能产生轨道角动量波束的极低反射率旋转相位板设计方法
【专利摘要】本发明公开一种能产生轨道角动量波束的极低反射率旋转相位板设计方法。目前产生携带轨道角动量微波波束的旋转相位板在设计中只考虑了在不同方位角上产生不同的相移。这种旋转相位板对入射波反射大，降低了发射效率，并且影响了轨道角动量波束的波束质量和完整性，使波束畸变。本发明在原有的理论基础上，利用传输线理论设计了一种空间阻抗匹配、反射率极低的可产生携带轨道角动量微波波束的旋转相位板。本发明继承了使用旋转相位板产生轨道角动量波束的原理简单、制造成本低等特点，又因为可以以极低的反射率调制空间波束，提高了发射效率，提升了波束质量和完整性，减小了波束畸变。
【专利说明】能产生轨道角动量波束的极低反射率旋转相位板设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及产生携带轨道角动量波束领域，尤其涉及一种产生轨道角动量波束的 极低反射率的旋转相位板设计方法。
【背景技术】
[0002] 现今的通信系统面临着诸多挑战，频谱与电磁波极化资源正逐渐耗尽。为了提高 通信速率，即便是应用了高密度编码和信道共享技术，仍然不能从根本上解决这一问题。一 种能够高效率提高频谱效率的方法已经被提出。携带有轨道角动量的电磁波通信得到了诸 多关注。电磁波携带有自旋角动量和轨道角动量。自旋角动量的表征是电磁波的极化，即 线极化和圆极化。所以利用电磁波自旋角动量的信道复用，复用数量是有限的。然而，轨道 角动量的模式理论上是无限多的。这一理论基础为利用电磁波轨道角动量提升通信频谱利 用率提供了很好发展前景。
[0003] 有多种方案可以产生携带有轨道角动量的电磁波：使用天线阵列可以产生携带有 轨道角动量的电磁波，这种方式理论和技术基础完备，可以比较容易的组建系统。但是，复 杂的天线阵列移相馈电网络给系统增加了成本和技术难题。此外，使用赋形螺旋抛物面天 线也可以产生携带有轨道角动量的电磁波，这种方式可以利用现有的天线结构。但是如何 利用赋形螺旋抛物面天线复用和解复用仍然是一个问题。而在光频段内普遍使用的全息板 方法，由于高损耗和低效率的问题，在微波频段内并不适用。
[0004] 旋转相位板作为一种普遍用于光频和微波频段内来产生携带有轨道角动量波束 的方法，近些年得到了广泛的研究，并且演变出了多种结构和方法。其中平滑旋转相位板、 阶梯旋转相位板、钻孔平面旋转相位板、超表面旋转相位板在实验领域得到了广泛的应用。 然而，由于介质材料的原因，不同结构的旋转相位板都会产生不同程度的反射，这一反射会 导致发射效率降低、轨道角动量波束畸变、通信质量下降等问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种利用传输线理论、空间阻抗匹配方法设计旋转相位 板，从而以极低反射率产生轨道角动量波束。
[0006] 本发明解决技术问题所采取技术方案为： 本发明方法是通过在介质材料上设计直径不同且远小于入射波波长的通孔，来改变材 料的等效介电常数；根据波束沿方位角周期性变化的相移关系，调整不同方位角处材料的 厚度及通孔大小以改变透射相位。利用这一方法，在满足空间满足方位角涡旋相移的基础 上，达到阻抗匹配，大幅降低反射率。
[0007] 利用上述设计方法所制作而成的旋转相位板，可以在极低反射率的条件下，产生 携带有轨道角动量的波束。对馈源天线进行馈电，馈源天线产生的电磁波入射到极低反射 率旋转相位板，对于不同方位角，极低反射率旋转相位板的透射波相移不同，可以产生周期 性的涡旋相位变化，透射波束携带有轨道角动量。同时，又因为阻抗匹配，反射率极低，理论 上不会产生反射。
[0008] 本发明的有益效果：经过传输线理论分析、空间阻抗匹配设计的极低反射率旋转 相位板可以产生携带有轨道角动量的微波波束。极低的反射率不但可以降低反射，提高效 率，同时还可以减小轨道角动量波束的畸变。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1极低反射率旋转相位板组成单元； 图2极低反射率旋转相位板组成单元传输线模型； 图3极低反射率旋转相位板； 图4极低反射率旋转相位板与普通旋转相位板反射率对比； 图5透射波截面旋转相位分布。
【具体实施方式】
[0010] 下面结合附图对本发明做进一步详述： 极低反射率旋转相位板是由如图1所示的单元组成的。单元外形为长方体，a为正方 形横截面边长，且远小于真空中的波长。d为前后正方形表面距离，即单元厚度。从单元前 表面到后表面设计通孔，以改变介质的等效介电常数。以圆孔为例，半径为r，调节d与r的 大小可以改变透射波相位从而符合阻抗匹配的条件。
[0011] 图2为极低反射率旋转相位板组成单元的传输线模型，Ztl为空气的特征阻抗，L 为介质相对介电常数，Ze为介质特征阻抗。为满足阻抗匹配条件，达到极低反射率，传输线 模型需要满足下列公式：
【权利要求】
1. 能产生轨道角动量波束的极低反射率旋转相位板设计方法，其特征在于： 在介质材料上，设计直径不同且远小于入射波波长的通孔，来改变材料的等效介电常 数；根据波束沿方位角周期性变化的相移关系，调整不同方位角处材料的厚度及通孔大小 改变透射相位，在满足空间方位角涡旋相移的基础上，达到阻抗匹配，大幅降低反射率。
2. 根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：每个方位角处的材料由多个基本单 元构成，每个基本单元为长方体，长方体的截面为正方形，正方形的边长远小于电磁波在真 空中的波长，设长方体的厚度为d，其通孔为圆孔，半径为r，则该基本单元的传输线模型阻 抗匹配时满足：
其中为电磁波在真空中的波长，~为介质相对介电常数； 利用这一基本单元组成极低反射率的旋转相位板，基本单元的厚度需要满足：
其中7为轨道角动量的模态，N为极低反射率旋转相位板分割的阶梯总数，dm为第m阶 的基本单元厚度，Cl1为第一阶的基本单元厚度。
3. 利用权利要求1所述的设计方法来形成的旋转相位板，可以在极低反射率的条件 下，产生携带有轨道角动量的波束，其特征在于：对馈源天线进行馈电，馈源天线产生的电 磁波入射到极低反射率旋转相位板，对于不同方位角，极低反射率旋转相位板的透射波相 移不同，可以产生周期性的涡旋相位变化，透射波束携带有轨道角动量。
【文档编号】H01P1/18GK104319434SQ201410539014
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】回晓楠, 郑史烈, 章献民, 金晓峰, 池灏 申请人:浙江大学