基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器及其实现方法与流程

本发明属于新型人工电磁媒质以及无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器。

背景技术：

由于光子有涡旋，因此具有螺旋相位面和方位角分量的光束可以携带轨道角动量。这一发现使得人们对于轨道角动量的关注度不断提升。光学频段的轨道角动量模式可以被用于显微镜检查、显微操作、超分辨率成像和量子信息技术等各个方面。随后，由于轨道角动量独特的优势，越来越多的研究关注于将其应用于无线通信领域，以解决无线通信过程中现有的无法解决的问题。自2007年射频轨道角动量模式被仿真成功后，基于轨道角动量的无线通信理论体系也被建立，2012年在无线通信传输中的涡旋波首次得到实验验证。实验结果表明，携带有轨道角动量的电磁波可以在不增加带宽的前提下，提高通信容量；且不同的轨道角动量模式之间是独立的互不影响。这对于无线通信领域是十分重要的发现。

为了更好的将轨道角动量模式投入实际的应用中，如何产生携带有轨道角动量的涡旋波便成了一个热点。迄今为止，人们已经研究出多种方法产生涡旋波。其中最常用的一种是利用螺旋相位板，简单的结构和设计原理使得其在光频段和微波频段均有广泛的应用。另一种在微波频段用的比较多的方法利用相控阵天线实现涡旋波所需的相位。但这种方法需要复杂的相移网络，同时还需保证不同辐射单元之间的功率相同。当所需的轨道角动量模式数增加时，相控阵天线的尺寸也要随之增加，这就加大了设计复杂度和加工成本。最近，随着人们对新型人工电磁表面研究的深入，发现可以通过设计新型人工电磁表面的单元结构并将它们按照特定的方式排列就可以使得与新型人工电磁表面相互作用的电磁波携带轨道角动量。另外，越来越多的关注点集中于易于加工的单个谐振腔结构，如回音廊模式谐振器。这种回音廊模式通过特定的相互作用也可以产生涡旋波。还有研究发现半模基片集成波导天线同样可以产生涡旋波。这些方法各有优势但同时又有不足，比如复杂的结构，单一的轨道角动量模式以及对于轨道角动量模式的不可控性。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，该结构利用传统的共面波导传输线进行馈电，通过槽深渐变的单边褶皱带线和开口的金属地结构实现了从共面波导传输线到表面等离激元波导的高效转换，将传统单边褶皱带线传输线绕成一圈，一半在介质基底的上层，一半在介质基底的下层，两层金属结构通过一个金属过孔连接。同时，在人工表面等离激元波导的附近放置一系列圆形贴片，用于对电磁波的辐射和对传输相位的调控。电磁波经过人工表面等离激元波导和圆形贴片，被辐射到自由空间中，同时具有螺旋的相位，从而实现了涡旋波的产生。相比于已有的产生涡旋波的方法，本发明具有设计简单，易于加工、集成等优点，并且可以在不同频率下得到具有不同轨道角动量模式数的涡旋波，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。

技术方案：一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，包括介质基地及附在所述介质基地两边的金属结构，所述金属结构包括两侧的共面波导传输线部分、共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分、单边人工表面等离激元波导部分、金属过孔和圆形贴片阵列；

所述共面波导传输线馈电部分包括中心导体带线和径向分布于中心导体两侧的金属地结构；

所述过渡部分由设置于中心部位的槽深渐变的单边褶皱带线和径向分布于槽深渐变的双边褶皱带线两侧的开口的金属地结构组成；所述开口的金属地结构由共面波导传输线馈电部分的金属地结构延伸而出，相对的两条边按指数变化逐渐远离；所述槽深渐变的双边褶皱带线由中心导体带线延伸而出，均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度方向逐渐加深；

所述单边人工表面等离激元波导部分由传统单边褶皱带线表面等离激元波导的单元结构组成，所有单元结构的凹槽深度相等；

所述金属过孔连接介质基地的上层金属结构和底层金属结构；

所述圆形贴片阵列由完全一样的圆形贴片间隔一定距离沿单边人工表面等离激元波导放置。

进一步的，所述单边褶皱带线的凹槽为矩形。

进一步的，所述单边人工表面等离激元波导是平面的，并被绕成圈，一半在介质基底的上层，一半在介质基底的下层，环形人工表面等离激元波导的半径为75-85mm。

进一步的，所述单边人工表面等离激元波导是双层的，上下两层金属结构之间用金属过孔连接，金属过孔的半径为0.25-0.35mm。

进一步的，所述圆形金属贴片沿单边人工表面等离激元波导间隔一定距离放置，贴片半径为7-9mm，与人工表面等离激元波导间距为1.5-2.5mm。

进一步的，所述人工表面等离激元波导，单边褶皱带线的凹槽宽度为1.5-2.5mm，深度为3.5-4.5mm，凹槽间距为4.5-5.5mm。

本发明还提供一种所述的基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器的实现方法，利用圆形金属贴片的辐射作用和谐振作用，将人工表面等离激元波向自由空间辐射的同时，使其传输相位发生变化，以满足涡旋波所需的传输相位。

有益效果：本发明的一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，采用传统的共面波导传输线进行馈电，将传统的人工表面等离激元波导绕城环形结构，并将环形的两半分别设计在介质基板的两侧，以减少波导重叠引起的传输路径混乱；用圆形金属贴片同时实现对电磁波的辐射和对辐射相位的调控，进而实现基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器。传统的共面波导传输线阻抗设计匹配到50欧姆，便于实现最大功率传输。

所述的基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器从传统共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡采用了槽深渐变的双单边褶皱带线结构和开口的金属地结构，实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化。

所述的基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，将传统的单边褶皱带线人工表面等离激元波导绕城环形结构，并在其旁边放置圆形贴片，使得能量耦合于贴片上并被辐射向自由空间。圆形贴片同时作为圆形谐振器，对辐射电磁波的相位进行调控，从而使得在不同的频率下辐射的电磁波有不同的相位。当调控满足一定的要求时，既可以实现涡旋波的辐射。

相比于已有的微波涡旋波发生器，本发明具有设计简单，易于加工和集成，体积小，具有灵活的轨道角动量模式，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。

附图说明

图1给出了基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器的示意图。

图2给出了传单边褶皱带线单元结构的色散曲线；

图3给出了圆形贴片对于电磁波传输相位的影响；

图4给出了仿真和测试的散射参数；

图5给出了仿真和测试的近场结果——相位分布和幅度分布；

图6给出了仿真和测试的远场辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，采用传统共面波导传输线馈电方式，利用环形的人工表面等离激元波导和圆形金属贴片实现涡旋波的辐射。传统的共面波导传输线阻抗设计匹配到50欧姆，便于实现最大功率传输；所述基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器从传统共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡采用了槽深渐变的单边褶皱带线结构和开口的金属地结构，实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化。所述的基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器将传统的单边褶皱带线传输线绕成环形，加上圆形贴片对于传输相位的调控，实现涡旋波所需的螺旋相位分布。下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1给出了所述基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器的示意图，包括介质基底及附在所述介质基底两侧的金属结构，所述金属结构包括圆形金属贴片阵列5、环形的人工表面等离激元波导3、人工表面等离激元波导3两侧的共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分2、两个轴向对称设置于所述过渡部分2外侧的共面波导传输线馈电部分1；所述共面波导传输线馈电部分1包括中心导体带线1a和径向分布于中心导体两侧的金属地结构1b；所述过渡部分2由设置于中心部位的槽深渐变的单边褶皱带线2a和径向分布于槽深渐变的双边褶皱带线2a两侧的开口的金属地结构2b组成；所述金属开口地结构由共面波导传输线馈电部分的金属地结构1b延伸而出，相对的两条边按指数变化逐渐远离；所述槽深渐变的单边褶皱带线2a由中心导体带线1a延伸而出，均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度方向逐渐加深，相邻凹槽深度差为0.28mm；所述人工表面等离激元波导由传统单边褶皱带线单元结构周期平移得到，所有单元结构的凹槽深度相等。整个结构一半位于介质基板的底层，一半位于介质基板的顶层，两层金属结构之间的连接由金属过孔4实现，金属过孔的细节图也在图中单独画出。该实施例中，单元结构之间的周期为5mm。其中，1为共面波导，对所述基于人工表面等离激元的带阻滤波器进行馈电；2为共面波导到人工表面等离激元波导的过渡部分，采用槽深渐变的双边带褶皱带线2a和开口的金属地结构2b实现波数和阻抗的匹配；3为所述环形的人工表面等离激元波导；4为圆形金属贴片，一方面将能量耦合于其上并辐射向自由空间，一方面调控电磁波在传输过程中的相位值，以实现涡旋波所需的相位分布。其中，所述双边褶皱带线的凹槽为矩形。所述人工表面等离激元波导单元结构中，双边褶皱带线的凹槽宽度为2mm，深度为4mm，凹槽间距为5mm。

图2给出了传统单边褶皱带线传输线的单元结构的色散曲线。同样的单元结构在不同的频率点处具有不同的传播常数，也就是说在电磁波传输过程中，传输距离相同的条件下，在不同频率情况下会产生不同的相位变化。如果将人工表面等离激元波导绕成环形结构，则为螺旋相位的分布奠定了基础。

图3给出了圆形贴片对于电磁波传输相位的影响。当一个圆形贴片被放置于人工表面等离激元波导旁边时，会引起相位滞后。为了说明这个现象，首先考虑单个贴片放置于波导旁边的情况。输入电场E₁、输出电场E₂和循环电场E₃和E₄之间的关系可以用耦合关系式写成如下形式：

其中ρ和κ分别为自耦合系数和互耦合系数。所有因子都是独立于频率的，并且满足关系ρ²+κ²＝1。同时，循环电场E₄在通过反馈路径后将会变成E₃，即

其中α是圆形谐振器的损耗，是单循环相移，a是单循环幅度转移因子，τ是单循环传输时间，ω代表频率。从等式(1)和等式(2)可以推导出输入电场E₁和输出电场E₂之间的关系如下：

因此，由一个圆形谐振器引入的相位滞后及可通过Φ＝arg(t)计算得到。也就是说最终的辐射场相位分布是由人工表面等离激元波导和圆形谐振器共同决定的。如果电磁波经过环形的人工表面等离激元波导之后的相移为2π的l倍，则说明辐射电磁波携带的轨道角动量模式数为l。

为了更直观的说明圆形谐振器带来的相位滞后，假定单循环幅度转移因子为1。那么在不同的自耦合系数条件下，一个圆形谐振器带来的相位滞后如图3(b)所示。可以注意到，无论自耦合系数是多少，单循环相移的最大值和最小值之间的差值总是2π。也就是说只要保证圆形谐振器的单循环相移为2π，加上谐振器之后的相位变化总为2π。这个结论对于设计微波涡旋波发生器是十分重要的。

结合图2，我们还可以推测出不同轨道角动量模式数对应的谐振频率。以中心频率6GHz为例，从图2中可以算得在该频率条件下的传播常数为194.7，对应的波导波长为32mm。即环形人工表面等离激元波导的长度为波导波长的15倍，电磁波经过环形人工表面等离激元后的相移为2π的15倍。从等式(3)我们知道每经过一个圆形谐振器就会有2π的相位滞后，在本设计中，一共有15个圆形贴片，即有15个2π的相位滞后。人工表面等离激元带来的15倍2π的相移在经过15个圆形贴片的相位滞后后，整体相移为0。也就是说在6GHz情况下的轨道角动量模式数为0。同理，如果期望得到轨道角动量模式数为1的涡旋波，则需要人工表面等离激元提供16倍2π的相移。根据传播常数和相移的关系，可以发现在6.3GHz时，人工表面等离激元提供的相移为2π的16倍，这时总体相移为2π，轨道角动量模式数为1。同样的，6.5GHz时的轨道角动量模式数为2。另外，当人工表面等离激元提供的相移小于圆形谐振器带来的相位滞后，则会得到负的轨道角动量模式数。5.8GHz时，人工表面等离激元引入的相移是2π的14倍，即轨道角动量模式数为-1。5.5GHz时，轨道角动量模式数为-2。

图4给出了仿真和测试的散射参数。可以看到在整个辐射频率范围内反射系数均小于-10dB，意味着完美的阻抗匹配。从图4(b)可以清楚的看到对应不同轨道角动量模式数的谐振频率点。实验和仿真的结果非常吻合。根据这两种结果，可以推测所述结构的辐射效率是非常高的，大部分能量都被辐射到自由空间中了。

图5给出了仿真和测试的近场结果，分别为幅度分布和相位分布。其中(a)-(e)是仿真的幅度分布结果，(f)-(j)为测试得到的幅度分布，(k)-(o)为仿真的相位分布结果，(p)-(t)为测试得到的相位分布。仿真由商业软件CST进行，由于电脑资源的限制，观察平面设置于所述结构上方500mm(中心频率波长的10倍)处，面积大小为370mm*370mm。实验在近场测试系统中完成，近场测试系统由一个固定的平台和一个连接于矢量网络分析仪的位置可以控制移动的探针组成。探针放置在所述结构上方600mm处，测试面积大小为370mm*370mm，这个测试面覆盖了主要的辐射范围。实验结果和仿真结果非常吻合，我们可以在5.5GHz、5.8GHz、6.0GHz、6.3GHz和6.6GHz频率处分别得到轨道角动量模式数为-2、-1、0、1、2的涡旋波。从近场测试结果已经可以推测出远场辐射方向图的样子。

图6给出了仿真和测试的远场辐射方向图。在设计的中心频率6GHz处，可以看到一个普通波束的辐射，这时候的轨道角动量模式数为0。在其余频率时，均可以得到一个中空的波束，这也是涡旋波应有的波束形状。可以看到远场方向图有些微的不完美，这主要是由于在辐射的过程中，不同的贴片耦合到的电磁波能量不一样，即会导致辐射强度在一圈范围内不一致。同时，还应注意到仿真的辐射方向图和测试的结果中，刻度是不一样的。这是由于该实验得到的三维方向图是直接由测试系统根据测试数据反演得到的，不能随意调整刻苦。而在仿真结果中，刻度被调整以突出辐射的波束特性。

综上所述，本发明提供了一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，利用环形人工表面等离激元波导和一些列圆形金属贴片实现电磁波的辐射和对辐射相位的调控，从而实现涡旋波的辐射。并具有设计简单，易于加工和集成，体积小，具有灵活的轨道角动量模式，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。

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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。