[发明专利]数字编码透射超构表面的多波束OAM系统

说明书

数字编码透射超构表面单元包括一层介质和两层金属贴片，上下两层金属贴片完全相等，金属贴片表面类似于两大小结构不同，大小相同的双箭头结构组成。以旋转角度为周期旋转金属贴片获得8种编码单元。设计具有不同功能的二维编码超构表面阵列，通过将8种编码单元“0”‑“7”的一部分或全部，分别编码成能够实现特定功能的二维编码超构表面阵列，将不同功能超构表面阵列通过以8为模进行模加运算来实现方向图卷积，获得用于实现复合功能的数字编码透射超构表面阵列。采用线极化喇叭天线作为发射端，超构表面阵列放置在线极化喇叭天线前方并与其保持一定距离，构成数字编码透射超构表面的多波束OAM系统。本发明能有效缓解实时信息交互困难，频带资源短缺问题。

技术领域

本发明涉及数字编码透射超构表面设计以及多波束OAM实现技术，具体涉及一种数字编码透射超构表面的多波束OAM系统。

背景技术

电磁超构材料是一种人工复合型材料，通过人工微结构的设计和空间序构的排列，打破某些自然规律的限制，从而获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料。超构材料的二维表现形式称为电磁超构表面(Metasurface，MS)，简称为超表面，2014年，崔铁军院士提出了“数字编码超材料”和“可编程超表面”引起了国内外学者的广泛关注。2016年，Yu等人提出了一种的双层单元构成的谐振结构，可以实现1＝1模态的OAM波束具有3GHz的带宽工作特性。(Shixin Yu，Long Li，Guangming Shi，Appl.Phys.Lett，vol.108，no.12，pp.108-112，2016.) Xu等人提出了一款双层超表面单元可以独立控制x极化波和y极化波，通过双层正交结构设计，可以在不产生过多串扰的情况下独立控制反射相位，可以实现6.95-18GHz超宽带范围内实现OAM波束。(Hexiu Xu，Haiwen Liu，Xiaohui Ling，IEEETrans.Antennas Propag，vol.65，no.12，pp.7378-7382，2017.)同时，对于超表面单元而言，实现超表面相位突变的方式不仅限于依靠结构参数变化的结构相位，基于单元结构旋转而引起的相位变化同样可以应用于超表面设计中。 Ran等人设计的一种基于PB相位原理的结构可以实现圆极化波的完美转换。此结构在12-18GHz可以激发2模态涡旋波束且效率可达到75.76％。(Yuzhou Ran， Jiangang Liang，Tong Cai，Opt.Commun.vol.427，no.07，pp：101-106，2018)2018 年，Zhang等人提出的“时空编码超构表面”，Lei Zhang，Xiao QingChen，Shuo Liu，Qian Zhang，Jie Zhao，Jun Yan Dai，Guo Dong Bai，Xiang Wan，QiangCheng，Giuseppe Castaldi，Vincenzo Galdi，Tie Jun Cui，Space-time-coding digitalmetasurface，Nat.Commun，2018，vol，9，pp：4334.)为解决无线通信领域频谱资源短缺问题提供了新方法与思路。透射式超构表面由于损耗不可忽略，且单元调控中需要考虑的更多参数，要实现高效率的透射超构表面仍是一个很大的挑战， 2017年Zhang等人提出的基于反射超构表面的卷积运算，通过模加实现不同的功能，将此方法延伸到透射超构表面中，为解决透射多功能问题提供了良好的理论基础。(Lei Zhang，Shuo Liu，LiangLin Li andTieJun Cui，ACS Applied MaterialsInterfaces，2017，9，36447-36455.)。就现有的研究现状而言，透射型超构表面的研究相对较少，通过透射超构表面实现多波束OAM更是鲜有报道。多波束OAM可以提升通信容量，缓解现阶段频谱资源紧缺的问题。因此为了满足现阶段多通道无线通信领域的应用需求，基于透射超构表面的多波束OAM实现具有重要的研究意义。

发明内容

为实现多波束OAM，本发明提供一种实现多波束OAM的数字编码透射超构表面单元，以下简称“单元”，由一层介质和与其贴合的前后两层金属贴片组成，其中

介质板自前而后或自后而前看，均为正方形，其边长为p；介质厚度为t；