[發明專利]一種極化可控的渦旋多波束超材料反射陣及其設計方法

在審

• 申請號: 201811097059.1
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109193168A
• 公開（公告）日: 2019-01-11
• 發明（設計）人: 程強;楊進;張琤;袁巍;趙捷;楊劉曦;柯俊臣;崔鐵軍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01Q15/14
• 分類號: H01Q15/14;H01Q15/24;H01Q15/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種極化可控的渦旋多波束超材料反射陣，由電磁各向異性的單元結構組成，單元結構包括上層金屬圖案層、中層介質層及下層金屬背板層。上層金屬圖案層采用正交的工字形結構。本發明還公開了此種超材料反射陣的設計方法。調整工字形結構的水平臂長，可以有效控制水平極化波的反射相位，而不會對垂直極化波相位產生影響，調控工字形結構的垂直臂長，可以有效控制垂直極化波的反射相位，不會對水平極化波產生影響。該超材料反射陣可對每個波束的極化狀態、渦旋拓撲荷數、傳播方向進行獨立設計和調控，可以降低傳統渦旋多波束器件的成本，促進多功能化渦旋多波束器件的發展。

技術領域

本發明屬于軌道角動量、無線通信和新型人工電磁材料領域，具體涉及一種極化可控的渦旋多波束超材料反射陣及其設計方法。

背景技術

隨著時代的發展，新媒體、新技術層出不窮，網絡直播、視頻通話、無人駕駛、物聯網，對通信的容量、響應速度、時延等方面提出了更高的要求。特別是頻譜這一有限資源在高速發展的需求下，顯得愈發緊張，如何提高頻譜的利用率再次成為通信技術面臨的重要挑戰。近些年，軌道角動量電磁渦旋(Orbital Angular Momentum，OAM)技術出現和發展，讓人們看到了新的曙光。1992年，Allen等人發現在近軸傳播條件下，光束的相位因子exp(-ilφ)具有確定的軌道角動量的特性，其中l是拓撲荷數，是普朗克常數，φ是方位角。OAM復用技術能夠將載波所攜帶的軌道角動量模式作為調制參數，并且利用軌道角動量模式內在的正交性，將多路信號調制到不同的軌道角動量模式上。通過這種方式，人們在同一載頻上可以得到多個相互獨立的軌道角動量信道。由于軌道角動量在理論上可以擁有無窮維階數，因此理論上同一載波頻率利用軌道角動量電磁渦旋復用可獲得無窮的傳輸能力。軌道角動量技術除了可以有效地增大信道的信息容量外，其在信息編碼中的應用也使得被編碼的信息保密性更強，傳輸的過程更安全。在光波段，OAM光束在操控光子自旋霍爾效應、光學成像、量子糾纏、信息存儲及生物醫學等領域中也具有新穎的應用。

由于OAM的獨特新穎的性質，OAM的應用越來越廣泛，OAM波束的產生和調控方法也引起研究者們極大的興趣。軌道角動量的產生方法主要有螺旋相位板法、計算全息法、天線陣列法和螺旋反射面法等方法。前兩種方法源自光學，主要用于較高的頻率，后兩種方法用于較低頻率。螺旋相位板法的設計思想是波束透過不同高度的相位板表面時，為反射波添加不同的相位因子，進而形成電磁渦旋多波束，由于螺旋梯度制作精度的限制，很難得到高質量的OAM光束；計算全息法利用計算機制作能夠干涉得到渦旋多波束的相位全息圖，當波束照在相位全息圖上時，通過波的干涉產生渦旋多波束束，然而全息圖的制作很復雜，不利于OAM實際應用；天線陣列法的不同天線單元對于輸入的相同信號會產生360°梯度相位差，將這些單元沿軸線進行扇形分布，從而形成渦旋多波束束，若對這些單元進行一些特定方式的排布，還可得到不同模式的軌道角動量波束，該方法通過引入大量移相器，T/R組件，導致系統結構過于復雜，應用和維護成本過高，無法大規模推廣。

隨著新型電磁功能材料的出現，超材料以其特異的電磁特性已經成為人們研究的熱點，超材料的出現為OAM波束的產生與調控提供了新的契機。超材料通過將精心設計的結構單元進行周期性或者非周期性的排布可以實現許多自然界材料所無法實現的電磁特性，例如逆切倫科夫、逆多普勒現象、負折射率、超光速、超分辨率等。不同于傳統材料，超材料設計往往不會受到材料體系的制約，具有極高的靈活性，可以通過基體材料的選擇以及結構單元的設計，在同一結構中同時實現多種電磁功能。這里，我們利用超材料反射陣實現OAM多波束產生，及OAM多波束極化狀態的調控。此工作可以降低傳統OAM器件的成本，同時促進多功能化OAM器件的發展，該超材料將在OAM微波通信領域具有極高的應用前景。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于解決現有的OAM器件引入大量移相器，T/R組件，導致系統結構過于復雜，應用和維護成本過高，無法大規模推廣的問題。