[发明专利]产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元

说明书

本发明公开了一种产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元，在介质基板上下两面都具有金属层，且两层金属层的结构相同、上下对应设置；每一个金属层都由4片金属贴片组成，金属贴片为弧度π/4的弧形金属贴片，4片金属贴片一端共同相接于电磁表面单元中心，相邻两片金属贴片以电磁表面单元中心为圆心相隔90°，4片金属贴片的弯曲方向一致，在4片金属贴片的远离电磁表面单元中心一段距离的位置都设置有连接上下金属层的金属柱。本发明携带轨道角动量波束的人工电磁表面单元在口径、波束发散角、厚度方面有比较明显的改进，整个人工电磁表面产生的波束在厚度更小的情况下达到较高的增益，良好的波束发散角和口径效率。

技术领域

本发明涉及人工电磁超表面结构领域，特别是一种产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元。

背景技术

随着5G技术的商用以及物联网的飞速发展，人们对无线通讯的速率以及容量的要求越来越高，在对天线性能提出要求的同时，对传输数据也进行了编码调制，主要的调制方式有振幅调制，频移调制，相移调制，正交相移调制。这些调制方法可以提高信道容量，但是会导致整个系统的复杂度大大提升，复杂度的提升会导致成本，误差随之增加。携带轨道角动量的电磁波在任意频率下都具有多种互不干扰的正交模态的性质，大大提高了频谱的利用率，逐渐称为电磁领域和通信领域的研究热点。现有的产生轨道角动量的方式主要有透射型螺旋相位板，螺旋反射面和环形阵列天线。

现阶段的人工电磁超表面普遍存在厚度较厚的问题，例如公开号为CN108521022A的名称为“一种全透射人工电磁材料”的中国专利，其通过使用三层基材和金属表面蚀刻的人工电磁表面来提高材料的透射率，但是由于单元本身的多层结构导致电磁材料的剖面较厚，对人工电磁材料的透射率造成损失。

透射型螺旋相位板由于电磁波照射到人工电磁超表面的不同位置时的厚度不同，导致不同位置的透射波具有不同的相位差，从而形成涡旋电磁波束。缺点在于当电磁波段比较低时，由于波长较长导致相位板的尺寸会比较大，较大的体积会导致加工成本上升而且笨重，不方便搬运。另一方面由于电磁波只是通过在介质板内形成的相位差进而形成波束，不可避免的会导致功率损耗。

螺旋反射面通过设计反射面结构产生涡旋电磁波束，反射面本身的体积较大，再加上金属结构导致重量较重，人工电磁表面的材料相比反射面体积较小而且重量较轻，反射面本身由于需要设计不同位置产生涡旋电磁波所需要的曲率，造成透射介质板的加工成本较高。

相控阵天线通过移相器可以比较精确的产生轨道角动量所需要的电磁波相位，但是相控阵天线最大的难点就是需要设计十分复杂的馈电网络，馈电网络的精度直接决定了整个波束的效果，造成整个馈电网络的设计变得十分复杂，另一方面整个馈电网络相比于相控阵面有较大的体积，较大的体积不利于天线系统在有限的工作环境下工作。

相关术语：

轨道角动量(Orbital Angular Momentum)：电磁波能够携带动量和角动量，电磁波的动量又可以分为自旋角动量和轨道角动量，轨道角动量表示电子绕传播轴旋转，是由能量流(由坡印廷矢量描述)围绕光轴旋转而产生的，它使电磁波的相位波前呈涡旋状，因此，携带有轨道角动量的电磁波也被称为涡旋电磁波。将轨道角动量应用在电磁波中，在正常的电磁波中添加一个相位旋转因子，此时电磁波波前将不再是平面结构，而是绕着波束传播方向旋转，呈现出一种螺旋的相位结构。涡旋波每绕传输轴旋转一圈，相位波就前进。

人工电磁表面(metameterial)：人工电磁材料是由一系列由介质板和金属贴片组成的电磁表面单元通过周期排列的方式组成。人工超构表面是三维电磁超材料的平面形式，其具有超常的电磁波调节能力。可以对电磁波的幅度、相位、极化等关键参数进行调控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以产生携带轨道角动量波束的透射型人工电磁超表面单元，解决现阶段轨道产生角动量电磁波的技术方案存在成本高，产品笨重，电磁波损耗大等问题。