[发明专利]一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵及其设计方法

说明书

本发明公开了一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵，由电磁各向异性的单元结构组成，单元结构包括上层金属图案层、中层介质层及下层金属背板层。上层金属图案层采用正交的工字形结构。本发明还公开了此种超材料反射阵的设计方法。调整工字形结构的水平臂长，可以有效控制水平极化波的反射相位，而不会对垂直极化波相位产生影响，调控工字形结构的垂直臂长，可以有效控制垂直极化波的反射相位，不会对水平极化波产生影响。该超材料反射阵可对每个波束的极化状态、涡旋拓扑荷数、传播方向进行独立设计和调控，可以降低传统涡旋多波束器件的成本，促进多功能化涡旋多波束器件的发展。

技术领域

本发明属于轨道角动量、无线通信和新型人工电磁材料领域，具体涉及一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵及其设计方法。

背景技术

随着时代的发展，新媒体、新技术层出不穷，网络直播、视频通话、无人驾驶、物联网，对通信的容量、响应速度、时延等方面提出了更高的要求。特别是频谱这一有限资源在高速发展的需求下，显得愈发紧张，如何提高频谱的利用率再次成为通信技术面临的重要挑战。近些年，轨道角动量电磁涡旋(Orbital Angular Momentum，OAM)技术出现和发展，让人们看到了新的曙光。1992年，Allen等人发现在近轴传播条件下，光束的相位因子exp(-ilφ)具有确定的轨道角动量的特性，其中l是拓扑荷数，是普朗克常数，φ是方位角。OAM复用技术能够将载波所携带的轨道角动量模式作为调制参数，并且利用轨道角动量模式内在的正交性，将多路信号调制到不同的轨道角动量模式上。通过这种方式，人们在同一载频上可以得到多个相互独立的轨道角动量信道。由于轨道角动量在理论上可以拥有无穷维阶数，因此理论上同一载波频率利用轨道角动量电磁涡旋复用可获得无穷的传输能力。轨道角动量技术除了可以有效地增大信道的信息容量外，其在信息编码中的应用也使得被编码的信息保密性更强，传输的过程更安全。在光波段，OAM光束在操控光子自旋霍尔效应、光学成像、量子纠缠、信息存储及生物医学等领域中也具有新颖的应用。

由于OAM的独特新颖的性质，OAM的应用越来越广泛，OAM波束的产生和调控方法也引起研究者们极大的兴趣。轨道角动量的产生方法主要有螺旋相位板法、计算全息法、天线阵列法和螺旋反射面法等方法。前两种方法源自光学，主要用于较高的频率，后两种方法用于较低频率。螺旋相位板法的设计思想是波束透过不同高度的相位板表面时，为反射波添加不同的相位因子，进而形成电磁涡旋多波束，由于螺旋梯度制作精度的限制，很难得到高质量的OAM光束；计算全息法利用计算机制作能够干涉得到涡旋多波束的相位全息图，当波束照在相位全息图上时，通过波的干涉产生涡旋多波束束，然而全息图的制作很复杂，不利于OAM实际应用；天线阵列法的不同天线单元对于输入的相同信号会产生360°梯度相位差，将这些单元沿轴线进行扇形分布，从而形成涡旋多波束束，若对这些单元进行一些特定方式的排布，还可得到不同模式的轨道角动量波束，该方法通过引入大量移相器，T/R组件，导致系统结构过于复杂，应用和维护成本过高，无法大规模推广。

随着新型电磁功能材料的出现，超材料以其特异的电磁特性已经成为人们研究的热点，超材料的出现为OAM波束的产生与调控提供了新的契机。超材料通过将精心设计的结构单元进行周期性或者非周期性的排布可以实现许多自然界材料所无法实现的电磁特性，例如逆切伦科夫、逆多普勒现象、负折射率、超光速、超分辨率等。不同于传统材料，超材料设计往往不会受到材料体系的制约，具有极高的灵活性，可以通过基体材料的选择以及结构单元的设计，在同一结构中同时实现多种电磁功能。这里，我们利用超材料反射阵实现OAM多波束产生，及OAM多波束极化状态的调控。此工作可以降低传统OAM器件的成本，同时促进多功能化OAM器件的发展，该超材料将在OAM微波通信领域具有极高的应用前景。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有的OAM器件引入大量移相器，T/R组件，导致系统结构过于复杂，应用和维护成本过高，无法大规模推广的问题。