本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种生成多模涡旋电磁波的透镜及方法，
尤其涉及一种基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法。
第二章技术背景
随着科学技术日新月异的发展，无线通信不断向着大带宽、高速率的方向前进，然而，空间中的频谱资源是有限的，如何更合理的利用频谱资源，提高频谱利用率和通信速率，成为当今无线通信领域的一个研究热点；另一方面，当前高科技隐身装备层出不穷，对新的探测理论与技术的研究也变得尤为迫切。含有轨道角动量的涡旋电磁波以螺旋状的等相位面传播，自身带有角度的信息维度，且具有彼此独立的多拓扑荷特性，在提高通信容量和雷达探测性能等方面有望实现全新的突破。
目前，微波频段涡旋电磁波的产生方法主要包含环形阵列天线法和准光学的平面波转换法两种。其中，环形阵列法通过给天线单元馈入不同的相位来生成涡旋波束，其显著优点就是，在不改变阵列天线结构的前提下，只改变加载在阵元上信号的相位就可以实现不同模式涡旋电磁波的发射，但需要引入大量的移相器和复杂的控制网络，系统的复杂度和成本极高。而常用的准光学方法多采用介质螺旋相位板和螺旋反射面生成涡旋电磁波，它们都源自于涡旋光束的产生方法，直接应用于微波频段时都存在着尺寸大、质量重、加工难等缺点。正是在这样的背景下，基于超材料和超表面的平面透镜被引入到电磁涡旋波束天线的设计中，相对于传统的光学相位板，超材料平面透镜具有结构简单、体积较小等优点；然而，现有技术的超材料涡旋波透镜在单一工作频率下只能生成单一模态的涡旋波束，无法实现涡旋电磁波的多模复用，给实际应用带来很大的制约。
基于以上背景，本发明给出了一种基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法，该新型数字编码超材料透镜由特殊设计的一比特透射式超材料单元构成，通过施加两种不同的偏置电压，就可以使得超材料单元的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”，通过控制超材料透镜上单元的编码分布，就可以生成不同模态的电磁涡旋波束。本发明所采用的新型数字式超材料多模涡旋波透镜，具有损耗小、传输稳定性高、成本低、易加工和灵活度高等诸多优点；同时，借助该新型超材料的电磁调控功能，还可有效改善涡旋电磁波的波束发散问题。
第三章
技术实现要素：
本发明提供了一种基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法，目的是为了解决现有超材料涡旋波透镜在单一工作频率下只能生成单一模态涡旋波束的问题。该新型数字编码超材料透镜由特殊设计的一比特透射式超材料单元所构成，在单元结构中集成了两个二极管，通过施加两种不同的偏置电压，就可以使得透射式超材料单元的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”；通过施加特定的偏置电压来控制超材料透镜上单元的编码分布，就可以生成不同模态的电磁涡旋波束。
详细技术方案如下：
涡旋电磁波的电场表达式为：
其中，相位量化态δq＝0对应于数码“0”，相位量化态δq＝π对应于数码“1”。这样，馈源(1)所产生的线极化入射波，经过一比特透射式超材料单元(3)时，按照量化相位δq的计算公式进行一比特编码调制，通过控制超材料透镜(2)上超材料单元(3)的编码分布，即可生成不同模态的电磁涡旋波束。
本发明所述的基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜采用了新型的一比特透射式数字编码超材料单元(3)，超材料单元(3)结构由交替排列的4层金属结构和3层介质层组成，由上至下依次为：pin二极管ⅰ(301)、pin二极管ⅱ(302)、发射层金属贴片(303)、接地过孔(304)、上层介质基板(305)、中心金属化连接孔(306)、金属地板(307)、半固化粘结片(308)、偏置层(309)、下层介质基板(310)、金属化偏置连接孔(311)、接收层金属贴片(312)。其中，发射层金属贴片(303)为加载“o”型槽的椭圆贴片，接收层金属贴片(312)为加载“u”型槽的椭圆贴片，两者通过超材料单元(3)中心的金属化连接孔(306)相连接；发射层金属贴片(303)通过接地过孔(304)与金属地板(307)相连接，接收层金属贴片(312)通过金属化偏置连接孔(311)与偏置层(309)相连接；发射层金属贴片(303)上集成有pin二极管ⅰ(301)和pin二极管ⅱ(302)，通过施加两种不同的偏置电压，可以使得超材料单元(3)的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”；偏置层(309)上包含了两个对称放置的串联“月牙形”分布电容和曲折线分布电感，其主要作用是提高射频信号与偏置直流之间的隔离度；单元的上层介质基板(305)和下层介质基板(310)厚度为h＝1.524mm，相对介电常数为εr＝3.48，半固化粘结片(308)的厚度为h＝0.1016mm，相对介电常数为εr'＝3.38。所述超材料透镜(2)中的超材料单元(3)排列宽度大于馈源(1)的波束宽度。
与现有技术相比，本发明利用数字编码超材料对入射波的调控能力，实现将入射球面波转变为高增益的多模电磁涡旋波束。具有如下的有益效果：
1、与传统生成多模涡旋电磁波的环形阵列相比，本发明所涉及的基于透射式数字编码超材料的新型多模涡旋波透镜，无需复杂的馈电及控制网络，整体结构非常简洁，便于运输及收藏；
2、本发明简化了传统采用等效媒质参数分析超材料涡旋波透镜的方法，从数字编码的角度实现对涡旋电磁波模态的精确调控，方法简洁，设计简单；
3、本发明实现了在同一工作频率和同一透镜口面上生成具有较高增益的多模电磁涡旋波束，解决了传统涡旋波透镜上无法生成多种模式涡旋波束的问题；
4、本发明所涉及的透射式数字编码超材料透镜，采用常规的pcb工艺，易于加工，便于量产，并具有厚度小、成本低和集成度高等优点。
第四章附图说明
图1是本发明给出的基于一比特透射式数字编码超材料的新型多模涡旋波透镜之结构示意图。
图2(a)是本发明中新型一比特透射式数字编码超材料单元之结构爆炸示意图。
图2(b)是本发明中新型一比特透射式数字编码超材料单元之发射层椭圆形金属贴片结构尺寸图。
图2(c)是本发明中新型一比特透射式数字编码超材料单元之偏置层结构尺寸图。
图2(d)是本发明中新型一比特透射式数字编码超材料单元之接收层椭圆形金属贴片结构尺寸图。
图3是本发明中新型一比特透射式数字编码超材料单元所采用的二极管在不同偏置下的等效电路模型。
图4(a)是本发明中一比特透射式数字编码超材料单元在表征数码“1”(即相位量化态δq＝π)时散射参量的幅频特性曲线。
图4(b)是本发明中一比特透射式数字编码超材料单元在表征数码“0”(即相位量化态δq＝0)时散射参量的幅频特性曲线。
图4(c)是本发明中一比特透射式数字编码超材料单元在表征两种数码态“1”和“0”时散射参量的相频特性曲线。
图5(a)是本发明实施例1中一比特透射式数字编码超材料透镜在生成模式l＝-2涡旋电磁波时所对应的单元编码分布。
图5(b)是本发明实施例1中一比特透射式数字编码超材料透镜所生成模式l＝-2涡旋电磁波之空间辐射方向图。
图5(c)是本发明实施例1中一比特透射式数字编码超材料透镜所生成模式l＝-2涡旋电磁波之空间辐射相位分布图。
图6(a)是本发明实施例2中一比特透射式数字编码超材料透镜在生成模式l＝-1涡旋电磁波时所对应的单元编码分布。
图6(b)是本发明实施例2中一比特透射式数字编码超材料透镜所生成模式l＝-1涡旋电磁波之空间辐射方向图。
图6(c)是本发明实施例2中一比特透射式数字编码超材料透镜所生成模式l＝-1涡旋电磁波之空间辐射相位分布图。
图7(a)是本发明实施例3中一比特透射式数字编码超材料透镜在生成模式l＝0涡旋电磁波时所对应的单元编码分布。
图7(b)是本发明实施例3中一比特透射式数字编码超材料透镜所生成模式l＝0涡旋电磁波之空间辐射方向图。
图7(c)是本发明实施例3中一比特透射式数字编码超材料透镜所生成模式l＝0涡旋电磁波之空间辐射相位分布图。
图8(a)是本发明实施例4中一比特透射式数字编码超材料透镜在生成模式l＝+1涡旋电磁波时所对应的单元编码分布。
图8(b)是本发明实施例4中一比特透射式数字编码超材料透镜所生成模式l＝+1涡旋电磁波之空间辐射方向图。
图8(c)是本发明实施例4中一比特透射式数字编码超材料透镜所生成模式l＝+1涡旋电磁波之空间辐射相位分布图。
图9(a)是本发明实施例5中一比特透射式数字编码超材料透镜在生成模式l＝+2涡旋电磁波时所对应的单元编码分布。
图9(b)是本发明实施例5中一比特透射式数字编码超材料透镜所生成模式l＝+2涡旋电磁波之空间辐射方向图。
图9(c)是本发明实施例5中一比特透射式数字编码超材料透镜所生成模式l＝+2涡旋电磁波之空间辐射相位分布图。
第五章具体实施方式
下面结合附图对本发明一种基于一比特透射式数字编码超材料的新型多模涡旋波透镜做详细说明：
请先参阅图1给出的该新型数字编码超材料涡旋波透镜的结构示意图，馈源(1)位于新型数字式超材料透镜(2)的中心轴线方向上，采用线极化定向天线；馈源(1)所产生的线极化入射波，透射经过数字编码超材料透镜(2)，经超材料单元(3)进行一比特数字编码调制，通过控制透镜上单元的编码分布，即可生成不同模态的电磁涡旋波束，实现透射电磁波的空间螺旋相位波前exp(ilφ)。所述超材料透镜(2)中的超材料单元(3)排列宽度大于馈源(1)的波束宽度；该新型数字编码超材料透镜共包含20×20＝400个一比特透射式数字编码超材料单元(3)，超材料透镜(2)上任意一个超材料单元(3)的理论补偿相位为
其中，相位量化态δq＝0对应于数码“0”，相位量化态δq＝π对应于数码“1”。
该新型一比特透射式数字编码超材料单元(3)的详细结构请参阅图2，单元结构由交替排列的4层金属结构和3层介质层组成，依次为：pin二极管ⅰ(301)、pin二极管ⅱ(302)、发射层金属贴片(303)、接地过孔(304)、上层介质基板(305)、中心金属化连接孔(306)、金属地板(307)、半固化粘结片(308)、偏置层(309)、下层介质基板(310)、金属化偏置连接孔(311)、接收层金属贴片(312)。其中，发射层金属贴片(303)为加载“o”型槽的椭圆贴片，接收层金属贴片(312)为加载“u”型槽的椭圆贴片，两者通过单元中心的金属化连接孔(306)相连接；发射层金属贴片(303)通过接地过孔(304)与金属地板(307)相连接，接收层金属贴片(312)通过金属化偏置连接孔(311)与偏置层(309)相连接；发射层金属贴片(303)上集成有pin二极管ⅰ(301)和pin二极管ⅱ(302)，通过施加两种不同的偏置电压，可以使得超材料单元的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”；偏置层(309)上包含了两个对称放置的串联“月牙形”分布电容和曲折线分布电感，其主要作用是提高射频信号与偏置直流之间的隔离度；单元的上层介质基板(305)和下层介质基板(310)厚度为h＝1.524mm，相对介电常数为εr＝3.48，半固化粘结片(308)的厚度为h＝0.1016mm，相对介电常数为εr'＝3.38。
数字式超材料单元(3)中集成的pin二极管ⅰ(301)和pin二极管ⅱ(302)所采用的具体型号为m/a-comflipchipma4fcp305，该型号二极管在不同偏置下的等效电路模型请参阅图3。当处于导通状态时，二极管可等效为一个串联电阻ron＝2.1ω；当处于关闭状态时，二极管可等效为一个并联电容coff＝0.05pf。
图4是一比特透射式数字编码超材料单元在表征两种数码态“1”和“0”时散射参量的幅频及相频特性曲线。其中，数码“1”所对应的相位量化态为δq＝180°，此时pin二极管ⅰ(301)处于导通状态，pin二极管ⅱ(302)处于关闭状态；数码“0”所对应的相位量化态为δq＝0°，此时pin二极管ⅰ(301)处于关闭状态，pin二极管ⅱ(302)处于导通状态。单元在两种数码态下都保持了较好的传输特性，最小的插入损耗仅为0.2db，透射单元的2db传输带宽可达10％，且在两种数码态下的传输相差保持在180°。
下面结合五个具体实施例对本发明做进一步说明：实施例均以本发明技术方案为前提下进行实施，实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：基于一比特透射式数字编码超材料透镜生成轨道角动量模态l＝-2涡旋电磁波。
结合附图5来具体说明本实施方式，馈源(1)的中心工作频率选定为f＝7.5ghz，馈源(1)到超材料透镜(2)的垂直距离取值为f＝5λ＝200mm；超材料透镜(2)的总体尺寸为400×400mm2，单元边长为d＝λ/2＝20mm。当透射所产生涡旋电磁波的模态为l＝-2时，依据一比特数字编码量化相位δq的计算公式可得到超材料透镜(2)在生成模式l＝-2涡旋电磁波时所对应的单元编码分布如附图5(a)所示，进而通过在数字编码超材料单元(3)上施加不同的偏置电压，即可实现所设计的涡旋模态。
利用ansofthfss电磁仿真软件，对本发明实施例1中数字编码超材料透镜的远场特性进行了仿真计算，得到l＝-2模态涡旋电磁波的远场辐射方向图如图5(b)所示；可以看到，携带轨道角动量的涡旋波束围绕透镜中心轴线形成一个辐射较高的环形区域，能量在中心区域则干涉相消形成强度为零的空洞，且传播距离越远，空洞面积逐步变大，说明在传播的过程中也保持中心强度为零，整体的辐射波束呈现为锥形发散状。附图5(c)给出了l＝-2模态涡旋电磁波的空间相位分布，从中可以明显地观察到涡旋电磁波所特有的中心相位奇点和螺旋相位结构，环绕中心顺时针方向旋转一周，电磁波的相位逐渐变小，相位变化对应了两个相位周期-4π，完美展现了涡旋电磁波束所具有的螺旋相位波前。
实施例2：基于一比特透射式数字编码超材料透镜生成轨道角动量模态l＝-1涡旋电磁波。
结合附图6来具体说明本实施方式，馈源(1)的中心工作频率同样选定为f＝7.5ghz，参照实施例1，选定与实施例1一致的几何位置关系。当透射所产生涡旋电磁波的模态为l＝-1时，依据一比特数字编码量化相位δq的计算公式可得到超材料透镜(2)在生成模式l＝-1涡旋电磁波时所对应的单元编码分布如附图6(a)所示。利用ansofthfss电磁仿真软件，对本发明实施例2中数字编码超材料透镜的远场特性进行了仿真计算，得到l＝-1模态涡旋电磁波的远场辐射方向图如图6(b)所示；可以看到，携带轨道角动量的涡旋波束围绕透镜中心轴线形成一个辐射较高的环形区域。附图6(c)给出了l＝-1模态涡旋电磁波的空间相位分布，从中可以观察到涡旋电磁波所特有的中心相位奇点和螺旋相位结构，环绕中心顺时针方向旋转一周，电磁波的相位逐渐变小，相位变化对应了一个相位周期-2π。
实施例3：基于一比特透射式数字编码超材料透镜生成轨道角动量模态l＝0涡旋电磁波。
结合附图7来具体说明本实施方式，馈源(1)的中心工作频率同样选定为f＝7.5ghz，参照实施例1，选定与实施例1一致的几何位置关系。当透射所产生涡旋电磁波的模态为l＝0时，依据一比特数字编码量化相位δq的计算公式可得到超材料透镜(2)在生成模式l＝0涡旋电磁波时所对应的单元编码分布如附图7(a)所示。利用ansofthfss电磁仿真软件，对本发明实施例3中编码超材料透镜的远场特性进行了仿真计算，得到l＝0模态下电磁波的远场辐射方向图和空间相位分布如图7(b)及7(c)所示，可以看到，此时能量集中在中心区域未发生干涉，中心区域相位保持恒定，呈现出平面电磁波的典型特征。
实施例4：基于一比特透射式数字编码超材料透镜生成轨道角动量模态l＝+1涡旋电磁波。
结合附图8来具体说明本实施方式，馈源(1)的中心工作频率同样选定为f＝7.5ghz，参照实施例1，选定与实施例1一致的几何位置关系。当透射所产生涡旋电磁波的模态为l＝+1时，依据一比特数字编码量化相位δq的计算公式可得到超材料透镜(2)在生成模式l＝+1涡旋电磁波时所对应的单元编码分布如附图8(a)所示。利用ansofthfss电磁仿真软件，对本发明实施例4中编码超材料透镜的远场特性进行了仿真计算，得到l＝+1模态涡旋电磁波的远场辐射方向图如图8(b)所示；可以看到，携带轨道角动量的涡旋波束围绕透镜中心轴线形成一个辐射较高的环形区域。附图8(c)给出了l＝+1模态涡旋电磁波的空间相位分布，从中可以观察到涡旋电磁波所特有的中心相位奇点和螺旋相位结构，环绕中心顺时针方向旋转一周，电磁波的相位逐渐增大，相位变化对应了一个相位周期2π。
实施例5：基于一比特透射式数字编码超材料透镜生成轨道角动量模态l＝+2涡旋电磁波。
结合附图9来具体说明本实施方式，馈源(1)的中心工作频率同样选定为f＝7.5ghz，参照实施例1，选定与实施例1一致的几何位置关系。当透射所产生涡旋电磁波的模态为l＝+2时，依据一比特数字编码量化相位δq的计算公式可得到超材料透镜(2)在生成模式l＝+2涡旋电磁波时所对应的单元编码分布如附图9(a)所示。利用ansofthfss电磁仿真软件，对本发明实施例5中编码超材料透镜的远场特性进行了仿真计算，得到l＝+2模态涡旋电磁波的远场辐射方向图如图9(b)所示；可以看到，携带轨道角动量的涡旋波束围绕透镜中心轴线形成一个辐射较高的环形区域。附图9(c)给出了l＝+2模态涡旋电磁波的空间相位分布，从中可以观察到涡旋电磁波所特有的中心相位奇点和螺旋相位结构，环绕中心顺时针方向旋转一周，电磁波的相位逐渐增大，相位变化对应了两个相位周期4π。
以上内容对本发明的五个具体实施例进行了详细地描述。需要着重强调的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，相关专业的技术人员可以在权利要求的范围内作出各种变形和修改，但这并不影响本发明的实质内容。