[发明专利]一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面

说明书

本发明公开了一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其基本单元由从上而下依次堆叠的一层金属棒结构、一层介质层以及一层金属背板组合而成。特殊的结构设计使单元具有各向异性，在x极化和y极化电磁波照射下呈现180度的反射相位差。若金属棒以自身的中心为原点，在超表面的水平面内旋转一定角度φ，圆极化入射波照射到单元上将会被反射为同旋性的圆极化波，且附加一个±2φ的几何相位变化。按预先设计的相位分布在二维平面上排列这些单元，在圆极化电磁波的照射下，该超表面能够在不同方向上生成四种不同模式的涡旋波束。本发明结构简单、易于加工、工作频带宽，可用于编码信息，利用模式复用提高信道容量。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面。

背景技术

电磁超材料(Metamaterials)，亦称新型人工电磁材料，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。在过去的20年里，电磁超材料发展迅速，产生了很多有趣的物理现象和新型器件。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。近些年来，为了减少三维超材料的厚度及构造复杂性，单层平面结构的超表面(Metasurfaces)也广泛地用于调控电磁波。电磁超表面本质上是二维的电磁超材料，其厚度可以忽略不计，重量和体积都很大程度上缩减，造价低、损耗小，便于系统集成设计。

大多数超表面都是通过改变单元结构的尺寸参数来调节相位变化，一般来说都是谐振式的单元结构，带宽较窄，很难实现360度的相位覆盖。然而，几何相位的引入，极大的丰富了超表面的设计。几何相位，也叫Pancharatnam-Berry(PB)相位，最早在光学中被提出。基于几何相位的超表面通常是由一组结构相同的各项异性亚波长单元构成，每个单元都有特定的旋转角度，对于圆极化入射波会带来一个相应的几何相位，可用于调控圆极化波的相位波前。(Z.Bomzon,G.Biener,V.Kleiner,and E.Hasman,Space-variantPancharatnam-Berry phase optical elements with computer-generatedsubwavelength gratings,Optics Letters,vol.27,pp.1141-1143,Jul 12002.)

另一方面，随着无线通信技术的快速发展，由于有限的频谱资源，提高数据传输速率成为挑战。近些年来，有着螺旋相位波前并携带轨道角动量(英文orbital angularmomentum，简称OAM)的涡旋波束引起学者们的广泛关注。OAM不同模式间具有相互正交，可用于信道复用，能提高通信容量。迄今为止，已经有许多方法来生成携带OAM的涡旋波束，如螺旋相位板，亚波长光栅，圆形阵列天线，超表面和计算全息法。通常，这些方法都是生成单一的涡旋波束并且带宽较窄。

发明内容

发明目的：本发明目的在于解决传统超表面的带宽问题，在宽频带内同时产生多种模式的涡旋波束。通过设计各向异性的PB相位单元，利用口径场叠加法在四个不同的方向上生成OAM模式为1,2,3和4的涡旋波束。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种应用于宽频带多模涡旋波束生成的几何相位超表面，其基本单元结构的特征在于：从上到下依次为金属棒层、微波介质层和金属背板层。

根据所对应的频段，选取对应的金属，本申请中频段对应选取铜，即采用铜棒和铜背板。

金属棒层以自身的中心旋转一定角度可以带来相应的几何相位变化；金属背板层保证了入射波能被完全反射回去，确保了反射效率；微波介质层起到了隔离两层金属层的作用，两层金属铜层分别印刷在介质板层的两侧。

进一步地，所述微波介质层为F4R微波介质板。