基于透射型超表面的模态可重构太赫兹涡旋波束生成

摘要

太赫兹技术与轨道角动量(OAM)技术相结合在高速无线通信领域具有巨大潜力。理论上不同模态的OAM之间具备严格正交性,若能将OAM技术应用到太赫兹通信系统中,必能极大提升系统的通信容量。因此,如何产生高质量的THz-OAM波束,并给予它灵活的动态控制成为研究者们的一大研究热点。该文设计了一种双层透射型超表面,使用3D打印作为加工方式,成本低、加工难度小。超表面单元结构采用高度可变的介质单元,随着单元高度不断发生改变,透射相位覆盖0°~360°,且透射率保持在88%以上。采用WR-10标准波导喇叭天线进行馈电,在100 GHz工作频率下,通过改变双层超表面之间的相对旋转角度,产生了不同模态的OAM波束。仿真结果表明,该文设计的超表面天线能够实现$l=1,2,3$的OAM波束,二维幅相结果符合对应模态的特征,$l=1,2,3$时,OAM波束的模态纯度分别为85.4%,84.9%,83.4%。通过太赫兹扫场测试平台测试了天线在90 GHz,100 GHz,110 GHz频点下的电场分布。结果表明:在20 GHz带宽内,产生的OAM波束质量较好,证明该文设计的超表面天线在高频工作具有一定的工作带宽,有望应用于高频OAM通信。