[发明专利]一种能够产生轨道角动量波的蜂窝状超材料表面

说明书

本发明属于通信技术领域，具体为一种能够产生轨道角动量波的蜂窝状超材料表面。其由六种超材料单元排列组成，每种单元在平面上排列分布在六个区域，每个区域有120个超材料单元，各个区域形状为相同的菱形，六个区域中超材料单元的中心排布方式一致，组成六边形形状；超材料单元由四层介质基板、四层金属贴片和金属缝隙层相间叠合组成，从上向下堆叠，四层金属贴片为尺寸相同的正六边形，分布在介质基板的上下表面和夹层中，每组金属贴片和缝隙的中心对齐。本发明超材料表面可将任意极化方式入射的平面波转换成轨道角动量波，并且可以通过改变超材料单元的排布方式形成不同模式的轨道角动量波，具有设计灵活、结构简单、成本低廉等优点。

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体地涉及一种能够产生轨道角动量波的超材料表面。

背景技术

随着现代无线通信系统的快速发展和人们对更快的信息传输速度的要求，轨道角动量（Orbital angular momentum, OAM）以其模值的相互正交特性可以为有效提高频谱利用率和信道容量提供一个理想的复用维度而备受关注。

产生OAM波有很多方法，比如使用口径耦合圆极化阵列天线来产生圆极化的OAM波，还有使用多路复用的卡塞格伦反射天线来产生OAM波，但上述两种方法都需要设计复杂的馈电网络。更简单的方法是使用螺旋相位板（Spiral phase plate，SPP）来产生OAM波，主要原理是在螺旋相位板的不同位置，让波产生不同的相位延迟，以此来产生OAM波。具体方法有通过在介质板上打孔来改变不同位置的介电常数从而使其具有不同的相位延迟，还有用多层相移平面板来改变相位，但这些技术都只能将线极化平面波进行转换，存在局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种新型的能够将任意极化入射平面波转换为轨道角动量波的蜂窝状超材料表面。

本发明提供的能够将任意极化入射平面波转换为OAM波的蜂窝状超材料表面，其结构如图1、图2所示，该超材料表面由六种不同尺寸的超材料单元排列组成；其中，一种超材料单元在平面上形成一个区域，六种超材料单元在平面上排列分布为六个区域1、2、3、4、5、6，每个区域有120个超材料单元，各个区域形状为相同的菱形，六个区域中超材料单元的中心排布方式一致；六个区域（形状相同的菱形）组成六边形形状，类似于蜂窝状，见图1所示。超材料单元由四层介质基板、四层金属贴片和金属缝隙层相间叠合组成；四层介质基板8、10、12、14为六边形，从上向下堆叠，四层金属贴片7、9、13、15为尺寸相同的正六边形，分布在介质基板的上下表面和夹层中，具体为：第一金属贴片7在第一介质基板8的上表面，第二金属贴片9在第二介质基板10的上表面，第三金属贴片13在第三介质基板12的下表面，第四金属贴片15在第四介质基板14的下表面，金属缝隙层11分布第二介质基板10和第三介质基板12之间；金属缝隙层11上的缝隙由三对长条形缝隙在中心交叉组成；每组金属贴片（四层）和缝隙的中心对齐。超材料单元结构分解参见图2所示。

本发明中，所述的超材料单元在超材料表面上的分布，形成一个六边形（例如为正六边形），该六边形分解为六个角形区域（即六个对称的菱形），六边形的中心没有超材料单元的分布，六种超材料单元分布在六边形的六个角形区域，每个角形区域有120个单元，六种单元的中心排布方式一致。

本发明中，所述超材料单元中，金属贴片的边长范围为波长的十二分之一到三分之一，金属缝隙层中缝隙的长度为波长的五分之一到四分之一；介质基板的边长取为波长的五分之二，整个超材料表面由于共有720个超材料单元，因此，整体边长一般大于波长的六倍。实施例中，六边形金属贴片的边长可取1.7-6.0 mm，金属缝隙层的缝隙宽度为1 mm、长度为7 mm。

本发明中，所述的介质基板的材料可采用介电常数为2.65的F4B-4材料，损耗角正切为0.00081，大小为36 × 41 × 0.15 cm³。