一种基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线

摘要

本发明公开了一种基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线。它由移相单元(1)排列组成，移相单元(1)包括介质板(3)，介质板(3)的表面设有金属贴片(4)，金属贴片(4)的中间设有上孔(5)；介质板(3)的底部设有金属接地板(6)，金属接地板(6)的中间设有下孔(7)；介质板(3)的中部设有金属管(8)，金属管(8)与上孔(5)和下孔(7)连通。本发明具有体积小、重量轻、成本低廉的特点，同时还实现了轨道角动量在0到2π相位的连续控制，产生了明显的涡旋轨道角动量；而且具有优越的反射效果。

说明书

技术领域

本发明涉及基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线，属于通信领域。

背景技术

轨道角动量(OAM)作为物理学一个重要物理量，自1992年被Allen等人证实后迅速推动了非线性光学、量子光学、原子光学和天文学等多个学科的新发展。与自旋角动量不同，轨道角动量与螺旋形相位波前联系在一起，理论上可取值无穷且彼此正交。在物理学和光通信学科交叉领域，科学家将轨道角动量引入到光通信中，与波长、时隙和偏振等自由度类似，将轨道角动量视为一个新自由度并作为数据信息载体，开展了利用轨道角动量进行光通信的基础理论和关键技术研究。

如何产生具有轨道角动量的涡旋波束，一直是近年来研究和关注的热点。目前在光波频段，主要方法有螺旋相位板法、几何模式转换法(柱面透镜、圆锥镜等)、计算机全息法(空间光调制器法)、液晶相位制器法(液晶q-plate)等。

利用螺旋相位板法产生涡旋光束能够实现较高的转换效率,并且可以用于高功率的激光光束。但一个螺旋相位板理论上讲只能产生 单一拓扑荷的涡旋光束,缺乏灵活性。此外加工高质量螺旋相位板比较困难,且需要特殊的加工设备。

利用几何光学模式转换法能够得到很高的转换效率和很纯的光学涡旋。但是转换系统的结构都比较复杂,各类元件的精度要求很高,而且相应的入射光束需要是高阶厄米一高斯光束,其本身就比较难得到,因此,这种方法在实际应用中不够灵活。

利用空间光调制器调制螺旋相位图(计算机全息图)和液晶相位法产生光学涡旋,能够根据需求比较灵活容易地控制光束的各类参数,产生高质量的涡旋光束。但这种方法也受到空间光调制器的分辨率和能量阂值的限制,不能处理高功率的激光束。

上述公开的现有技术存在的问题是：现阶段研究主要集中在利用激光的轨道角动量进行通信，螺旋相位板法、相位全息法、由柱透镜组成的模式转换器法等产生涡旋光束的方法实现都较为复杂，且在实现光束轨道角动量态复用中，使用的器件多、结构复杂和不容易小型集成化，不适于上星使用。并且，光通信技术对传输环境也存在很多限制，比如激光星地链路受大气中的降雨、烟尘、雾状的影响要比微波大的多。

鉴于以上这些方法都是在光波频段来产生涡旋光束，虽然可行但存在系统结构复杂、制造工艺困难、衍射角度不大、衍射效率不高等问题。在微波频段，由于波长达到毫米甚至厘米量级，很难在较小的体积空间里对相位进行裁剪，这也正是制约了其在微波通讯领域应用的原因。在微波频段，目前利用利用超材料设计的天线阵列设计来 来产生涡旋波束将是一种比较可行的方法，阵列天线是一类通过调控各阵列单元辐射强度、相位延迟来进行波束扫描的阵列天线，具有探测距离远、调节速度快等优点，技术相对成熟。由大量振幅、位相可调节的阵元构成的阵列天线，这在光束的径向、切向极化提供了很大的灵活性，在光学器件的设计上也有很大的便利，为微波频段的涡旋波束的产生提供了一个可靠的途径。

超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，具有负磁导率、负介电常数和零折射率等非常规的电磁特性.近十年来,科学家在超材料的理论研究、物理特性和应用方面取得了很大的进步。超表面是超材料的二维平面情形,最近几年已成为超材料研究领域的热点和前沿.其中,相位梯度超表面(phasegradient metasurfaces)，因其可以实现对电磁波波前的任意控制而产生各种新奇的现象,受到了研究者们的广泛关注。相位梯度超表面最早来源于2011年哈佛大学Z.Gaburro教授课题组关于利用超薄单层金属结构超材料的相位突变实现了对光波的波束整形，他们给出了广义折反射定律，利用纳米天线阵列构成相位梯度超表面对奇异反射/透射现象进行了验证，并给出了一个产生涡旋波束的实例。2012年，美国普度大学V.M.Shalaev教授也利用V字结构排列而成的平面电磁特异材料实现了对反射波和出射波宽角度波束偏转，从而引起了广泛关注。一般相位梯度超表面是基于相位突变和极化控制思想设计的，由人工微结构单元构成的遵守广义折反射定律的二维新型人工结构表面,可对电磁波的激发和传输进行灵活的控制,实现奇异反射/折 射、极化旋转以及非对称传输等功能。相位梯度超表面应用广泛,很多学者都对其进行了深入研究.中国科学院的Pu等利用对称的T形结构在X波段成功设计了足够覆0°—360°的超表面单元,并利用此单元实现了宽带奇异反射。Li等利用圆形结构在10GHz附近通过控制透射过相位梯度超表面的透射波的方向,实现了高效调控电磁波波束的功能.随着航空工业的发展与移动通信的飞速发展,聚焦天线在航天、军工、通信、医疗等领域扮演着越来越重要的角色。

超表面材料，或者称为“平面超薄超材料”是由一系列低维度的电磁(光学)超材料组合而成，其独特和优点之处是超表面只需要一个二元结构(即两台阶厚度)即可实现0到2π相位的连续控制，突破了传统“体材料”的本质性限制，同时还具备尺寸、重量、容易制备及器件集成等诸多优势。超表面材料利用电磁波与表面结构的作用引起的“相位突变”或“偏振突变”来控制光或电磁波的传播，是一种“界面效应”，与通常超材料中的“体效应”机理完全不同。超表面材料开启了一个新的物理领域及现象，在两种天然材料的“界面”上展现了一种超越常规的控制电磁能流的能力。与传统三维体超材料所观察到的完全不同，超表面材料进一步拓展和延伸了体超材料的功能及应用，可以产生不同于那些大体积的多层结构的超材料的功能及应用，也可以解决许多传统体超材料发展及应用中的重大难题，如工作带宽、高损耗、高难度的昂贵制造工艺以及与应用系统的集成化困难等等。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线。本发明具有体积小、重量轻、成本低廉的特点；本发明还实现了轨道角动量在0到2π相位的连续控制，产生了明显的涡旋轨道角动量；同时本发明降低了入射波反射的衰减率，从而提高了本发明的反射效果，现有的阵列天线的反射效率一般在30％-40％，而本发明的反射效率可以达到65％。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线，该阵列天线由移相单元排列组成，移相单元包括介质板，介质板的表面设有金属贴片，金属贴片的中间设有上孔；介质板的底部设有金属接地板，金属接地板的中间设有下孔；介质板的中部设有金属管，金属管与上孔和下孔连通；所述的相移单元按一定的象限角均匀分成N份，相邻象限角内相移单元的金属贴片表面积按梯度递增，使阵列天线对入射波调制的波形相位变化量覆盖0到2π。

上述的基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线中，该阵列天线为正方形，相移单元按45°的象限角均匀分成8份，每个象限角内的移相单元数量相等。

前述的基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线中，所述的8份相移单元的金属贴片表面积按顺时针方向梯度递增。

前述的基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线中，所述的移相单元的介质板和金属接地板为正方形。

前述的基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线中， 所述的金属贴片为圆形。

前述的基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线中，所述的上孔和下孔为圆形，所述的金属管为圆柱空心管。

前述的基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线中，所述8个象限角的移相单元的金属贴片的直径按顺时针依次1.65mm、3.85mm、4.86mm、5.50mm、5.96mm、6.60mm、8.12mm、9.85mm。

前述的基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线中，所述的金属贴片的厚度与金属接地板的厚度为t＝0.035mm。

前述的基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线中，所述的介质板的介电常数为2.65，介质板的厚度为h＝1.60mm。

前述的基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线中，所述的上孔和下孔的半径r₁＝0.5mm，金属管的管径为r₂＝0.5mm。

与现有技术相比，本发明对移相单元的结构作了创造性的改进，将移相单元从上至下分为金属贴片、介质板以及金属接地板三部分，且移相单元中间设置有金属管贯穿这三部分，这三部分组成一个等效电路，与现有的移相单元相比，明显降低了入射波反射的衰减率，提高了本发明的反射效果，现有的阵列天线的反射效率一般在30％-40％，而本发明的反射效率可以达到65％，仿真计算和实验测量均表明波束偏转效率大于60％以上，而一般的透射结构的转换效率一般都在20％以下，取得了预料不到的有益效果。进一步地，申请人还对移相单元的排列方式、以及移相单元各部分在形状和尺寸上作了优选，优选后的结构进一步提高了涡旋效果和反射效率，而且可以实现 微波轨道角动量从0到2π相位的均匀连续控制。

附图说明

图1是阵列天线的结构示意图；

图2是相位单元的立体结构示意图；

图3是相位单元的主视图；

图4是微波轨道角动量的强度分布图；

图5是产生的微波轨道角动量的相位分布图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：一种基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线，如附图1-3所示，包括由移相单元1拼接成整体的阵列天线2，移相单元1包括正方形介质板3，介质板3的表面设有圆形金属贴片4，金属贴片4的中间开设有上孔5；介质板3的底部设有正方形金属接地板6，介质板与金属接地板的尺寸相同。在金属接地板6的中间设有下孔7；介质板3的中部设有金属管8，金属管8与上孔5和下孔7连通。

为了实现入射波的轨道角动量从0到2π相位的均匀连续控制，本发明将阵列天线上的相移单元按一定的象限角(即图1中象限角度为α内的象限区域)均匀分成N份，相邻象限角内相移单元的金属贴片表面积按梯度递增，使阵列天线对入射波调制的波形相位变化量覆盖0到2π。图1为设计的阵列天线，该阵列天线为正方形，且共由400个移相单元拼接而成，400个相移单元按45°的象限角(即图1中象限角度α＝45°内的象限区域)均匀分成8份，每个象限角内 的移相单元数量相等(所述的象限角内的移相单元是不包括在45°、135°、225°和315°的象限角分界线上的移相单元)，在45°、135°、225°和315°的象限角分界线上可设置相邻象限角内的移相单元，但原则上采用同一规则设置，如全部选择放置相邻象限角内金属贴片表面积大的移相单元，或全部选择放置相邻象限角内金属贴片表面积小的移相单元。且这8份相移单元的金属贴片表面积按顺时针方向梯度递增，经申请人反复筛选得出，这8个象限角的移相单元1的金属贴片的直径按顺时针依次为1.65mm、3.85mm、4.86mm、5.50mm、5.96mm、6.60mm、8.12mm、9.85mm。

再进一步地，所述的金属贴片4的厚度与金属接地板6的厚度为t＝0.035mm，金属贴片和金属接地板可选取金、银等金属材料。介质板3的介电常数为2.65，可采用二氧化硅，介质板的表面为10mm×10mm的正方形，介质板3的厚度为h＝1.60mm，金属接地板也是10mm×10mm的正方形，金属接地板的四侧面与介质板齐平，由此尺寸所排列拼接得到的阵列天线为20mm×20mm的正方形阵列板。所述的上孔5和下孔7的半径r₁＝0.5mm，金属管8的管径为r₂＝0.5mm。

申请人对实施例中的基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线作了试验，附图4是平面波沿着Z轴方向正入射本发明后所在的某一位置平面(x-y平面)的电场分布图，图中x＝y＝0处是光强为零的涡旋核心，中心光强为零的性质是所有的涡旋光束所具有的共同特性，因此说明该波束具有空心的特性，波束在传播过程中仍会保持中心光强为零的性质，由中心往外光强的横向分布为能量较强 的圆环，从图中可以发现中心的能量远小于周围的能量，说明本发明具有非常优越的涡旋效果。图5平面波入射本发明后产生的微波轨道角动量的相位分布图，从图中可以看出本发明可以实现微波轨道角动量从0到2π相位的均匀连续控制。

本发明的超表面装置应用范围不仅可以用于反射阵列天线，还可以应用于其它需要产生轨道角动量的反射传输的场合。