[發明專利]一種全向圓極化渦旋電磁波的產生方法

有效

• 申請號: 201910853315.3
• 申請日: 2019-09-10
• 公開（公告）號: CN110600879B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 衣建甲;李蝶;朱麗娜;劉晨晨;郭明濤;楊龍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01Q1/50
• 分類號: H01Q1/50;H01Q15/00;H01Q15/02;H01Q15/24;G06F30/20
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 程曉霞;王品華

1.一種全向圓極化渦旋電磁波的產生方法，其特征在于：包括有如下步驟：

(1)設計透鏡形狀：將特定的透射單元結構進行周期排列得到的平面超表面共形到周長與平面超表面長度相等的圓柱面上，形成圓環柱狀超表面透鏡組件，以實現水平360°全方向范圍的相位調控，將饋源產生的全向圓極化電磁波轉換為全向圓極化渦旋電磁波；所述特定的透射單元結構具有相同的基底和金屬層尺寸以及不同的金屬層幾何旋轉角度，具體的透射單元結構是由中間層厚度為h0的硬性基底和上下兩層厚度均為h1的帶有金屬層的柔性基底組成，其中金屬層為糖果型金屬條帶結構；

(2)設置參數：圓環柱狀超表面透鏡組件的中心和饋源的中心重疊，以該中心建立笛卡爾直角坐標系oxyz，設置工作頻率f、透射單元結構行數M、透射單元結構列數N、透射單元結構的單元周期P、軌道角動量模態L；M、N、L均為整數；

(3)計算透鏡組件的期望渦旋電磁波相位分布：根據設置的軌道角動量模態，結合渦旋電磁波的空間相位公式，分別計算每一個透射單元結構外表面中心位置處的期望渦旋電磁波的相位，遍歷整體，進而得到圓環柱狀超表面透鏡組件外表面的期望渦旋電磁波相位分布；

(4)計算透鏡組件初始模型的金屬層幾何旋轉角度分布：圓環柱狀超表面透鏡組件初始模型上的相位為期望渦旋電磁波相位分布，結合透射單元結構的圓極化透射相位關于透射單元結構上金屬層幾何旋轉角度的映射關系，分別計算每一個透射單元結構中金屬層幾何旋轉角度，遍歷整體，進而得到圓環柱狀超表面透鏡組件初始模型外表面的金屬層幾何旋轉角度分布；

(5)建立透鏡組件初始模型并進行全波仿真：根據圓環柱狀超表面透鏡組件初始模型外表面的金屬層幾何旋轉角度分布，建立圓環柱狀超表面透鏡組件的初始模型；對圓環柱狀超表面透鏡組件初始模型進行全波仿真，得到其對應的輻射電磁波的電場分布；

(6)計算透鏡組件的匯聚相位分布：從透鏡組件初始模型的輻射電磁波的電場分布中提取透鏡組件初始模型表面上的圓極化分量電場的相位分布；將透射單元結構表面的圓極化分量電場的相位分布的平均值作為該透射單元結構的空間相位延遲；每列的透射單元結構對應的M個相位值構成相位曲線，用二次函數擬合這條曲線，得到透鏡組件中對應列的透射單元結構的擬匯聚半徑，將所有擬匯聚半徑中的最小值作為最終匯聚半徑；根據雙曲型匯聚相位公式，由最終匯聚半徑分別計算每一個透射單元結構外表面中心位置處的匯聚相位，遍歷整體，進而得到圓環柱狀超表面透鏡組件外表面的匯聚相位分布；

(7)計算透鏡組件最終模型的金屬層幾何旋轉角度分布：用期望渦旋電磁波相位分布與匯聚相位分布之和構成圓環柱狀超表面透鏡組件最終模型上的總相位分布，結合相應的透射單元結構的圓極化透射相位關于透射單元結構上金屬層旋轉角度的映射關系，分別計算每一個透射單元結構中的金屬層幾何旋轉角度，遍歷整體，進而得到圓環柱狀超表面透鏡組件最終模型外表面的金屬層幾何旋轉角度分布；

(8)建立透鏡組件最終模型并進行全波仿真驗證：根據透鏡組件最終模型外表面的金屬層幾何旋轉角度分布，建立圓環柱狀超表面透鏡組件的最終模型；對圓環柱狀超表面透鏡組件最終模型進行全波仿真，得到其近場相位分布圖和遠場方向圖。

2.根據權利要求1所述的一種全向圓極化渦旋電磁波的產生方法，其特征在于：步驟(3)所述的計算透鏡組件的期望渦旋電磁波相位分布，其中圓環柱狀超表面透鏡組件外表面的期望渦旋電磁波相位分布，用數學方式表示為，第(m,n)個透鏡單元結構的期望渦旋電磁波相位對應的表達式：

式中，(x_mn,y_mn,z_mn)為第(m,n)個透鏡單元結構的坐標位置；L為軌道角動量模態；m為圓環柱狀超表面透鏡組件中透射單元結構所在行數，m＝1,2,…,M；n為圓環柱狀超表面透鏡組件中透射單元結構所在列數，n＝1,2,…,N。

3.根據權利要求1所述的一種全向圓極化渦旋電磁波的產生方法，其特征在于：步驟(4)所述的計算透鏡組件初始模型的金屬層幾何旋轉角度分布，其中圓環柱狀超表面透鏡組件初始模型外表面的金屬層幾何旋轉角度分布，用數學方式表示為，第(m,n)個透射單元結構中金屬層的幾何旋轉角度α_mn的計算公式如下：