[發明專利]一種能夠產生軌道角動量波的蜂窩狀超材料表面

有效

• 申請號: 201811077854.4
• 申請日: 2018-09-16
• 公開（公告）號: CN108963465B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 徐煜思;楊國敏;金亞秋
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于通信技術領域，具體為一種能夠產生軌道角動量波的蜂窩狀超材料表面。其由六種超材料單元排列組成，每種單元在平面上排列分布在六個區域，每個區域有120個超材料單元，各個區域形狀為相同的菱形，六個區域中超材料單元的中心排布方式一致，組成六邊形形狀；超材料單元由四層介質基板、四層金屬貼片和金屬縫隙層相間疊合組成，從上向下堆疊，四層金屬貼片為尺寸相同的正六邊形，分布在介質基板的上下表面和夾層中，每組金屬貼片和縫隙的中心對齊。本發明超材料表面可將任意極化方式入射的平面波轉換成軌道角動量波，并且可以通過改變超材料單元的排布方式形成不同模式的軌道角動量波，具有設計靈活、結構簡單、成本低廉等優點。

技術領域

本發明屬于通信技術領域，具體地涉及一種能夠產生軌道角動量波的超材料表面。

背景技術

隨著現代無線通信系統的快速發展和人們對更快的信息傳輸速度的要求，軌道角動量（Orbital angular momentum, OAM）以其模值的相互正交特性可以為有效提高頻譜利用率和信道容量提供一個理想的復用維度而備受關注。

產生OAM波有很多方法，比如使用口徑耦合圓極化陣列天線來產生圓極化的OAM波，還有使用多路復用的卡塞格倫反射天線來產生OAM波，但上述兩種方法都需要設計復雜的饋電網絡。更簡單的方法是使用螺旋相位板（Spiral phase plate，SPP）來產生OAM波，主要原理是在螺旋相位板的不同位置，讓波產生不同的相位延遲，以此來產生OAM波。具體方法有通過在介質板上打孔來改變不同位置的介電常數從而使其具有不同的相位延遲，還有用多層相移平面板來改變相位，但這些技術都只能將線極化平面波進行轉換，存在局限性。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的不足和缺陷，提供一種新型的能夠將任意極化入射平面波轉換為軌道角動量波的蜂窩狀超材料表面。

本發明提供的能夠將任意極化入射平面波轉換為OAM波的蜂窩狀超材料表面，其結構如圖1、圖2所示，該超材料表面由六種不同尺寸的超材料單元排列組成；其中，一種超材料單元在平面上形成一個區域，六種超材料單元在平面上排列分布為六個區域1、2、3、4、5、6，每個區域有120個超材料單元，各個區域形狀為相同的菱形，六個區域中超材料單元的中心排布方式一致；六個區域（形狀相同的菱形）組成六邊形形狀，類似于蜂窩狀，見圖1所示。超材料單元由四層介質基板、四層金屬貼片和金屬縫隙層相間疊合組成；四層介質基板8、10、12、14為六邊形，從上向下堆疊，四層金屬貼片7、9、13、15為尺寸相同的正六邊形，分布在介質基板的上下表面和夾層中，具體為：第一金屬貼片7在第一介質基板8的上表面，第二金屬貼片9在第二介質基板10的上表面，第三金屬貼片13在第三介質基板12的下表面，第四金屬貼片15在第四介質基板14的下表面，金屬縫隙層11分布第二介質基板10和第三介質基板12之間；金屬縫隙層11上的縫隙由三對長條形縫隙在中心交叉組成；每組金屬貼片（四層）和縫隙的中心對齊。超材料單元結構分解參見圖2所示。

本發明中，所述的超材料單元在超材料表面上的分布，形成一個六邊形（例如為正六邊形），該六邊形分解為六個角形區域（即六個對稱的菱形），六邊形的中心沒有超材料單元的分布，六種超材料單元分布在六邊形的六個角形區域，每個角形區域有120個單元，六種單元的中心排布方式一致。

本發明中，所述超材料單元中，金屬貼片的邊長范圍為波長的十二分之一到三分之一，金屬縫隙層中縫隙的長度為波長的五分之一到四分之一；介質基板的邊長取為波長的五分之二，整個超材料表面由于共有720個超材料單元，因此，整體邊長一般大于波長的六倍。實施例中，六邊形金屬貼片的邊長可取1.7-6.0 mm，金屬縫隙層的縫隙寬度為1 mm、長度為7 mm。

本發明中，所述的介質基板的材料可采用介電常數為2.65的F4B-4材料，損耗角正切為0.00081，大小為36 × 41 × 0.15 cm³。