【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及電磁功能材料領(lǐng)域，具體涉及一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面及其構(gòu)建方法。
技術(shù)介紹
1、近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及生產(chǎn)生活方式變革，人類社會(huì)對(duì)于通信的需求與日俱增。雖然世界各國(guó)正相繼進(jìn)入5g甚至b5g時(shí)代，大規(guī)模mimo、非正交多址接入等一系列技術(shù)極大地提高了資源利用率，擴(kuò)展了通信系統(tǒng)容量，但伴隨傳統(tǒng)的空、時(shí)、碼、頻資源逐步耗盡，現(xiàn)有通信系統(tǒng)將面臨空前的壓力。以頻率資源為例，由于高頻波段蘊(yùn)含豐富的帶寬資源，人們?cè)絹?lái)越傾向于通過(guò)提高載波頻率以擴(kuò)展信道容量。然而，高頻電磁波，特別是太赫茲波、可見(jiàn)光等，所固有的物理特性，諸如空間損耗大、繞射能力差、色散現(xiàn)象顯著等，給無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。如果能夠在傳統(tǒng)的空、時(shí)、碼、頻資源之外找到新的可用資源，則可以在現(xiàn)有頻段基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)通信容量的提升，從而能夠緩解目前通信資源緊張的窘?jīng)r。在這一背景下，人們發(fā)現(xiàn)可以利用攜帶有軌道角動(dòng)量的渦旋電磁波達(dá)成上述目標(biāo)。
2、電磁波所攜帶的角動(dòng)量可以分為自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量，其中自旋角動(dòng)量用以表征電磁波的極化方式，軌道角動(dòng)量則用來(lái)表征電磁波的空間相位分布。根據(jù)電磁學(xué)理論，攜帶有軌道角動(dòng)量的渦旋波空間相位分布可以通過(guò)exp(ilθ)項(xiàng)加以描述，其中l(wèi)表示拓?fù)浜桑@決定了軌道角動(dòng)量的大小，θ表示旋轉(zhuǎn)方位角。對(duì)于自由空間中傳播的渦旋波而言，其傳播橫截面相位分布呈現(xiàn)出帶有中心奇點(diǎn)的螺旋形狀。軌道角動(dòng)量首先于上個(gè)世紀(jì)九十年代被觀測(cè)到存在于螺旋相位光束，此后的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，單個(gè)光子可以攜帶的軌道角動(dòng)量大小為(這里表示約化普朗
3、目前，研究人員已通過(guò)大量研究探索了基于零階拉蓋爾-高斯渦旋波束的通信方案(包括產(chǎn)生、傳輸、接收等環(huán)節(jié))，并且完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。然而，這種波束所固有的缺陷在于其攜帶的軌道角動(dòng)量會(huì)影響波束半徑的大小，隨著拓?fù)浜蓴?shù)的增加，波束半徑會(huì)越來(lái)越大。這樣的現(xiàn)象給接收天線設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大麻煩，使得難以通過(guò)固定尺寸天線做到對(duì)不同軌道角動(dòng)量模式信號(hào)的同時(shí)接收，空間利用率低下。而使用完美渦旋則可以有效地解決這一問(wèn)題。
4、完美渦旋波束是一種特殊形式的電磁波。理想情況下，完美渦旋波束在一定區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為一個(gè)攜帶渦旋相位的亮環(huán)，并且其半徑保持恒定，與所攜帶軌道角動(dòng)量無(wú)關(guān)。而在非理想狀況下，也可以通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)，使得完美渦旋半徑保持基本一致。完美渦旋的存在首次被發(fā)現(xiàn)于2013年，最早提出這一概念的一個(gè)重要原因是為了解決多個(gè)軌道角動(dòng)量模式渦旋波高效耦合至光纖的問(wèn)題。截止目前，關(guān)于完美渦旋的研究幾乎全部集中在光學(xué)或太赫茲領(lǐng)域，若將其推廣至微波領(lǐng)域，則可以用來(lái)解決前述渦旋波發(fā)散的問(wèn)題，給接收天線設(shè)計(jì)帶來(lái)簡(jiǎn)化。此外，傳統(tǒng)的完美渦旋發(fā)生裝置設(shè)計(jì)大多基于復(fù)雜的光學(xué)設(shè)備，笨重而功能單一。相比于這些方案，利用超表面設(shè)計(jì)的完美渦旋天線具有更好的集成度以及靈活性，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值顯著。通過(guò)設(shè)計(jì)表面單元的尺寸與排布方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波幅度、相位、極化方式等特性的任意調(diào)控，從而產(chǎn)生完美渦旋。在微波軌道角動(dòng)量復(fù)用通信領(lǐng)域中，目前，還沒(méi)有一項(xiàng)研究提出微波段單板同軸多路復(fù)用的完美渦旋超表面的設(shè)計(jì)方案。
5、由于無(wú)線通信的需求增加，通信領(lǐng)域中微波軌道角動(dòng)量復(fù)用技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)，攜帶有軌道角動(dòng)量的微波渦旋電磁波可用于無(wú)線通信，可使用超表面生成用于通信的完美微波渦旋，而如何利用超表面單元在寬頻帶實(shí)現(xiàn)大范圍的反射波相位調(diào)控性能，以生成單板同軸多路復(fù)用的完美微波渦旋，是本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的一個(gè)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本專利技術(shù)提供一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面及其構(gòu)建方法，利用超表面單元在寬頻帶實(shí)現(xiàn)大范圍的反射波相位調(diào)控性能，以生成單板同軸多路復(fù)用的完美微波渦旋。
2、本專利技術(shù)的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面，包括：
3、襯底，為一正多面體結(jié)構(gòu)，具有一定厚度。
4、地板，設(shè)置在襯底下表面。
5、貼片，設(shè)置在襯底上表面，包括正交設(shè)置在襯底中心的十字形結(jié)構(gòu)和設(shè)置在十字形結(jié)構(gòu)四邊的長(zhǎng)條貼片，四個(gè)長(zhǎng)條貼片之間不接觸；十字形貼片的四個(gè)頂點(diǎn)設(shè)置有垂直于該方向的短條貼片。
6、優(yōu)選的，襯底為正六面體結(jié)構(gòu)，采用f4b材質(zhì)。
7、優(yōu)選的，地板與貼片均為金屬材質(zhì)。
8、本專利技術(shù)除了提供一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面外，還進(jìn)一步提供一種上述微波完美渦旋超表面的構(gòu)建方法，具體步驟如下：
9、步驟1、根據(jù)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)超表面單元尺寸規(guī)格，利用建模軟件進(jìn)行超表面建模；
10、步驟2、采用四路不同方向的雙極化電磁波入射，計(jì)算超表面反射相位；
11、步驟3、采用貝塞爾-高斯波束的傅里葉變換方案產(chǎn)生完美渦旋；
12、步驟4、根據(jù)四路入射雙極化平面波參數(shù)計(jì)算復(fù)用后的超表面相位條件；
13、步驟5、確定超表面規(guī)格，完成雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的模型構(gòu)建；
14、步驟6、在設(shè)定焦平面位置處建立觀察平面模型，并分別使用空氣盒子包裹超表面以及觀察平面，仿真結(jié)束后，八路完美渦旋的幅度以及相位分布情況顯示與觀察平面上。
15、優(yōu)選的，步驟1中，超表面工作頻段為15ghz，利用hfss建模軟件完成超表面建模，即單層“耶路撒冷十字”型單元建模。
16、優(yōu)選的，步驟2中，超表面反射相位的計(jì)算方法如下：
17、以正交十字貼片的交點(diǎn)為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，設(shè)定四路入射電磁波的傳播方向均在xoz或yoz平面內(nèi)，在球坐標(biāo)系下，其角取值分別為0°、90°、180°、270°，對(duì)廣義斯涅爾定律進(jìn)行離散處理后可得任意一路電磁波所需要的超表面攜帶的反射相位。
18、優(yōu)選的，步驟3中，產(chǎn)生完美渦旋的步驟如下：
19、利用超表面對(duì)電磁波的相位調(diào)制作用實(shí)現(xiàn)到螺旋相位板、軸棱錐和透鏡的所有功能，通過(guò)相位疊加實(shí)現(xiàn)功能上的復(fù)合，記螺旋相位板對(duì)應(yīng)的分布為φs，軸棱錐對(duì)應(yīng)的相位分布為φa，透鏡對(duì)應(yīng)的相位分布為φl(shuí)，根據(jù)上述信息計(jì)算產(chǎn)生一路完美渦旋所需要的相位條件：
20、
21、φa＝krsinα
22、
23、式中，l表示完美渦旋的拓?fù)浜桑琸表示真空中波數(shù)，r表示超表面所在平面的極坐標(biāo)半徑，tanα＝r/f，r代表完美渦旋的設(shè)定半徑，f為透鏡焦距；
24、根據(jù)相位疊加原則可得：
25、ψ＝φs+φa+φl(shuí)
26、利用相位分布ψ可調(diào)節(jié)垂直出射的高斯波束，從而產(chǎn)生攜帶軌道角動(dòng)量模式l的微波完美渦旋。
27、優(yōu)選的，步驟4中，八路復(fù)用微波完美渦旋超表面的相位分布如下：
28、
29、
30、式中，上標(biāo)x,y表示兩種不同的極化方式。...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面，其特征在于：所述超表面包括：
2.如權(quán)利要求1所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面，其特征在于：所述襯底(1)為正六面體結(jié)構(gòu)，采用F4B材質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面，其特征在于：所述地板(2)與所述貼片(3)均為金屬材質(zhì)。
4.一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的構(gòu)建方法，其特征在于：所述方法用于構(gòu)建權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的超表面，具體步驟如下：
5.如權(quán)利要求4所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟1中，超表面工作頻段為15GHz，利用HFSS建模軟件完成超表面建模，即單層“耶路撒冷十字”型單元建模。
6.如權(quán)利要求5所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟2中，超表面反射相位的計(jì)算方法如下：
7.如權(quán)利要求6所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟3中，產(chǎn)生完美渦旋的步驟如下：
8.如權(quán)利要求7所述的一
9.如權(quán)利要求8所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟5中，依據(jù)步驟1的計(jì)算結(jié)果建立單元S11參數(shù)相位和“耶路撒冷十字”尺寸的映射關(guān)系，并根據(jù)步驟4得到的總相位分布公式給出每一個(gè)單元需要實(shí)現(xiàn)的調(diào)制相位；基于上述映射關(guān)系，找出每一個(gè)單元所需要調(diào)制相位對(duì)應(yīng)的尺寸信息來(lái)調(diào)整單元形狀；將這些單元組合在一起，在HFSS軟件中完成雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的模型設(shè)計(jì)。
10.如權(quán)利要求9所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟6中，設(shè)定焦平面位置處建立觀察平面模型時(shí)，激勵(lì)方式選擇平面波激勵(lì)，邊界條件選擇FEBI邊界。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面，其特征在于：所述超表面包括：
2.如權(quán)利要求1所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面，其特征在于：所述襯底(1)為正六面體結(jié)構(gòu)，采用f4b材質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面，其特征在于：所述地板(2)與所述貼片(3)均為金屬材質(zhì)。
4.一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的構(gòu)建方法，其特征在于：所述方法用于構(gòu)建權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的超表面，具體步驟如下：
5.如權(quán)利要求4所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟1中，超表面工作頻段為15ghz，利用hfss建模軟件完成超表面建模，即單層“耶路撒冷十字”型單元建模。
6.如權(quán)利要求5所述的一種雙極化多路復(fù)用微波完美渦旋超表面的構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟2中，超表面反射相位的計(jì)算方法如下：
7.如權(quán)利要求6所述的一...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：謝偉，肖龍，陳立杰，姚庚江，楊愷喬，鄧力，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
還沒(méi)有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。