[发明专利]一种反射型极化转换超表面的轨道角动量产生结构设计

说明书

本发明属于电子材料通信技术领域，特别涉及一种反射型极化转换超表面的轨道角动量产生结构设计。本发明在能实现极化转换的反射型单元基础上实现，利用基本单元的极化特性在优化幅值和相位需求的过程中，只需得到n/2个基本单元，再作镜像对称即可得到n个所需的基本结构，减小了设计难度。通过调节基本单元结构的几何参数可以实现幅值和相位差的需求，进而减小设计和优化难度，同时制作工艺简单，成本较低，使其大批量、标准化生产成为可能。实现的产生OAM的超表面结构具有超薄，高效，结构简单等特点。

技术领域

本发明属于电子材料通信技术领域，特别涉及一种反射型极化转换超表面的轨道角动量产生结构设计。

背景技术

随着通信技术的快速发展，宽频带、高速率一直是未来无线通信领域人们追求的方向。纵观通信发展历史，信道容量拥挤和频谱利用率低是阻碍无线通信发展的主要问题。由于移动互联网业务迅速增长，导致无线频谱非常拥挤，而携带轨道角动量(OrbitalAngular Momentum:OAM)的电磁波的“态分复用”通信，是一种全新的物理机制，有可能从一个新维度来提高频谱效率，实现同一频带承载更大的传输容量。由于同一频率的电磁波拥有无穷多种模式，可使通信系统的传输能力得到较大程度的扩展，使得涡旋电磁波在通信中具有频谱利用率高、抗干扰的特点。

轨道角动量表示电子围绕传输轴旋转，由能量流围绕光轴旋转而产生，它使电磁波的相位波前呈涡旋状，因此，携带有OAM的电磁波被称为涡旋电磁波，涡旋波束具有相位奇点，且波束中心振幅为零，其轨道角动量大小与其拓扑荷值有关。其广泛的应用前景使得涡旋波束成为当前的研究热点。对于不同拓扑荷值的波束，其与旋转方位角有关的相位因子决定了波束在传播过程中围绕相位奇点表现出螺旋型相位波前的特性，而携带轨道角动量是涡旋波束最重要的特征。可以根据拓扑荷值的不同，得到不同的波前相位，对应不同的相互正交的涡旋波模式，呈现出不同于频率、极化等的新自由度。如今，OAM已经在光学领域得到了广泛的研究。通过引入OAM，光学通信系统的传输能力得到了改善和扩展。最近的研究表明，携带有OAM的涡旋波也可以用于射频领域，进而使得OAM在无线电中的应用逐渐成为研究的热点，而找到能在射频领域中产生OAM的涡旋波束的有效方法是非常重要的。

目前为止，生成OAM涡旋波束的具体方法有螺旋反射器、天线阵列、全息衍射光栅和螺旋相位板。其中，螺旋反射器和天线阵列主要针对低频操作。全息衍射光栅和螺旋相位板主要应用于光学并且主要用于较高的频率。而对于螺旋反射器来说，其弯曲的表面增加了制造难度；对于阵列天线，由于其复杂的波束形成器和许多高成本的放大器模块，造价非常昂贵。而近来利用超表面在微波毫米波频率下产生携带OAM的涡旋波束成为研究热点。超表面具有超薄的平面结构和亚波长的周期单元，且具有极强的操控电磁波幅值和相位的能力，而采用印刷电路板蚀刻工艺可以很容易地制造超表面。同时，超表面没有复杂的外部馈电网络，具有重量轻、低剖面、制造成本低、易于装配等优点。然而，目前利用超表面探索OAM的相关性质的研究主要集中在透射型结构的设计中，缺少反射型超表面的研究，尤其是利用具有反射型极化转换特性的超表面基本单元来实现OAM的产生还未报道。

发明内容

针对目前研究中存在的问题或不足，本发明结合电磁波极化转换结构的幅值和相位特性，通过对幅值和相位的调控，提供了一种能够实现OAM产生的超表面设计方法。基于该方法设计的基本单元结构能够在大于55％的带宽范围内保持平均交叉极化转换效率在70％以上，而且能够实现360°的相位梯度变化。通过补偿相位公式的理论推导，以及对极化转换基本单元的设计，采用球面波作为场源，设计出在12GHz工作频率下能产生OAM涡旋波束的反射型超表面。采用MATLAB进行理论计算，并通过全波仿真对所提出的方案进行仿真设计，最后对产生OAM的超表面结构进行实验验证，得到了与理论相符合的结果。

本发明的技术方案如下：

一种反射型极化转换轨道角动量产生超表面的结构设计，包括以下步骤：