[發(fā)明專利]能產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410539014.0
• 申請(qǐng)日: 2014-10-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104319434A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 回曉楠;鄭史烈;章獻(xiàn)民;金曉峰;池灝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): H01P1/18
• 分類號(hào): H01P1/18;H01P11/00;G02B5/30
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及產(chǎn)生攜帶軌道角動(dòng)量波束領(lǐng)域，尤其涉及一種產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的極低反射率的旋轉(zhuǎn)相位板設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)今的通信系統(tǒng)面臨著諸多挑戰(zhàn)，頻譜與電磁波極化資源正逐漸耗盡。為了提高通信速率，即便是應(yīng)用了高密度編碼和信道共享技術(shù)，仍然不能從根本上解決這一問(wèn)題。一種能夠高效率提高頻譜效率的方法已經(jīng)被提出。攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波通信得到了諸多關(guān)注。電磁波攜帶有自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量。自旋角動(dòng)量的表征是電磁波的極化，即線極化和圓極化。所以利用電磁波自旋角動(dòng)量的信道復(fù)用，復(fù)用數(shù)量是有限的。然而，軌道角動(dòng)量的模式理論上是無(wú)限多的。這一理論基礎(chǔ)為利用電磁波軌道角動(dòng)量提升通信頻譜利用率提供了很好發(fā)展前景。

有多種方案可以產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波：使用天線陣列可以產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波，這種方式理論和技術(shù)基礎(chǔ)完備，可以比較容易的組建系統(tǒng)。但是，復(fù)雜的天線陣列移相饋電網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)增加了成本和技術(shù)難題。此外，使用賦形螺旋拋物面天線也可以產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波，這種方式可以利用現(xiàn)有的天線結(jié)構(gòu)。但是如何利用賦形螺旋拋物面天線復(fù)用和解復(fù)用仍然是一個(gè)問(wèn)題。而在光頻段內(nèi)普遍使用的全息板方法，由于高損耗和低效率的問(wèn)題，在微波頻段內(nèi)并不適用。

旋轉(zhuǎn)相位板作為一種普遍用于光頻和微波頻段內(nèi)來(lái)產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量波束的方法，近些年得到了廣泛的研究，并且演變出了多種結(jié)構(gòu)和方法。其中平滑旋轉(zhuǎn)相位板、階梯旋轉(zhuǎn)相位板、鉆孔平面旋轉(zhuǎn)相位板、超表面旋轉(zhuǎn)相位板在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于介質(zhì)材料的原因，不同結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)相位板都會(huì)產(chǎn)生不同程度的反射，這一反射會(huì)導(dǎo)致發(fā)射效率降低、軌道角動(dòng)量波束畸變、通信質(zhì)量下降等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種利用傳輸線理論、空間阻抗匹配方法設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)相位板，從而以極低反射率產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束。

???????本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取技術(shù)方案為：

???????本發(fā)明方法是通過(guò)在介質(zhì)材料上設(shè)計(jì)直徑不同且遠(yuǎn)小于入射波波長(zhǎng)的通孔，來(lái)改變材料的等效介電常數(shù)；根據(jù)波束沿方位角周期性變化的相移關(guān)系，調(diào)整不同方位角處材料的厚度及通孔大小以改變透射相位。利用這一方法，在滿足空間滿足方位角渦旋相移的基礎(chǔ)上，達(dá)到阻抗匹配，大幅降低反射率。

???????利用上述設(shè)計(jì)方法所制作而成的旋轉(zhuǎn)相位板，可以在極低反射率的條件下，產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的波束。對(duì)饋源天線進(jìn)行饋電，饋源天線產(chǎn)生的電磁波入射到極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板，對(duì)于不同方位角，極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板的透射波相移不同，可以產(chǎn)生周期性的渦旋相位變化，透射波束攜帶有軌道角動(dòng)量。同時(shí)，又因?yàn)樽杩蛊ヅ洌瓷渎蕵O低，理論上不會(huì)產(chǎn)生反射。

本發(fā)明的有益效果：經(jīng)過(guò)傳輸線理論分析、空間阻抗匹配設(shè)計(jì)的極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板可以產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的微波波束。極低的反射率不但可以降低反射，提高效率，同時(shí)還可以減小軌道角動(dòng)量波束的畸變。

附圖說(shuō)明

圖1極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板組成單元；

圖2極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板組成單元傳輸線模型；

圖3極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板；

圖4極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板與普通旋轉(zhuǎn)相位板反射率對(duì)比；

圖5透射波截面旋轉(zhuǎn)相位分布。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述：

極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板是由如圖1所示的單元組成的。單元外形為長(zhǎng)方體，a為正方形橫截面邊長(zhǎng)，且遠(yuǎn)小于真空中的波長(zhǎng)。d為前后正方形表面距離，即單元厚度。從單元前表面到后表面設(shè)計(jì)通孔，以改變介質(zhì)的等效介電常數(shù)。以圓孔為例，半徑為r，調(diào)節(jié)d與r的大小可以改變透射波相位從而符合阻抗匹配的條件。?

圖2為極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板組成單元的傳輸線模型，Z₀為空氣的特征阻抗，ε_r為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，Z_e為介質(zhì)特征阻抗。為滿足阻抗匹配條件，達(dá)到極低反射率，傳輸線模型需要滿足下列公式：

其中λ₀為電磁波在真空中的波長(zhǎng)。利用這一單元模型組成極低反射率的旋轉(zhuǎn)相位板，單元的厚度需要滿足：

其中l為軌道角動(dòng)量的模態(tài)，N為極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板分割的階梯總數(shù)，d_m為第m階的厚度，d₁為第一階的厚度。為了滿足上面兩個(gè)公式，需要同時(shí)改變單元的厚度和相對(duì)介電常數(shù)，其中相對(duì)介電常數(shù)是通過(guò)改變介質(zhì)單元上孔的大小來(lái)改變的。