反射单元所需 的补偿相位艳,.为：
[0化9]其中热"为第m行第n列的电磁超表面反射单元的补偿相位，A为电磁波的工作波 长，
毫米，/;,=化 0, O.4)米，二(0,()，1)衣。
[0060] 步骤4,绘制所有电磁超表面反射单元的相位分布图。
[0061] 根据第m行第n列补偿相位叛,,的值，绘制所有电磁超表面反射单元的相位分布图， 如图3所示，图3中的横坐标是每个电磁超表面反射单元在X轴上的位置，纵坐标是每个电磁 超表面反射单元在y轴上的位置，颜色深浅代表每个电磁超表面反射单元提供的补偿相位 C的大小。
[0062] 步骤5,构成电磁超表面结构。
[0063] 5.1)选取20 X 20个周期相同的电磁超表面反射单元与每个补偿相位一一对应，每 个电磁超表面反射单元采用不同尺寸的=平行振子结构，其具体尺寸根据每个补偿相位确 定，具体选取见Li Long等在IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters ,《Novel broadband planar refIectarray with parasitic dipoles for wireless communication applications》中提到的寄生阵子反射阵设计方法；
[0064] 5.2)将运20 X 20个电磁超表面反射单元印制到介质基板上，形成电磁超表面结 构；
[0065] 步骤6，产生1 = 1的轨道角动量满旋波束。
[0066] 将卿趴天线放在电磁超表面结构的中屯、轴向处，由卿趴天线发出的入射波照射到 电磁超表面结构上，当入射波得到电磁超表面结构提供的补偿相位后，再经相移网络反射， 则可得到1 = 1的轨道角动量满旋波束，如图4所示。
[0067] 实施例2:产生1'=2的轨道角动量满旋波束。
[0068] 步骤一，设定参数。
[0069] 取八木天线的中屯、相对位置F,=化0, 0.3)米，即X轴的0处，y轴的0处，Z轴的0.3米 处;主波束指向為'=化〇，1)米，即X轴的0处，y轴的0处，Z轴的1米处;总行数M'=22,总列数N' =22，相邻两个电磁超表面反射单元中屯、间距D '二25毫米，介质基板的尺寸为0.55 X 0.55 XO.OOl米，电磁超表面反射单元的尺寸为25X25毫米，金属背板与介质基板的间距d'= 10 毫米。
[0070] 步骤二，根据设定参数，计算磁超表面反射单元的相对位置f'：,,。和和方位方位角度 值心
[0071] 2.1)计算出第m '行第n '列电磁超表面反射单元中屯、的相对位置
.其中 m'=l，2，...，22，n'=l，2，...，22; [0073] 2.2)计算出第m'行第n'列电磁超表面反射单元中屯、在极坐标下的方位角度值 * m n
[00巧]步骤=，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位衡。I。
[0076]给定八木天线的工作频率f '为5.8GHz，取1' = 2，计算每个电磁超表面反射单元所 需的补偿相位为：
[0078] 其中为第m'行第n'列的电磁超表面反射单元的补偿相位，A'为电磁波的工作 波长，
毫米，？)=化0, 0.3)米，為=(0.0.1)衣。
[0079] 步骤四，绘制所有电磁超表面反射单元的相位分布图。
[0080] 根据第m'行第n '列补偿相位Cu的值，绘制所有电磁超表面反射单元的相位分布 图，如图5所示，图5中的横坐标是每个电磁超表面反射单元在X轴上的位置，纵坐标是每个 电磁超表面反射单元在y轴上的位置，颜色深浅代表每个电磁超表面反射单元提供的补偿 相位的大小。
[0081 ] 步骤五，构成电磁超表面结构。
[0082] 5.1)选取22 X 22个周期相同的电磁超表面反射单元与每个补偿相位一一对应，每 个电磁超表面反射单元采用不同尺寸的=平行振子结构，其具体尺寸设计与实施例的步骤 f5相同；
[0083] 5.2)将运22 X 22个电磁超表面反射单元印制到介质基板上，形成电磁超表面结 构；
[0084] 步骤六，产生1'=2的轨道角动量满旋波束。
[0085] 将八木天线放在电磁超表面结构的中屯、轴向处，由八木天线发出的入射波照射到 电磁超表面结构上，当入射波得到电磁超表面结构提供的补偿相位后，再经相移网络反射， 则可得到1' = 2的轨道角动量满旋波束，如图6所示。
[0086] 本发明效果可通过W下仿真进一步说明：
[0087] 仿真1，利用Ansys HFSS软件，对本发明实施例1中距离电磁超表面结构法向200个 波长处的电场相位进行仿真，得到电场相位图，如图7所示；
[0088] 图7中，电场相位曲线是1条逆时针旋转的曲线，与图8所示的理论的1 = 1的轨道角 动量电场相位曲线一致。
[0089] 仿真2,利用Ansys HFSS软件，对本发明实施例2中距离电磁超表面结构法向200个 波长处的电场相位进行仿真，得到电场相位图，如图9所示；
[0090] 图9中，电场相位曲线是2条逆时针旋转的曲线，与图10所示的理论的1 = 2的轨道 角动量电场相位曲线一致。
[0091] 图7和图9表明，本发明方法可有效产生多模态的轨道角动量满旋波。
[0092] 仿真3,利用Ansys HFSS软件，对本发明实施例1中电磁超表面结构的远场福射特 性进行仿真，得到远场福射方向图，如图11所示；
[0093] 图11中，轨道角动量满旋波束为中间凹陷的高增益波，与图12所示的理论的1 = 1 的轨道角动量满旋波束福射图一致。
[0094] 仿真4,利用Ansys HFSS软件，对本发明实施例2中电磁超表面结构的远场福射特 性进行仿真，得到远场福射方向图，如图13所示；
[00M]图13中，轨道角动量满旋波束为中间凹陷的高增益波，与图14所示的理论的1 = 2 的轨道角动量满旋波束福射图一致。
[0096]图11和图13表明，本发明方法可有效产生高增益的轨道角动量满旋波。
【主权项】
1. 一种轨道角动量满旋波束产生装置，包括馈源（1)和相移网络(4)，馈源产生的入射 波经过相移网络反射，得到补偿相位，该补偿相位与馈源发出的入射波相位相加，实现反射 电磁波波前相位exp(il Φ )的螺旋分布特性，其特征在于： 相移网络(4)由电磁超表面结构（3)和金属背板（2)组成，该金属背板位于电磁超表面 结构的背面，同时兼作接地板； 电磁超表面结构(3)由MXN个周期相同的电磁超表面反射单元(31)和介质基板(32)构 成，Μ，N ^ 21，1是轨道角动量本征模态数，取值为整数； 馈源（1)位于电磁超表面结构的中屯、轴向方向，使馈源发出的电磁波束经过相移网络 反射后，产生满旋电磁波束(5)，得到每个电磁超表面反射单元的补偿相位为：其中m=l，2，···，Μ···，Μ，，η=1，2，···，Ν···，Ν，苗。和?/分别是第m行第η列电磁超表面反射 单元中屯、相对位置和馈源中屯、相对位置，^为反射电磁波的主波束方向，脚《是第m行第η 列电磁超表面反射单元中屯、在极坐标下的方位角度值，λ为电磁波的工作波长，热"为第m行 第η列的电磁超表面反射单元的补偿相位。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于电磁超表面结构(3)采用化学腐蚀和光刻技 术，ΜΧΝ个周期相同的电磁超表面反射单元(31)印制在介质基板(32)上。3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于馈源（1)采用卿趴天线或微带天线或八木天 线。4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于每个电磁超表面反射单元(31)采用不同尺 寸的Ξ平行振子结构。5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于金属背板(2)的尺寸与电磁超表面结构的介 质基板(32)相同，且与介质基板的间距为d，其中d< λ。6. -种产生轨道角动量满旋波束的方法，包括W下步骤： (1) 选定馈源中屯、相对位置^"/、主波束指向斬、每个电磁超表面反射单元的中屯、相对位 置4。和极坐标下的方位角度值; (2) 给定工作频率f和轨道角动量本征模态1，计算每个电磁超表面反射单元所需的补 偿相位擦》:其中m=l，2,…，M…，M，，n=l，2，…，N…，N，F胃和。分别是第m行第n列电磁超表面反射 单元中屯、相对位置和馈源中屯、相对位置，I;。为反射电磁波的主波束方向，辦是第m行第η 列电磁超表面反射单元中屯、在极坐标下的方位角度值，λ为电磁波的工作波长，热"为第m行 第η列的电磁超表面反射单元的补偿相位； (3) 选取ΜΧΝ个周期相同的电磁超表面反射单元与每个补偿相位一一对应，并将它们 印制到介质基板上，形成电磁超表面结构； (4)将馈源放置在电磁超表面结构的中屯、轴向处，由馈源发出的入射波照射到电磁超 表面结构上，当入射波得到电磁超表面结构提供的补偿相位后，再经相移网络反射，产生本 征模态为1的轨道角动量满旋波束。
【专利摘要】本发明公开了一种轨道角动量涡旋波束产生装置及方法。其技术方案是：由M行N列的电磁超表面反射单元(31)和介质基板(32)构成电磁超表面结构(3)，由电磁超表面结构(3)和金属背板(2)组成相移网络(4)，金属背板(2)位于电磁超表面结构(3)的背面，同时兼作接地板。将馈源(1)放置在电磁超表面结构(3)的中心轴向处，由馈源(1)发出的入射波照射到电磁超表面结构上，当入射波得到电磁超表面结构提供的补偿相位后，再经相移网络(4)反射，产生本征模态为l的轨道角动量涡旋波束(5)。本发明解决了现有技术结构复杂、成本高、波束发散和效率低的问题，可用于通信技术中信息的发射和接收，有利于扩大通信容量。
【IPC分类】H01Q3/26
【公开号】CN105552556
【申请号】CN201510997104
【发明人】李龙, 周潇潇, 余世星, 石光明, 朱诚, 史琰
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月28日