[发明专利]基于一比特透射式生成多模涡旋电磁波的透镜及方法

说明书

本发明采用新型的一比特透射式超材料单元，通过算法控制透镜上单元的编码分布，可生成不同模态的电磁涡旋波束，解决了现有的涡旋波透镜在单一工作频率下只能生成单一模态涡旋波束的问题。该超材料单元的特点是在其结构中集成两个PIN二极管，通过施加两种不同的偏置电压，可以使数字编码单元的透射相位呈现180度相位差，相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”。该透镜共包含20×20＝400个一比特透射编码单元，每个编码单元均包括交替排列的4层金属结构和3层介质层。与现有技术相比，本发明具有损耗小、传输稳定性高、成本低、易加工和集成度高等诸多优点；同时，借助该新型超材料的电磁调控功能，还可有效改善涡旋电磁波的波束发散问题。

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种生成多模涡旋电磁波的透镜及方法，尤其涉及一种基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法。

技术背景

随着科学技术日新月异的发展，无线通信不断向着大带宽、高速率的方向前进，然而，空间中的频谱资源是有限的，如何更合理的利用频谱资源，提高频谱利用率和通信速率，成为当今无线通信领域的一个研究热点；另一方面，当前高科技隐身装备层出不穷，对新的探测理论与技术的研究也变得尤为迫切。含有轨道角动量的涡旋电磁波以螺旋状的等相位面传播，自身带有角度的信息维度，且具有彼此独立的多拓扑荷特性，在提高通信容量和雷达探测性能等方面有望实现全新的突破。

目前，微波频段涡旋电磁波的产生方法主要包含环形阵列天线法和准光学的平面波转换法两种。其中，环形阵列法通过给天线单元馈入不同的相位来生成涡旋波束，其显著优点就是，在不改变阵列天线结构的前提下，只改变加载在阵元上信号的相位就可以实现不同模式涡旋电磁波的发射，但需要引入大量的移相器和复杂的控制网络，系统的复杂度和成本极高。而常用的准光学方法多采用介质螺旋相位板和螺旋反射面生成涡旋电磁波，它们都源自于涡旋光束的产生方法，直接应用于微波频段时都存在着尺寸大、质量重、加工难等缺点。正是在这样的背景下，基于超材料和超表面的平面透镜被引入到电磁涡旋波束天线的设计中，相对于传统的光学相位板，超材料平面透镜具有结构简单、体积较小等优点；然而，现有技术的超材料涡旋波透镜在单一工作频率下只能生成单一模态的涡旋波束，无法实现涡旋电磁波的多模复用，给实际应用带来很大的制约。

基于以上背景，本发明给出了一种基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法，该新型数字编码超材料透镜由特殊设计的一比特透射式超材料单元构成，通过施加两种不同的偏置电压，就可以使得超材料单元的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”，通过控制超材料透镜上单元的编码分布，就可以生成不同模态的电磁涡旋波束。本发明所采用的新型数字式超材料多模涡旋波透镜，具有损耗小、传输稳定性高、成本低、易加工和灵活度高等诸多优点；同时，借助该新型超材料的电磁调控功能，还可有效改善涡旋电磁波的波束发散问题。

发明内容

本发明提供了一种基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法，目的是为了解决现有超材料涡旋波透镜在单一工作频率下只能生成单一模态涡旋波束的问题。该新型数字编码超材料透镜由特殊设计的一比特透射式超材料单元所构成，在单元结构中集成了两个二极管，通过施加两种不同的偏置电压，就可以使得透射式超材料单元的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”；通过施加特定的偏置电压来控制超材料透镜上单元的编码分布，就可以生成不同模态的电磁涡旋波束。

详细技术方案如下：