一种基于多功能共享孔径超表面的涡旋波产生结构及设计方法

1.本发明涉及新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种基于多功能共享孔径超表面 的涡旋波产生结构设计。


背景技术：

2.众所周知，传统电磁波的极化、频率、振幅、相位等特征在提高信道容量方面的发 展已经达到了阈值，频谱利用率很难进一步提高。由于轨道角动量固有的正交性和无限 性，它成为了电磁波复用和操纵的一个新的物理参数维度，在新一代通信系统的发展方 面有着巨大的潜力。
3.二维形式的超材料，即人工电磁超表面具有质量轻、剖面低、制造简单等特点，有 着天然材料难以企及的电磁特性。通过合理设计超表面基本单元的周期、结构、厚度及 材料等参数，可以实现同一个单元孔径下多个极化多个频段电磁波相位的自由独立调控。 将这种共享孔径的基本单元排列组合，在电磁波领域可以实现涡旋波产生、波束扫描、 波束异常反射、波束聚焦、极化转换、rcs(雷达散射截面)缩减等。
4.在微波毫米波段，较早期的实现涡旋波的方法有螺旋相位板、平面相位板、抛物面 天线等，在制作工艺及工作带宽方面有着较大的限制。近年来，天线阵列、腔体结构及 超表面结构多被用来实现涡旋波的产生。其中超表面在实现涡旋波的轨道角动量与传统 物理参量结合方面有着较大的优势。然而，基于超表面的多功能涡旋波的研究大多停留 在产生双频段和双极化涡旋波，且使用多层技术或子阵列技术，这会导致制备难度增大 且孔径效率过低。此外，由于多功能超表面的设计难点是确保工作在各宽频段内的各极 化子单元之间耦合影响较小，所以在单层的结构上实现多功能相较多层结构是更加困难 的。综上，需要寻找一种巧妙的结构组合和空间分配方法设计单层的共享孔径的多极化 多频段反射式超表面，从而实现工作在不同宽频段的不同极化反射波的相位独立调控。


技术实现要素：

5.本发明针对以上问题，提出了一种基于多功能共享孔径超表面的涡旋波产生结构及 设计方法，可实现工作在不同宽频段的不同极化的不同模态的涡旋波产生，最终在 7.15-9.07ghz、14-17ghz和21-25ghz工作频率下能产生l＝1的右旋圆极化涡旋波、l＝-1 的垂直极化涡旋波和l＝-2的水平极化涡旋波的单层反射式超表面。
6.本发明的技术方案为：所述涡旋波产生结构包括多功能共享孔径超表面，所述多功 能共享孔径超表面包括多个共享孔径基本单元结构，所述共享孔径基本单元结构从上到 下依次包括固定相连的顶部图案层、中间介质层和底部金属层；
7.所述中间介质层和底部金属层具有相同的周期；
8.所述顶部图案层包括方形开口谐振环1内嵌空心十字环2而形成的右旋圆极化子单 元3、呈“i”字型结构的垂直极化子单元4以及呈“i”字型结构作为水平极化子单元5， 所
述垂直极化子单元4与水平极化子单元5垂直，并且二者都处在所述空心十字环2之 内。
9.进一步的，所述垂直极化子单元4由宽度为wy的金属条构成，所述水平极化子单元 5由宽度为w
x
的金属条构成，wy＞w
x
。
10.进一步的，所述中间介质层由相对介电常数2.2-2.65的低损耗材料构成，所述底部 金属层和顶部图案层的金属由反射率约等于1的金属材料构成。
11.进一步的，底部金属层和中间介质层的周期均为7mm，中心介质层厚度为2mm； 底部金属层和顶部金属图案层均由电导率5.8
×
107s/m的金属铜构成，介质层由相对介 电常数2.65、损耗角正切为0.0009的f4b构成。
12.进一步的，所述多功能共享孔径超表面的整体厚度小于十分之一的三种极化最长工 作波长。
13.按以下步骤设计：要求设计出可以独立控制右旋圆极化波、垂直极化波和水平极化 波的三种子单元，并采用合适的空间分配方式，使得一个共享孔径基本单元结构合理分 布三种极化的子单元，实现三种子单元的共享孔径，共享孔径基本单元结构从上到下依 次包括顶部金属图案层、中间介质层和底部金属层；
14.步骤1、首先根据产生反射的涡旋波对基本单元结构对幅值和相位的要求，共享孔 径基本单元结构中的右旋圆极化子单元3的开槽长条旋转角度和开槽宽度为优化的变量 来优化右旋圆极化子单元3结构的尺寸参数，旋转角度以5
°
的间隔由-90
°
到90
°
取 值，不同的旋转角度分别对应固定谐振频点所需的开槽宽度，共得到37种基本状态， 实现同极化的反射系数都大于0.935且相位跨度为347
°
；共享孔径基本单元结构中的 垂直极化子单元4的中心金属条长度为优化的变量来优化垂直极化子单元4结构的尺寸 参数，以2比特编码超表面所需的相位间隔90
°
作为优化要素，共得到4种基本状态， 实现同极化的反射系数约等于1且相位间隔约等于90
°
；共享孔径基本单元结构中的水 平极化子单元5的中心金属条长度为优化的变量来优化水平极化子单元5结构的尺寸参 数，同样以2比特编码超表面所需的相位间隔90
°
作为优化要素，共得到4种基本状态， 实现同极化的反射系数约等于1且相位间隔约等于90
°
；
15.步骤2、根据步骤1得到的共享孔径基本单元结构共有37
×4×
4中基本状态，其中 右旋圆极化子单元3的37种结构状态对应37种相位响应，实现类pb相位的单元旋转 角度和相位响应之间倍数关系的现象，垂直极化子单元4和水平极化子单元5的各4种 结构状态分别对应了相位间隔约90度的4种相位响应，实现2比特编码超表面所要求 的相位梯度；
16.根据自由空间的赫姆霍兹方程推导出沿电磁波传输方向传播的涡旋波的电场表达式， 不同极化沿垂直方向反射的不同模态的涡旋波束相位作为超表面的输出相位，得到超表 面上各个单元的输出相位公式；
17.然后根据入射场源得到超表面的输入相位，其中入射右旋圆极化波为平面波，入射 垂直极化和水平极化波都为球面波，进而得到超表面上的各个极化子单元结构需要提供 的补偿相位；
18.步骤3：根据补偿相位公式适用matlab程序建立共享孔径基本单元结构的各个极 化子单元结构相位和补偿相位之间的对应关系，得到整个超表面的不同极化子单元结构 所需要提供的补偿相位形式，进而得到产生不同极化的不同模态涡旋波的超表面所有共 享孔径基本单元的排列规则。按照相位梯度超表面的原则，右旋圆极化子单元在37个 相位
状态中选择与所需相位最接近的相位值对应的结构状态、垂直极化子单元排布使用 90
°
相位梯度、水平极化子单元排布使用90
°
相位梯度，将右旋圆极化子单元(3)、垂 直极化子单元(4)、水平极化子单元(5)按所需相位填入整体超表面的各个局部位置， 从而得到反射式多功能涡旋波产生超表面。
19.基于该方法设计的共享孔径基本单元结构能够同时在c和x波段(7.15-9.07ghz) 的23.67％的相对带宽范围内保持圆极化的极化转换效率在90％以上，实现同极化的反 射并且能实现347
°
的相位跨度；在ku波段(14-17ghz)的19.35％的相对带宽范围内 使得垂直极化反射系数约等于1，实现同极化的反射并且实现2比特数字编码超表面； 在k波段(21-25ghz)的17.39％的相对带宽内使得水平极化反射系数约等于1，实现 同极化的反射并实现2比特数字编码超表面。通过涡旋波补偿相位的理论推导，以及对 共享孔径单元各子单元结构对应相位响应的关联，采用右旋圆极化平面波、垂直极化球 面波及水平极化球面波作为三种极化的场源，设计出在7.15-9.07ghz、14-17ghz和21-25ghz工作频率下能产生l＝1的右旋圆极化涡旋波、l＝-1的垂直极化涡旋波和l＝-2 的水平极化涡旋波的单层反射式超表面。通过全波仿真对所提出的方案进行仿真设计， 最后对多功能的涡旋波超表面结构进行了实验验证，与仿真结果相符合。
20.从整体上来说，本案最终可实现工作在不同宽频段的不同极化的不同模态的涡旋波 产生，最终在7.15-9.07ghz、14-17ghz和21-25ghz工作频率下能产生l＝1的右旋圆极 化涡旋波、l＝-1的垂直极化涡旋波和l＝-2的水平极化涡旋波的单层反射式超表面。整体 的设计思路新颖、简单易行，并且本案的结构稳定、工作效果好，通过巧妙的结构组合 和空间分配，使得单层的共享孔径的多极化多频段反射式超表面实现工作在不同宽频段 的不同极化反射波的相位独立调控的目的。
附图说明
21.图1为实施例的实现多极化多频段多模态涡旋波的超表面共享孔径基本单元侧视图；
22.图2为实施例的实现多极化多频段多模态涡旋波的超表面共享孔径基本单元的标注 了方形开口谐振环结构参数的俯视图；
23.图3为实施例的实现多极化多频段多模态涡旋波的超表面共享孔径基本单元的标注 了空心十字环结构参数的俯视图；
24.图4为实施例的实现多极化多频段多模态涡旋波的超表面共享孔径基本单元的标注 了正交放置的“i”字型结构参数的俯视图；
25.其中：1-方形开口谐振环、2-空心十字环、3-右旋圆极化子单元、4-垂直极化子单元、 5-水平极化子单元；p为基本单元的周期边长，h为基本单元介质板厚度，o为方形开口 谐振环的外边长，i为方形开口谐振环的内边长，g为方形开口谐振环的开槽宽度，α为 开槽长条的旋转角度，ao为空心十字环的垂直方向的外边长，ai为空心十字环的垂直方 向的内边长，bo为空心十字环的水平方向的外边长,bi为空心十字环的水平方向的内边长； d为垂直环在水平(垂直)方向距垂直(水平)极化子单元的距离，dy为较大尺寸“i
”ꢀ
字型结构的上下水平臂的臂长,wy为较大尺寸“i”字型结构金属条的宽度，ly为较大尺 寸“i”字型结构的中心金属条边长，d
x
为较小尺寸“i”字型结构的左右垂直臂的臂长， w
x
为较小尺寸“i”字型
结构金属条的宽度，l
x
为较小尺寸“i”字型结构的中心金属条 边长。
26.图5为实施例的共享孔径基本单元的性能结果，图5(a)是右旋圆极化子单元的同 极化反射系数和相位，图5(b)是垂直极化子单元的同极化反射系数和相位，图5(c) 是水平极化子单元的同极化反射系数和相位；
27.图6为实施例的实现工作在不同宽频段的三个极化的不同模态涡旋波产生的 matlab中计算得到的超表面最终补偿相位分布：从左到右分别为右旋圆极化、垂直 极化和水平极化；
28.图7为实施例通过印制电路板工艺制备的产生多极化多频段多模态涡旋波的测试样 品；
29.图8为实施例仿真和测试的多极化多频段多模态涡旋波的相位和幅值结果，图8(a) 是8ghz的右旋圆极化波入射时距离超表面远场距离处的xoy平面的右旋圆极化波相位 和幅值结果，图8(b)是15ghz的垂直极化波入射时距离超表面450mm处的xoy平面 的垂直极化波相位和幅值结果，图8(c)时22ghz的水平极化波入射时距离超表面 450mm处的xoy平面的水平极化波相位和幅值结果。
具体实施方式
30.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专 利进行详细阐述。
31.本实施例中：所述涡旋波产生结构包括馈源和多功能共享孔径超表面，馈源是入射 到多功能共享孔径超表面之后产生涡旋波，其中馈源包括右旋圆极化平面波、水平极化 球面波和垂直极化球面波。所述多功能共享孔径超表面包括多个共享孔径基本单元结构， 所述共享孔径基本单元结构从上到下依次包括固定相连的顶部图案层、中间介质层和底 部金属层；
32.共享孔径基本单元(图1)的中间介质层和底部金属层的周期p为7mm，中间介质 层的厚度h为2mm；底部金属层和顶部图案层均由电导率5.8
×
107s/m的金属铜构成， 中心介质层由相对介电常数2.65、损耗角正切为0.0009的f4b构成；
33.多功能超表面的整体尺寸为224mm
×
224mm，由阵列分布的32
×
32个共享孔径基 本单元构成。
34.要求设计出可以独立控制右旋圆极化波、垂直极化波和水平极化波的三种子单元， 并采用合适的空间分配方式，使得一个共享孔径基本单元结构合理分布三种极化的子单 元，实现三种子单元的共享孔径，共享孔径基本单元结构从上到下依次包括顶部金属图 案层、中间介质层和底部金属层；
35.步骤1、首先根据产生反射的涡旋波对基本单元结构对幅值和相位的要求，共享孔 径基本单元结构中的右旋圆极化子单元3的开槽长条旋转角度和开槽宽度为优化的变量 来优化右旋圆极化子单元3结构的尺寸参数，旋转α后的开槽长条在方形谐振环上开出 的槽宽为g的槽，从而形成方形开口谐振环1，旋转角度以5
°
的间隔由-90
°
到90
°
取 值，不同的旋转角度分别对应固定谐振频点所需的开槽宽度，共得到37种基本状态， 实现同极化的反射系数都大于0.935且相位跨度为347
°
；共享孔径基本单元结构中的 垂直极化子单元4的中心金属条长度为优化的变量来优化垂直极化子单元4结构的尺寸 参数，以2比特编码超
表面所需的相位间隔90
°
作为优化要素，共得到4种基本状态， 实现同极化的反射系数约等于1且相位间隔约等于90
°
；共享孔径基本单元结构中的水 平极化子单元5的中心金属条长度为优化的变量来优化水平极化子单元5结构的尺寸参 数，同样以2比特编码超表面所需的相位间隔90
°
作为优化要素，共得到4种基本状态， 实现同极化的反射系数约等于1且相位间隔约等于90
°
；
36.具体来说，以圆极化和线极化子单元之间耦合影响较小为原则设计共享孔径基本单 元，在cst中对圆极化子单元结构建模仿真并进行优化。其中基本单元结构包括底部 金属层、中间介质层和顶部金属图案层，其中中间介质层和底部金属层具有相同的周期， 顶部图案层为方形开口谐振环1组合空心十字环2作为右旋圆极化子单元3，较大尺寸
ꢀ“
i”字型结构作为垂直极化子单元4，较小尺寸“i”字型结构作为水平极化子单元。
37.如图2所示，右旋圆极化子单元3中方形开口谐振环1的外圈边长o为6.4mm，内 圈边长i为6mm，开槽长条的旋转角度α从-90
°
到90度可变，开槽宽度g从1.3-2.35mm 可变，两者为优化的变量；
38.如图3所示，空心十字环的垂直方向的外圈边长ao为5.6mm，内圈边长ai为5.2mm， 水平方向的外圈边长bo为5.6mm，内圈边长bi为5.2mm；
39.如图4所示，空心十字环包括垂直环以及水平环，垂直环在水平方向距垂直极化子 单元4的距离d为0.2mm，水平环在垂直方向距水平极化子单元5的距离d为0.2mm。 垂直极化子单元4的上下水平臂的臂长dy为3mm,金属条的宽度wy为0.4mm，中心金 属条的长度ly变化范围1.5-4.39mm，作为优化的变量。水平极化子单元5的左右垂直臂 的臂长d
x
为1.2mm，金属条的宽度w
x
为0.2mm，中心金属条长度l
x
变化范围0.5-4.76mm， 作为优化的变量；
40.步骤2、根据步骤1得到的共享孔径基本单元结构共有37
×4×
4中基本状态，其中 右旋圆极化子单元3的37种结构状态对应37种相位响应，实现类pb相位的单元旋转 角度和相位响应之间倍数关系的现象，垂直极化子单元4和水平极化子单元5的各4种 结构状态分别对应了相位间隔约90度的4种相位响应，实现2比特编码超表面所要求 的相位梯度；
41.具体来说，根据实现涡旋波所需的幅值和相位要求，在cst优化的过程中，对于右 旋圆极化子单元3，选用方形开口谐振环1中的开槽长条旋转角度和开槽宽度作为优化 变量，其中右旋圆极化子单元3的相位调控原理类似pb相位基本原理，但技术上需要 调整开槽长条旋转角度的同时调整开槽宽度保持谐振频点不变，可以优化得到实现347
°ꢀ
相位跨度的37个基础状态，使得在7.15-9.07ghz的频段范围内(c和x波段)圆极化 转换率大于90％。对于垂直极化子单元4，选用中心金属条长度作为优化变量，保证在 14-17ghz的频段范围内垂直极化波入射时同极化反射系数约等于1，且实现约为270
°ꢀ
相位跨度的4个基础状态，相位梯度为90
°
。对于水平极化子单元5，选用中心金属条 长度作为优化变量，保证在21-25ghz的频段范围内水平极化波入射时同极化反射系数 约等于1，且实现约为270
°
相位跨度的4个基础状态，相位梯度约等于90
°
。
42.根据上述三个原则，得到右旋圆极化子单元3的37种基本状态的开槽长条旋转角度 α和开槽宽度g分别为：-90
°
，2.35mm；-85
°
，2.30879mm；-80
°
，2.18317mm；-75
°
， 1.99024mm；-70
°
，1.95809mm；-65
°
，1.87574mm；-60
°
，1.84752mm；-55
°
，1.87999mm；
ꢀ‑
50
°
，1.44415mm；-45
°
，1.3mm；-40
°
，1.44415mm；-35
°
，1.6491mm；-30
°
， 1.90526mm；-25
°
，1.98609mm；-20
°
，1.88359mm；-15
°
，1.8635mm；-10
°
，1.92931mm；
ꢀ‑5°
，1.96749mm；0
°
，2mm；5°
，1.96749mm；10
°
，1.92931mm；15
°
，1.8635mm； 20
°
，1.88359mm；25
°
，1.98609mm；30
°
，1.90526mm；35
°
，1.649mm；40
°
，1.44415mm； 45
°
，1.3mm；50
°
，1.44415mm；55
°
，1.87999mm；60
°
，1.84752mm；65
°
，1.87574mm； 70
°
，1.95809mm；75
°
，1.95809mm；80
°
，2.18317mm；85
°
，2.30879mm；90
°
， 2.35mm；这37个基本状态的右旋圆极化反射系数都在0.935以上，相位跨度可达347
°ꢀ
(图5(a))。垂直极化子单元4的4种基本状态的中心金属条长度ly分别为1.5mm， 1.97mm，2.16mm，2.78mm；这4个基本状态的垂直极化反射系数约等于1，相位间隔 约等于90度(图5(b))。水平极化子单元5的4种基本状态的中心金属条长度l
x
分别 为0.61mm，2.06mm，3.06mm，4.76mm；这4个基本状态的水平极化反射系数约等于1， 相位间隔约等于90度(图5(c))；
43.根据自由空间的赫姆霍兹方程推导出沿电磁波传输方向传播的涡旋波的电场表达式：
[0044][0045]
其中l是oam模态数，是坐标位置为(x，y)的单元的相对于原点的 方位角，k0是自由空间波数，e0是常数向量。根据入射场源得到超表面的输入相位，其 中入射右旋圆极化波为平面波，不需要进行相位补偿，得到圆极化子单元在超表面的相 位补偿公式为：
[0046][0047]
入射垂直极化和水平极化波都为球面波，需要进行球面波的相位补偿，进而得到两个线 极化极化子单元在超表面的相位补偿公式：
[0048][0049]
其中为x轴第m个、y轴第n个单元的位置矢量，为馈源天线位置向量，k表示中心 频点下真空中的波数。
[0050]
步骤3、根据补偿相位公式(2)和(3)，使用matlab程序建立共享孔径基本单 元结构的各个极化子单元结构相位和补偿相位之间的对应关系，可以得到整个超表面的 不同极化子单元结构分别所需要提供的补偿相位形式，进而得到产生不同极化的不同模 态涡旋波的超表面所有共享孔径基本单元的排列规则(图6)，即在matlab程序中根 据补偿相位公式(2)和(3)计算出32x32个共享孔径基本单元中每个共享孔径基本单 元的α、g、ly、l
x
。分别按照右旋圆极化、垂直极化、水平极化对应的排列规则将右旋 圆极化子单元3(从37中相位状态中选择与所需相位最接近的相位值对应的结构状态)、 垂直极化子单元4(按照90度相位梯度的结构状态)、水平极化子单元5(按照90
°
的 相位梯度结构状态)按所需相位填入整体超表面的各个局部位置，从而得到反射式多功 能涡旋波产生超表面。
[0051]
步骤4、在cst中建模仿真：根据matlab得到的超表面补偿相位程序在cst中 进行联合建模并仿真，确定右旋圆极化部分仿真工作频段为7.15-9.07ghz，垂直极化部 分仿真工作频段为14-17ghz，水平极化部分仿真工作频段为21-25ghz，分别选择右旋 圆极化平面波、垂直极化球面波和水平极化球面波作为场源进行仿真计算，球面波馈源 距超表面100mm距离，对近场的电场幅值和相位进行分析，对于垂直极化和水平极化 的采样面，都设置在距超表面450mm的200mm
×
200mm大小的平面上；
[0052]
步骤5、如图7所示，通过pcb印刷电路板工艺制备样品，并在微波暗室中完成测 试，观察器件所实现的效果；得到8ghz右旋圆极化的测试结果(图8(a))、15ghz 垂直极化和22ghz水平极化的仿真测试结果(图8(b)和(c))，可知电场幅值和相位 的效果基本一致，右旋圆极化为l＝1的涡旋波相位效果(逆时针单臂螺旋)，垂直极化 为l＝-1的涡旋波相位效果(顺时针单臂螺旋)，水平极化为l＝-2的涡旋波相位效果(顺 时针双臂螺旋)，效果与预期一致，验证了该结构的可行性；
[0053]
综上所述，本发明在单层多极化多频段共享孔径基本单元的基础上进行产生多极化 多频段多模态涡旋波的结构设计，可以较好的应用在基于轨道角动量的通信系统的频率 分集和极化分集的拓展方向。
[0054]
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于 本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进， 这些改进也应视为本发明的保护范围。