一種基于相移表面的軌道角動量平面螺旋相位板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于軌道角動量通信技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及軌道角動量模式波束的發(fā)射， 尤其是一種基于相移表面的軌道角動量平面螺旋相位板，用于軌道角動量波束的發(fā)射并匯 聚以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動技術(shù)的飛速發(fā)展，對電磁頻譜資源的需求急劇膨脹，使電磁頻譜資源的 稀缺程度不斷加大，其有限性日益凸顯。發(fā)展新的理論與技術(shù)以獲得更高的頻譜使用效率 變得越來越迫切。將帶有軌道角動量（OAM)的電磁波束應(yīng)用于通信的研究引起了人們的極 大關(guān)注，以拓展物理維度的方式提升通信容量，有望對當(dāng)今無線通信技術(shù)產(chǎn)生革命性的影 響。軌道角動量是電磁波的基本物理屬性，反映電磁波圍繞傳播方向軸的方位角方向的波 前相位。任意頻率的電磁波軌道角動量的模式，即OAM拓?fù)浜?，?gòu)成一組相互正交的、數(shù)目 不限的本征模式。OAM通信就是利用OAM模式這一組電磁波本征模式的階數(shù)（取值1)，作為 新的參數(shù)維度資源加以利用，即不同1值代表不同信息通道，從而進(jìn)一步提高頻譜效率和 信道容量。理論上1值范圍無限，所以有潛力極大提升增加信道數(shù)目，提升通信系統(tǒng)容量。
[0003] 模式數(shù)為1的軌道角動量波束具有螺旋狀的相位波前，相位因子為:exp(//?。這種 攜帶有軌道角動量的波束的傳播過程中，波束中心場強(qiáng)為零，而波束強(qiáng)度最大值成環(huán)形，隨 著傳播距離和模式數(shù)的增加，波束強(qiáng)度最大值也隨之?dāng)U散，這就是軌道角動量波束的發(fā)散 性。這種發(fā)散性在微波毫米波波段比較明顯，對接收端的接收半徑有著很高的要求。經(jīng)過 長距離的傳輸，軌道角動量波束的發(fā)散性使接收端需要極大的接收半徑，從而導(dǎo)致接收端 體積過大，成本過高。實(shí)際上接收端接收半徑都是有限的，接收半徑越小越實(shí)用，加工制作 和運(yùn)輸維護(hù)的成本也較低。因此對于長距離軌道角動量模式的通信，波束的壓縮匯聚就顯 得極為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出一種基于相移表面的軌道角動量平面螺旋相位板，目的在于利用相移 表面的原理產(chǎn)生模式數(shù)為1的軌道角動量波束的同時(shí)，對波束進(jìn)行壓縮匯聚，得到較小的 波束角，實(shí)現(xiàn)軌道角動量波束的長距離通信。
[0005] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取技術(shù)方案為：
[0006] 根據(jù)多層介質(zhì)相移表面原理，設(shè)計(jì)多個相移單元合成平面透鏡從而形成螺旋相位 板，同時(shí)產(chǎn)生并聚焦1階的軌道角動量波束；相移單元包括多層介質(zhì)層和金屬層，且介質(zhì)層 和金屬層間隔排布；金屬層分為中間金屬層和貼片層，中間金屬層大小與介質(zhì)層相同，且正 中間開有狹縫；使得相移單元能夠在保證透射功率并對透射波產(chǎn)生不同的相移量；
[0007] 多個不同的相移單元組成螺旋形陣列，具體如下：利用相位疊加原理將平面透鏡 對球面波的相位補(bǔ)償和螺旋相位板的相移疊加，得到具有軌道角動量波束匯聚功能的螺旋 相位板；
[0008] 所述的螺旋相位板的相移是螺旋相位板對入射波調(diào)制的波形相位，即平面波透射 產(chǎn)生攜帶軌道角動量的透射波；設(shè)軌道角動量模式數(shù)為1，則相位隨方位角一圈的變化為 2 π 1 ；
[0009] 所述的平面透鏡對球面波的相位補(bǔ)償是一種特殊的相位偏移，表示為
[0011] 其中，λ為電磁波波長，f為透鏡焦距，x，y為平面點(diǎn)的位置，這種波前看作是平面 透鏡對球面波的相位補(bǔ)償。
[0012] 制作加工平面螺旋相位板即是將兩種相位偏移進(jìn)行疊加，則透射波即具有透鏡聚 焦效應(yīng)的軌道角動量波束。
[0013] 所述的相移單元類型為8種，每種相移單元結(jié)構(gòu)相同，但其中的貼片層尺寸不同； 貼片層尺寸大小能夠影響透射波的相位偏移量；相鄰的不同類型的相移單元相隔/4,共 覆蓋相位變化量〇到2 31 ;
[0014] 相移單元通過兩種相位偏移疊加后的相位圖，即多個不同的相移單元組成螺旋形 陣列來排布形成平面螺旋相位板。
[0015] 常用的螺旋相位板的原理是利用不同位置上電介質(zhì)厚度不同導(dǎo)致透射電磁波相 位改變量不同，而這里的平面螺旋相位板是各個位置采用不同的平面相移單元的不同相移 量實(shí)現(xiàn)對電磁波的波前相位調(diào)制。相對與光學(xué)透鏡對光的匯聚作用相當(dāng)于是一種特殊的 相位偏移，平面透鏡是在平面上對入射的球面波形成一定相位偏移從而產(chǎn)生波束匯聚的效 果。這里采用各個相移單元排列形成平面透鏡。通過螺旋相位板和平面透鏡的疊加產(chǎn)生匯 聚的軌道角動量波束。
[0016] 本發(fā)明的有益效果：
[0017] 通過設(shè)計(jì)平面相移單元排列產(chǎn)生軌道角動量平面螺旋相位板，結(jié)合平面透鏡產(chǎn)生 有匯聚效果的軌道角動量波束。提供了一種波束角極小的軌道角動量波束發(fā)射方式，在平 面結(jié)構(gòu)上緩解了波束發(fā)散的問題。壓縮的波束角有利于減小接收端體積和成本，搭建遠(yuǎn)距 離軌道角動量通信系統(tǒng)。以印刷電路板的方式制作的平面螺旋相位板體積小，重量輕，成本 低，制備工藝簡單，無需復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)，只需利用不同的相移單元排列產(chǎn)生不同模式數(shù)1 的平面螺旋相位板即可產(chǎn)生不同的軌道角動量波束。同樣的螺旋相位板在接收端也可用于 對軌道角動量波束的解調(diào)。波束角越小，對接收端接收半徑的壓力也越小，適合長距離軌道 角動量通信系統(tǒng)的波束發(fā)射接收。
【附圖說明】
[0018] 圖1螺旋相位板和平面透鏡相位疊加原理；
[0019] 圖2平面相移單元結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)；
[0020] 圖3平面螺旋相位板的遠(yuǎn)場輻射圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳述：
[0022] 圖1(a)給出了螺旋相位板對入射波調(diào)制的波形相位圖，即平面波透射產(chǎn)生寫到 軌道角動量的透射波，這里軌道角動量模式數(shù)1為1，相位隨方位角一圈有2 的變化。 [0023] 圖1(b)是透鏡對透射波的相位分布圖。透鏡的匯聚作用可以看做是一種特殊的 相位偏移，表示為
[0025] 其中λ為電磁波波長，f為透鏡焦距，X，y為平面點(diǎn)的位置，這種波前可以看作是 透鏡對球面波的相位補(bǔ)償。
[0026] 圖I (C)為平面透鏡和螺旋相位板的相位疊加后的相位分布，制作加工平面螺旋 相位板即是將兩種相位偏移進(jìn)行疊加，則透射波可以產(chǎn)生具有透鏡聚焦效應(yīng)的軌道角動量 波束。
[0027] 圖2(a)為平面相移單元結(jié)構(gòu)，由多層介質(zhì)和金屬層貼片以及金屬狹縫構(gòu)成，不同 貼片大小可以影響相位偏移量，設(shè)計(jì)8種相移單元，相隔π /4共覆蓋軌道角動量模式數(shù)1 為1所需的相位變化量〇到2 π，排列所設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)可以組成所需的模式數(shù)1為1的平 面螺旋相位板，如圖2(b)。排列順序是按照圖1中的相位疊加后的圖形，實(shí)現(xiàn)了平面透鏡和 螺旋相位板的疊加。
[0028] 圖3為仿真和實(shí)際測量得到的歸一化方向圖。通過對平面螺旋相位板的仿真設(shè) 計(jì)，利用印刷電路板技術(shù)制作并測量，得到回波反射小于_15dB，主瓣輻射角為4°，較小的 輻射角更有利于軌道角動量波束的長距離傳輸。
[0029] 實(shí)施例：
[0030] 本專利中設(shè)計(jì)的平面相移單元結(jié)構(gòu)，工作頻率設(shè)定在60GHz，單元邊長2mm，共包 括四層介質(zhì)，圖2(a)中由斜線紋理表示，其余為5層金屬層，中間金屬層為介質(zhì)單元大小， 中心開有狹縫，狹縫尺寸也會影響相位偏移量，在這里為保證相移量和損耗的要求，狹縫尺 寸為長邊1. 5_，寬0. 3_ ;除中間層外均為相同大小的貼片層，根據(jù)貼片尺寸不同改變相 移量，8種不同的單元結(jié)構(gòu)的各個貼片尺寸如下表。整體結(jié)構(gòu)共包含30X30個單元結(jié)構(gòu)。 [0031] 單元貼片尺寸
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于相移表面的軌道角動量平面螺旋相位板，其特征在于： 根據(jù)多層介質(zhì)相移表面原理，設(shè)計(jì)多個相移單元合成平面透鏡從而形成螺旋相位板， 同時(shí)產(chǎn)生并聚焦1階的軌道角動量波束；相移單元包括多層介質(zhì)層和金屬層，且介質(zhì)層和 金屬層間隔排布；金屬層分為中間金屬層和貼片層，中間金屬層大小與介質(zhì)層相同，且正中 間開有狹縫；使得相移單元能夠在保證透射功率并對透射波產(chǎn)生不同的相移量； 多個不同的相移單元組成螺旋形陣列，具體如下：利用相位疊加原理將平面透鏡對球 面波的相位補(bǔ)償和螺旋相位板的相移疊加，得到具有軌道角動量波束匯聚功能的螺旋相位 板。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于相移表面的軌道角動量平面螺旋相位板，其特征在于 所述的螺旋相位板的相移是螺旋相位板對入射波調(diào)制的波形相位，即平面波透射產(chǎn)生寫到 軌道角動量的透射波；設(shè)軌道角動量模式數(shù)為1，則相位隨方位角一圈的變化為2JT1 ; 所述的平面透鏡對球面波的相位補(bǔ)償是一種特殊的相位偏移，表示為其中，A為電磁波波長，f為透鏡焦距，x，y為平面點(diǎn)的位置，運(yùn)種波前看作是平面透鏡 對球面波的相位補(bǔ)償； 制作加工平面螺旋相位板即是將兩種相位偏移進(jìn)行疊加，則透射波即具有透鏡聚焦效 應(yīng)的軌道角動量波束。3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于相移表面的軌道角動量平面螺旋相位板，其特征在于 所述的相移單元類型為8種，每種相移單元結(jié)構(gòu)相同，但其中的貼片層尺寸不同；貼片層尺 寸大小能夠影響透射波的相位偏移量；相鄰的不同類型的相移單元相隔n/4,共覆蓋相位 變化量O到2JT。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于相移表面的軌道角動量平面螺旋相位板，其特征在于 相移單元通過兩種相位偏移疊加后的相位圖，即多個不同的相移單元組成螺旋形陣列來排 布形成平面螺旋相位板。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于相移表面的軌道角動量平面螺旋相位板。本發(fā)明根據(jù)多層介質(zhì)相移表面原理，設(shè)計(jì)多個相移單元合成平面透鏡從而形成螺旋相位板，同時(shí)產(chǎn)生并聚焦l階的軌道角動量波束；相移單元包括多層介質(zhì)層和金屬層，且介質(zhì)層和金屬層間隔排布；金屬層分為中間金屬層和貼片層，中間金屬層大小與介質(zhì)層相同，且正中間開有狹縫；多個不同的相移單元組成螺旋形陣列，具體如下：利用相位疊加原理將平面透鏡對球面波的相位補(bǔ)償和螺旋相位板的相移疊加，得到具有軌道角動量波束匯聚功能的螺旋相位板。本發(fā)明以印刷電路板的方式制作的平面螺旋相位板體積小，重量輕，成本低，制備工藝簡單，無需復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)。
【IPC分類】H01P1/18, H01Q15/02, G02B5/30
【公開號】CN105206900
【申請?zhí)枴緾N201510654873
【發(fā)明人】陳弋凌, 李越, 回曉楠, 鄭史烈, 章獻(xiàn)民
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年10月10日