生涡旋波。还有研究发现半模基片集成波导天线同样可以产生涡旋波。这些方法各有优势但同时又有不足，比如复杂的结构，单一的轨道角动量模式以及对于轨道角动量模式的不可控性。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，该结构利用传统的共面波导传输线进行馈电，通过槽深渐变的单边褶皱带线和开口的金属地结构实现了从共面波导传输线到表面等离激元波导的高效转换，将传统单边褶皱带线传输线绕成一圈，一半在介质基底的上层，一半在介质基底的下层，两层金属结构通过一个金属过孔连接。同时，在人工表面等离激元波导的附近放置一系列圆形贴片，用于对电磁波的辐射和对传输相位的调控。电磁波经过人工表面等离激元波导和圆形贴片，被辐射到自由空间中，同时具有螺旋的相位，从而实现了涡旋波的产生。相比于已有的产生涡旋波的方法，本发明具有设计简单，易于加工、集成等优点，并且可以在不同频率下得到具有不同轨道角动量模式数的涡旋波，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。

技术方案：一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，包括介质基底及附在所述介质基底两边的金属结构，所述金属结构包括两侧的共面波导传输线部分、共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分、单边人工表面等离激元波导部分、金属过孔和圆形贴片阵列；

所述共面波导传输线馈电部分包括中心导体带线和径向分布于中心导体两侧的金属地结构；

所述过渡部分由设置于中心部位的槽深渐变的单边褶皱带线和径向分布于槽深渐变的单边褶皱带线两侧的开口的金属地结构组成；所述开口的金属地结构由共面波导传输线馈电部分的金属地结构延伸而出，相对的两条边按指数变化逐渐远离；所述槽深渐变的单边褶皱带线由中心导体带线延伸而出，均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度方向逐渐加深；