[发明专利]一种基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动量波束产生方法

说明书

本发明公开一种基于透射型超表面的模态复用型可重构太赫兹轨道角动量波束产生方法。本发明首先提出了一种基于透射型超表面的天线，超表面天线设计为双层结构，在太赫兹波段，以喇叭天线作为馈源，集成低剖面的天线系统。通过机械改变双层超表面之间的相对旋转角，可以实现轨道角动量波束模态的可重构，且产生的波束是两种轨道角动量模态叠加的波束，为轨道角动量在太赫兹无线通信中复用打下基础。

技术领域

本发明涉及轨道角动量波束的产生领域，尤其涉及一种用于太赫兹波段，可重构复用型模态太赫兹轨道角动量波束的产生方法。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(波长为3000μm～30μm)范围内的电磁波，介于微波段和红外光频段之间，具有很多独特的性质和鲜明的技术特点，在多领域具有潜在的应用，可广泛应用于遥感、雷达、高速数据通讯与传输方面等。

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)，作为电磁波携带的基本属性，理论上来说具有无限个正交基，相比于传统调制技术，往往只对信号的幅度、频率、相位这三个线性动量进行信号的调制，然而电磁波不但传播线性动量，同样传播角动量J(AngularMomentum，AM)，角动量J由轨道角动量L和自旋角动量S(Spin Angular Momentum，SAM)组成，S表示电子自旋，与电磁波的极化方式有关，包含左旋和右旋圆极化两种方式；L表示电子绕传播轴旋转，与电磁波的空间分布有关，它使电磁波的相位波前呈涡旋状，而涡旋分布的电磁波在传输过程中携带轨道角动量，具有OAM的涡旋电磁波场方程可表示为：其中A(r)为电磁波的幅值，r表示到波束中心轴线的辐射距离，为相位旋转因子，为垂直于传播方向的横截面的方位角，整数l为OAM模态数。不同l的OAM波空间结构不同，且相互正交，利用轨道角动量不同模态之间的正交性进行多路信号复用，可将多路信号分别调制到l不同的模式上进行同频传输，理论上可以实现同一频段上无穷多个子信道的无干扰传输，这将极大地提升系统频带利用率，以解决目前频谱资源紧缺的问题。

太赫兹技术与轨道角动量技术相结合，在高速无线通信领域具备巨大潜力，有望克服微波段可承载带宽小以及光波段大气湍流影响等问题。因此，在太赫兹波段设计天线以产生可重构的高质量OAM波束是太赫兹、轨道角动量技术能够相结合的前提所在。现有研究工作中，已有不少超表面天线在产生OAM波束时具备模态可重构性，进一步则需要考虑设计有效的分集系统，同时产生和传输多个OAM波束，为无线通信中相位分集应用打下基础。

发明内容

本发明提出一种基于透射型超表面的可重构复用型模态太赫兹轨道角动量波束产生方法，其目的在于在太赫兹波段，以超表面天线的方式产生可重构的复用型模态太赫兹轨道角动量波束，本发明的超表面天线加工难度和成本较低，适合广泛生产应用。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：

设计双层超表面结构，工作在太赫兹频段；通过使双层超表面结构之间发生相对旋转，实现轨道角动量波束模态的调谐，且同时产生两种模态复用的轨道角动量波束。

本发明通过相位叠加原理对超表面进行设计，由于设计的超表面能够出射的波束为轨道角动量波束，因此，超表面天线最终呈现的相位分布

项为OAM特征相位，通过对进行分析可发现，为的一次项，可存在于的二次项方程中，因此，可将分解为，

为了消除二次项，令a₁＝-a₂，则

l＝-(b₁+b₂),