能產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種能產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板設(shè)計(jì)方法。目前產(chǎn)生攜帶軌道角動(dòng)量微波波束的旋轉(zhuǎn)相位板在設(shè)計(jì)中只考慮了在不同方位角上產(chǎn)生不同的相移。這種旋轉(zhuǎn)相位板對(duì)入射波反射大，降低了發(fā)射效率，并且影響了軌道角動(dòng)量波束的波束質(zhì)量和完整性，使波束畸變。本發(fā)明在原有的理論基礎(chǔ)上，利用傳輸線理論設(shè)計(jì)了一種空間阻抗匹配、反射率極低的可產(chǎn)生攜帶軌道角動(dòng)量微波波束的旋轉(zhuǎn)相位板。本發(fā)明繼承了使用旋轉(zhuǎn)相位板產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的原理簡(jiǎn)單、制造成本低等特點(diǎn)，又因?yàn)榭梢砸詷O低的反射率調(diào)制空間波束，提高了發(fā)射效率，提升了波束質(zhì)量和完整性，減小了波束畸變。
【專利說(shuō)明】能產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及產(chǎn)生攜帶軌道角動(dòng)量波束領(lǐng)域，尤其涉及一種產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的 極低反射率的旋轉(zhuǎn)相位板設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今的通信系統(tǒng)面臨著諸多挑戰(zhàn)，頻譜與電磁波極化資源正逐漸耗盡。為了提高 通信速率，即便是應(yīng)用了高密度編碼和信道共享技術(shù)，仍然不能從根本上解決這一問(wèn)題。一 種能夠高效率提高頻譜效率的方法已經(jīng)被提出。攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波通信得到了諸 多關(guān)注。電磁波攜帶有自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量。自旋角動(dòng)量的表征是電磁波的極化，即 線極化和圓極化。所以利用電磁波自旋角動(dòng)量的信道復(fù)用，復(fù)用數(shù)量是有限的。然而，軌道 角動(dòng)量的模式理論上是無(wú)限多的。這一理論基礎(chǔ)為利用電磁波軌道角動(dòng)量提升通信頻譜利 用率提供了很好發(fā)展前景。
[0003] 有多種方案可以產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波：使用天線陣列可以產(chǎn)生攜帶有 軌道角動(dòng)量的電磁波，這種方式理論和技術(shù)基礎(chǔ)完備，可以比較容易的組建系統(tǒng)。但是，復(fù) 雜的天線陣列移相饋電網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)增加了成本和技術(shù)難題。此外，使用賦形螺旋拋物面天 線也可以產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波，這種方式可以利用現(xiàn)有的天線結(jié)構(gòu)。但是如何 利用賦形螺旋拋物面天線復(fù)用和解復(fù)用仍然是一個(gè)問(wèn)題。而在光頻段內(nèi)普遍使用的全息板 方法，由于高損耗和低效率的問(wèn)題，在微波頻段內(nèi)并不適用。
[0004] 旋轉(zhuǎn)相位板作為一種普遍用于光頻和微波頻段內(nèi)來(lái)產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量波束 的方法，近些年得到了廣泛的研究，并且演變出了多種結(jié)構(gòu)和方法。其中平滑旋轉(zhuǎn)相位板、 階梯旋轉(zhuǎn)相位板、鉆孔平面旋轉(zhuǎn)相位板、超表面旋轉(zhuǎn)相位板在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 然而，由于介質(zhì)材料的原因，不同結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)相位板都會(huì)產(chǎn)生不同程度的反射，這一反射會(huì) 導(dǎo)致發(fā)射效率降低、軌道角動(dòng)量波束畸變、通信質(zhì)量下降等問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種利用傳輸線理論、空間阻抗匹配方法設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)相位 板，從而以極低反射率產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束。
[0006] 本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取技術(shù)方案為： 本發(fā)明方法是通過(guò)在介質(zhì)材料上設(shè)計(jì)直徑不同且遠(yuǎn)小于入射波波長(zhǎng)的通孔，來(lái)改變材 料的等效介電常數(shù)；根據(jù)波束沿方位角周期性變化的相移關(guān)系，調(diào)整不同方位角處材料的 厚度及通孔大小以改變透射相位。利用這一方法，在滿足空間滿足方位角渦旋相移的基礎(chǔ) 上，達(dá)到阻抗匹配，大幅降低反射率。
[0007] 利用上述設(shè)計(jì)方法所制作而成的旋轉(zhuǎn)相位板，可以在極低反射率的條件下，產(chǎn)生 攜帶有軌道角動(dòng)量的波束。對(duì)饋源天線進(jìn)行饋電，饋源天線產(chǎn)生的電磁波入射到極低反射 率旋轉(zhuǎn)相位板，對(duì)于不同方位角，極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板的透射波相移不同，可以產(chǎn)生周期 性的渦旋相位變化，透射波束攜帶有軌道角動(dòng)量。同時(shí)，又因?yàn)樽杩蛊ヅ?，反射率極低，理論 上不會(huì)產(chǎn)生反射。
[0008] 本發(fā)明的有益效果：經(jīng)過(guò)傳輸線理論分析、空間阻抗匹配設(shè)計(jì)的極低反射率旋轉(zhuǎn) 相位板可以產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的微波波束。極低的反射率不但可以降低反射，提高效 率，同時(shí)還可以減小軌道角動(dòng)量波束的畸變。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板組成單元； 圖2極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板組成單元傳輸線模型； 圖3極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板； 圖4極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板與普通旋轉(zhuǎn)相位板反射率對(duì)比； 圖5透射波截面旋轉(zhuǎn)相位分布。

【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述： 極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板是由如圖1所示的單元組成的。單元外形為長(zhǎng)方體，a為正方 形橫截面邊長(zhǎng)，且遠(yuǎn)小于真空中的波長(zhǎng)。d為前后正方形表面距離，即單元厚度。從單元前 表面到后表面設(shè)計(jì)通孔，以改變介質(zhì)的等效介電常數(shù)。以圓孔為例，半徑為r，調(diào)節(jié)d與r的 大小可以改變透射波相位從而符合阻抗匹配的條件。
[0011] 圖2為極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板組成單元的傳輸線模型，Ztl為空氣的特征阻抗，L 為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，Ze為介質(zhì)特征阻抗。為滿足阻抗匹配條件，達(dá)到極低反射率，傳輸線 模型需要滿足下列公式：

【權(quán)利要求】
1. 能產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板設(shè)計(jì)方法，其特征在于： 在介質(zhì)材料上，設(shè)計(jì)直徑不同且遠(yuǎn)小于入射波波長(zhǎng)的通孔，來(lái)改變材料的等效介電常 數(shù)；根據(jù)波束沿方位角周期性變化的相移關(guān)系，調(diào)整不同方位角處材料的厚度及通孔大小 改變透射相位，在滿足空間方位角渦旋相移的基礎(chǔ)上，達(dá)到阻抗匹配，大幅降低反射率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：每個(gè)方位角處的材料由多個(gè)基本單 元構(gòu)成，每個(gè)基本單元為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體的截面為正方形，正方形的邊長(zhǎng)遠(yuǎn)小于電磁波在真 空中的波長(zhǎng)，設(shè)長(zhǎng)方體的厚度為d，其通孔為圓孔，半徑為r，則該基本單元的傳輸線模型阻 抗匹配時(shí)滿足：
其中為電磁波在真空中的波長(zhǎng)，~為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)； 利用這一基本單元組成極低反射率的旋轉(zhuǎn)相位板，基本單元的厚度需要滿足：
其中7為軌道角動(dòng)量的模態(tài)，N為極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板分割的階梯總數(shù)，dm為第m階 的基本單元厚度，Cl1為第一階的基本單元厚度。
3. 利用權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法來(lái)形成的旋轉(zhuǎn)相位板，可以在極低反射率的條件 下，產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的波束，其特征在于：對(duì)饋源天線進(jìn)行饋電，饋源天線產(chǎn)生的電 磁波入射到極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板，對(duì)于不同方位角，極低反射率旋轉(zhuǎn)相位板的透射波相 移不同，可以產(chǎn)生周期性的渦旋相位變化，透射波束攜帶有軌道角動(dòng)量。
【文檔編號(hào)】H01P1/18GK104319434SQ201410539014
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】回曉楠, 鄭史烈, 章獻(xiàn)民, 金曉峰, 池灝 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)