[发明专利]一种涡旋电磁波的汇聚装置

说明书

本发明提出了一种涡旋电磁波的汇聚装置，包括电磁超表面和涡旋电磁波产生装置；电磁超表面，包括依次层叠且互不接触的五个介质板，第一介质板、第二介质板、第四介质板和第五介质板的上表面中心位置各印制周期性排布的M×N个正方形金属贴片，M≥2，N≥2，第三介质板的上表面印制有蚀刻周期性排布的M×N个矩形缝隙的金属贴片，各介质板通过支架固定；涡旋电磁波产生装置通过支架固定在电磁超表面各介质板印制金属贴片一侧的中心轴线上；涡旋电磁波产生装置产生的涡旋电磁波，通过各电磁超表面单元金属贴片之间相互谐振产生的等效电容和电感，获得相位补偿，以实现平面相位模拟球面相位，完成对涡旋电磁波的汇聚特性。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种涡旋电磁波的汇聚装置，可应用于无线通信领域。

技术背景

涡旋电磁波因其独特的性质广泛应用于多个领域，但在通信领域的应用还在起步阶段。2011年6月24日，Bo Thide教授研究团队在意大利威尼斯的泻湖展开了一个引人注目的实验，证明利用电磁波的轨道角动量即通过扭曲电磁波，可大幅提升无线通信的容量。在通常情况下，同一频率只能传输一路信息。而在此，他们通过对电磁波的不同轨道角动量进行编码，即使在现实环境中，也可实现同一频率(实际上是一个频带)传输多路信息，这就有可能大幅度提升现有的无线通信容量(带宽)。理论上，即使在不使用偏振或密集编码技术的情况下，这项新的无线通信技术也可在某一固定频带范围内实现无限多的信道传输，这对解决日益突出的无线通信频谱拥挤问题提供了一个全新的解决思路。

国内外对涡旋电磁波的关注主要集中在涡旋电磁波的产生、轨道角动量(OrbitalAngular Monment,OAM)信道模型以及轨道角动量信号接收技术上。但整个轨道角动量电磁波波束呈现中空的倒锥形，波束具有发散性，且随着传输距离的增大，环形波束的半径越来越大，同时出现能量的扩散现象，降低了天线波束的增益效果。而汇聚以后的涡旋电磁波能力更为集中，传输距离更远。为解决此问题，现有的技术是采用大口径接收天线(或天线阵)将整个环形波束接收下来，但这种方法的缺点在于，随着传输距离的增大，所需要的天线尺寸也在不断增大，这种接收方式在距离较远时很难实现，可行性较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提出了一种涡旋电磁波的汇聚装置，在可以汇聚涡旋电磁波的基础上，解决现有技术中存在的汇聚装置结构复杂和体积大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种涡旋电磁波的汇聚装置，包括电磁超表面1和涡旋电磁波产生装置2；

所述电磁超表面1，包括依次层叠且互不接触的第一介质板11、第二介质板12、第三介质板13、第四介质板14和第五介质板15，并通过支架16固定；所述第一介质板11、第二介质板12、第四介质板14和第五介质板15的上表面中心位置各印制周期性排布的M×N个正方形金属贴片，M≥2，N≥2，所述第三介质板13的上表面印制有蚀刻周期性排布的M×N个矩形缝隙的金属贴片，形成周期性排布的M×N个电磁超表面单元；

所述涡旋电磁波产生装置2位于电磁超表面1各介质板印制金属贴片的一侧，并通过支架固定在电磁超表面1的中心轴线上；

所述第一介质板11、第二介质板12、第四介质板14和第五介质板15上印制的各金属贴片的尺寸，是在电磁超表面单元的补偿相位ψ_mn满足如下条件的前提下，通过仿真实验确定的，补偿相位ψ_mn满足的条件为：

其中，m为所述电磁超表面单元所在行，n为所述电磁超表面单元所在列，m＝1，2，…，M，n＝1，2，…，N，为第m行第n列电磁超表面单元中心相对位置，为涡旋电磁波入射点相对位置，λ为涡旋电磁波工作波长；