本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种涡旋电磁波模态变换装置。
背景技术：
目前，业内常用的现有技术是这样的：随着无线通信技术的高速发展，无线通信系统所分配的频谱变得异常拥挤，频谱资源贫乏的问题日益严重，已成为无线移动通信与服务应用持续发展的瓶颈。为缓解频谱资源与日益增长的无线业务需求之间的矛盾，认知无线电技术应运而生。但瑞典空间物理研究所bothide教授等人另辟蹊径，通过实验将一束电磁波扭曲成一束涡旋电磁波，并提出了利用涡旋电磁波用于增大无线通信容量的设想。利用电磁波的轨道角动量即通过扭曲电磁波，可大幅提升无线通信的容量。在通常情况下，同一频率只能传输一路信息。而在此，他们通过对电磁波的不同轨道角动量进行编码，即使在现实环境中，也可实现同一频率传输多路信息，这就有可能大幅度提升现有的无线通信容量。理论上，即使在不使用偏振或密集编码技术的情况下，这项新的无线通信技术也可在某一固定频带范围内实现无限多的信道传输，这对解决日益突出的无线通信频谱拥挤问题提供了一个全新的解决思路。近些年，携带轨道角动量的涡旋电磁波在许多领域得到了广泛的应用与研究，但在毫米波、微波频段的实验至今还没有一个很理想的实验链路模型。在涡旋电磁波的产生方面，主要有反射螺旋面结构、透射光栅结构、透射螺旋结构以及螺旋抛物面天线等。但是这几种天线一旦被制造定型，就只能产生单一模态的涡旋电磁波，应用的范围十分有限。
综上所述，现有技术存在的问题是：天线一旦被制造定型，就只能产生单一模态的涡旋电磁波，如若基站需要发射多个不同模态的涡旋电磁波，就需要使用对应模态数量的天线，浪费资源且工作繁琐。
解决上述技术问题的难度和意义：如若一个天线可以产生多个模态的涡旋电磁波，这将极大减少基站的发射天线数量，省去更换天线的时间，提高数据的发射速率。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种涡旋电磁波模态变换装置。
本发明是这样实现的，一种涡旋电磁波模态变换装置，所述涡旋电磁波模态变换装置包括电磁超表面单元、涡旋电磁波产生装置；
涡旋电磁波产生装置位于电磁超表面单元的金属板一侧，并通过支架固定在电磁超表面单元的中心轴线上；电磁超表面单元的上表面中心处为坐标原点建立笛卡尔坐标系，xoy面与电磁超表面单元的水平面平行且y与电磁超表面单元的某一边长平行，涡旋电磁波产生装置采用发射频率为10ghz的天线；天线中心与坐标原点之间距离为
进一步，所述金属板采用长方体结构，厚度为0.3mm，上表面尺寸为320×320mm；金属板之间的距离为6.64mm。
进一步，所述金属板电磁超表面单元包括依次层叠且互不接触的第一金属板、第二金属板、第三金属板、第四金属板，通过树脂支架固定。
进一步，所述第一金属板、第二金属板、第三金属板、第四金属板上蚀刻周期性排布的m×n个十字形凹槽，各行各列十字行凹槽的中心在一条与金属板上表面边长平行的轴上；第二金属板、第三金属板和第四金属板与第一金属板中十字形凹槽的排布方式、个数均相同。
进一步，所述第一金属板、第二金属板、第三金属板和第四金属板形成周期性排布的m×n个电磁超表面单元，每个单元的边长是0.533λ＝16mm，其中四个十字形凹槽的中心点均位于电磁超表面单元的中心轴上。
进一步，各电磁超表面单元中心相对位置与第一金属板上十字形凹槽中心相对位置一致，表示为：
其中，m为电磁超表面单元所在行，n为电磁超表面单元所在列，m＝1,2,…,20，n＝1,2,…,20，d为两个相邻电磁超表面单元中心的间距，
进一步，所述第一金属板、第二金属板、第三金属板和第四金属板上蚀刻的十字形凹槽的尺寸在电磁超表面单元的补偿相位ψmn满足：
其中，m为电磁超表面单元所在行，n为电磁超表面单元所在列，m＝1,2,…,m，n＝1,2,…,n，l＝1,2,…,l代表涡旋电磁波经过模态变换透镜增加的模态数，k为相位矫正，当m>m/2，n>n/2时，k＝0；当m>m/2，n<n/2时，k＝270；当m<m/2，n>n/2时，k＝90；当m<m/2，n<n/2时，k＝180。所求补偿相位ψmn位于0～2π之间，根据第m行第n列电磁超表面单元的补偿相位值ψmn绘制所有电磁超表面单元的的相位分布图。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的电磁超表面单元由四个相互层叠且互不接触的金属板组成，金属板上蚀刻有周期性排布的十字形凹槽，涡旋电磁波通过各电磁超表面单元十字形凹槽之间相互谐振产生的等效电容和电感，实现相位补偿，进而改变涡旋电磁波横截面上的相位分布，完成对涡旋电磁波模态的转换，与现有技术相比，占用空间小，结构简单，便于实现。本发明中电磁超表面单元中的相位可进行独立调整，通过改变金属板上十字形凹槽的尺寸，实现不同的相位补偿，易于调控，设计自由度大。
附图说明
图1是本发明实施例提供的涡旋电磁波模态变换装置结构示意图；
图中：1、电磁超表面单元；1-1、第一金属板；1-2、第二金属板；1-3、第三金属板；1-4、第四金属板；2、涡旋电磁波产生装置。
图2是本发明实施例提供的第一金属板的结构示意图。
图3是本发明所有电磁超表面单元的相位分布示意图。
图4是本发明中涡旋电磁波未经过电磁超表面单元时yoz平面内的相位分布示意图。
图5是本发明中涡旋电磁波经过电磁超表面单元后yoz平面内的相位分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本提出了一种涡旋电磁波模态变换装置，可以实现用一个无源的超表面实现涡旋电磁波模态的任意转换，解决现有技术只能产生单一模态的超表面的问题。
如图1所示，本发明实施例提供的涡旋电磁波模态变换装置包括：电磁超表面单元1、涡旋电磁波产生装置2。
电磁超表面单元1包括依次层叠且互不接触的第一金属板1-1、第二金属板1-2、第三金属板1-3、和第四金属板1-4，并通过树脂支架固定。第二金属板1-2、第三金属板1-3和第四金属板1-4与第一金属板中十字形凹槽的排布方式、个数均相同。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的涡旋电磁波模态转换装置包括电磁超表面单元1和涡旋电磁波产生装置2，以电磁超表面单元1的上表面中心处为坐标原点建立笛卡尔坐标系，xoy面与电磁超表面单元的水平面平行且y与电磁超表面单元的某一边长平行，涡旋电磁波产生装置采用发射频率为10ghz的天线。
电磁超表面单元1，包括依次层叠且互不接触的第一金属板1-1、第二金属板1-2、第三金属板1-3和第四金属板1-4，并通过树脂支架固定，各金属板采用长方体结构，其厚度为0.3mm，上表面尺寸为320×320mm，金属板之间的距离为6.64mm，为十字形凹槽之间的谐振提供了空间。第一金属板1-1，其结构如图2所示，其金属板上蚀刻周期性排布的20×20个十字形凹槽，各行各列十字行凹槽的中心在一条与金属板上表面边长平行的轴上，凹槽的作用是使涡旋电磁波可以通过电磁超表面单元。第二金属板1-2、第三金属板1-3和第四金属板1-4与第一金属板中十字形凹槽的排布方式、个数均相同。
本实施例中，所述第一金属板1-1、第二金属板1-2、第三金属板1-3和第四金属板1-4形成周期性排布的20×20个电磁超表面单元，各超表面单元的尺寸为16×16mm，其中四个十字形凹槽的中心点均位于所述电磁超表面单元的中心轴上，此时，各电磁超表面单元参数都相同，易于电磁超表面单元的制作。且此时各电磁超表面单元中心相对位置与第一金属板上十字形凹槽中心相对位置一致，表示为：
其中，m为所述电磁超表面单元所在行，n为所述电磁超表面单元所在列，m＝1,2,…,20，n＝1,2,…,20，d为两个相邻电磁超表面单元中心的间距，
涡旋电磁波产生装置2位于电磁超表面单元1各金属板一侧，并通过支架固定在电磁超表面单元1的中心轴线上，令天线中心与坐标原点之间距离为
第一金属板1-1、第二金属板1-2、第三金属板1-3和第四金属板1-4上蚀刻的十字形凹槽的尺寸，是在电磁超表面单元的补偿相位ψmn满足如下条件的前提下，通过仿真实验确定的，补偿相位ψmn满足：
其中，m为电磁超表面单元所在行，n为电磁超表面单元所在列，m＝1,2,…,20，n＝1,2,…,20，l＝1,2,…,l代表涡旋电磁波经过模态变换透镜增加的模态数，k为相位矫正，当m>10，n>10时，k＝0；当m>10，n<10时，k＝270；当m<10，n>10时，k＝90；当m<10，n<10时，k＝180，λ＝30mm为涡旋电磁波工作波长，所求补偿相位ψmn位于0-2π之间，根据第m行第n列电磁超表面单元的补偿相位值ψmn绘制所有电磁超表面单元的的相位分布图，如图4所示，图4中横坐标代表各电磁超表面单元在x轴上的位置，纵坐标代表各电磁超表面单元在y轴上的位置，颜色深浅代表各电磁超表面单元补偿相位的大小，在确定补偿相位以后，通过仿真实验，逐渐改变十字形凹槽的尺寸，使得十字形凹槽在某一尺寸时，仿真所得补偿相位为上述所求值，这个尺寸即为所要求的十字形凹槽的尺寸。
参照图4和图5，图4是涡旋电磁波未经过电磁超表面单元时yoz平面内的相位分布，图5是涡旋电磁波经过电磁超表面单元后yoz平面内的相位分布，比较图4和图5可以看出，图5的涡旋波束是2模态的，从而说明所述电磁超表面单元，可实现涡旋电磁波模态的转换。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。