[发明专利]一种涡旋电磁超表面结构

说明书

本发明涉及一种涡旋电磁超表面结构，属于微波段电磁波调控技术领域，解决了现有涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能造成工作效率较低的问题。涡旋电磁超表面结构包括多个二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元；其中，涡旋电磁超表面单元包括由上至下依次层叠设置的工型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板；涡旋电磁超表面单元上的工型金属单元的旋转角度基于涡旋相位确定。基于该涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束能够同时兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能，提高了涡旋电磁超表面结构的工作效率。

技术领域

本发明涉及微波段电磁波调控技术领域，尤其涉及一种涡旋电磁超表面结构。

背景技术

光学涡旋是指当光波具有螺旋型相位波前结构时，波前会绕着传播方向上的一条线以螺旋方式旋转，这一类特殊光波或光场称为光学涡旋，光学涡旋具有螺旋相位波前和轨道角动量(OAM)，在微粒子操作、原子光学、空间光信息传输与处理等领域具有重要潜在应用价值，是现代光学中的一个新兴领域，光学涡旋的产生、调制、探测以及应用等问题成为光学领域的研究热点。

OAM涡旋光束具有理论上无限多的非干扰正交信道和不同模态的附加信息，在提高频谱效率和通信能力方面具有巨大的潜力。涡旋光束的一个标志性特征是中心相位奇异性，表明辐射场沿传播轴有一个强度为零的环形横向剖面。涡旋光束具有独特的电磁特性，在光学和射频通信领域得到了广泛的应用。但是现有的涡旋电磁超表面产生的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能，造成了涡旋电磁超表面结构工作效率较低的问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种涡旋电磁超表面结构，用以解决现有涡旋电磁超表面结构产生的涡旋波束难以兼容超带宽、极化不敏感和高增益等性能造成工作效率较低的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种涡旋电磁超表面结构，用于在天线激励下产生涡旋波束，所述涡旋电磁超表面结构包括多个二维阵列排布的涡旋电磁超表面单元；其中，所述涡旋电磁超表面单元包括由上至下依次层叠设置的工型金属单元、中间层介电基板和底层金属接地板；涡旋电磁超表面单元上的工型金属单元的旋转角度基于涡旋相位确定。

进一步，所述涡旋电磁超表面单元的周期为p_x＝p_y＝8mm。

进一步，所述工型金属单元包括第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片，所述第二金属贴片的两端分别连接第一金属贴片的中点和第二金属贴片的中点，所述第一金属贴片与第三金属贴片分别与第二金属贴片垂直。

进一步，所述第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片的宽度均为0.5mm；所述第一金属贴片与第三金属贴片的长度相等且均为3.2mm，第三金属贴片的长度为4mm。

进一步，所述第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片的材质均为铜。

进一步，所述工型金属单元的旋转角度是涡旋相位的一半，所述涡旋相位基于涡旋相位分布函数计算得到。

进一步，所述涡旋相位分布函数的计算公式为：

式中，为涡旋相位分布函数，l为OAM模态数，x、y分别为涡旋电磁超表面单元对应的横、纵坐标。

进一步，所述中间层介电基板采用聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数为2.65，正切损耗常数为0.001。

进一步，所述中间层介电基板的厚度为3mm。

进一步，所述底层金属接地板的材质为铜。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：