[发明专利]一种双极化轨道角动量态复用超表面的设计方法

说明书

本发明公开了一种双极化轨道角动量态复用超表面的设计方法，属于电磁领域；具体是首先，设计双极化反射超表面的各向异性单元，仿真单元结构，建立单元结构尺寸与反射相位的对应关系；然后，针对一束双极化电磁波设计超表面，将入射波调制成涡旋电磁波，并偏转至垂直于超表面的方向，计算超表面反射相位需要满足的条件；基于此，针对不同入射角的多束双极化电磁波，将其同时调制成涡旋电磁波，并偏转至垂直于超表面的同一方向，计算实现同轴输出时超表面的反射相位需要满足的条件；最后，设定多束电磁波的入射方向，结合超表面各个单元的相位分布情况进行建模，得到所述双极化轨道角动量态复用超表面进行验证。本发明单元结构简单，功能容易实现。

技术领域

本发明属于电磁领域，涉及微波射频技术，具体是一种双极化轨道角动量态复用超表面的设计方法。

背景技术

随着互联网和智能终端的兴起，移动通信的业务需求急剧增长，对无线通信系统的数据传输速率、传输延迟和吞吐量等指标的要求也不断提高。然而，低频段优质的频谱资源十分有限，仅通过划分新频谱已经难以满足通信的新需求。目前，紧缺的频谱资源使得现有的无线通信技术无法满足社会发展的需要，因此在微波毫米波频段深入挖掘无线通信技术的潜力对新一代通信系统的发展具有重要意义。

目前，基于电磁波的频谱和相位等维度以扩大信息容量的方法已经得到较为充分的开发和利用。因此，为了解决频谱资源紧缺的问题，人们急需寻找一种新的物理维度，以满足在有限的频谱资源内实现通信容量呈数量级增长的需求。在这一需求引领下，携带有轨道角动量的涡旋电磁波应运而生。

电磁波的角动量分为自旋角动量和轨道角动量两种。其中，电磁波的自旋角动量表征电磁波的极化方式，而轨道角动量则表征电磁波的相位空间分布。与平面波不同，携带有轨道角动量的电磁波具有螺旋的波前，其螺旋状相位波前与其复振幅中存在相位因子有关，其中为旋转方位角，l为轨道角动量的模态阶数，又称轨道角动量的拓扑荷值。理论上，l可以取正无穷到负无穷的任意值，且不同模态的轨道角动量波束相互独立正交。因此，携带有轨道角动量的电磁波可以成为除频率、幅度和极化等属性之外的一个新的复用维度，以解决频谱资源紧缺的问题，进一步提升通信系统的性能。

用于产生携有轨道角动量的电磁波的方式有很多，主要包括使用螺旋相位板、赋形抛物面天线、环形天线阵列、平面集成天线和超表面天线等。但是，在实现电磁波轨道角动量态复用上仍有着很大的限制。比如，螺旋相位板和赋形抛物面天线只能产生一种固定模态的涡旋电磁波。因此，这两种方法难以同时产生多种模态的涡旋电磁波，难以实现电磁波轨道角动量态的复用。另外，环形天线阵列和平面集成天线的阵元数及馈电网络复杂且成本高昂，限制了它们实现电磁波轨道角动量复用的轨道角动量模态数量。相对于其他方法，超表面天线不需要复杂的馈电结构，具有更简单的结构和更高的灵活性。超表面天线具有能够对入射电磁波的振幅、相位、偏振方向等属性进行灵活调控的能力。因此，通过对超表面单元进行特殊的设计和排布，就可以对入射波前进行灵活的相位控制，将平面波转化为携带有轨道角动量的电磁波。但在微波频段电磁波轨道角动量复用的应用中，目前的产生方式还不能同时产生同轴传输的携带多模态轨道角动量的电磁波。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种对不同方向入射的双极化电磁波同时进行调制，使其转换成携带不同模态轨道角动量的电磁波并同轴反射输出的方法，实现双极化轨道角动量态的复用。基于这一设计，本发明完成了一种双极化轨道角动量态复用超表面的设计方法。该超表面可以对选定的四个不同方向入射的双线极化电磁波同时进行调制，产生相互正交的携带轨道角动量的八束电磁波，并垂直于超表面同轴反射出去。该超表面具有结构简单、制作方便、电磁波调制能力强以及轨道角动量复用能力强等优势，对进一步提高信道容量具有重要的意义。

所述的双极化轨道角动量态复用超表面的设计方法，步骤如下：

步骤一、基于HFSS仿真软件，设计双极化反射超表面的单元，建立单元结构尺寸与反射相位的对应关系；

所述的单元为由金属与介质组成的各向异性单元；