基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法技术

本发明专利技术采用新型的一比特透射式超材料单元，通过算法控制透镜上单元的编码分布，可生成不同模态的电磁涡旋波束，解决了现有的涡旋波透镜在单一工作频率下只能生成单一模态涡旋波束的问题。该超材料单元的特点是在其结构中集成两个PIN二极管，通过施加两种不同的偏置电压，可以使数字编码单元的透射相位呈现180度相位差，相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”。该透镜共包含20×20＝400个一比特透射编码单元，每个编码单元均包括交替排列的4层金属结构和3层介质层。与现有技术相比，本发明专利技术具有损耗小、传输稳定性高、成本低、易加工和集成度高等诸多优点；同时，借助该新型超材料的电磁调控功能，还可有效改善涡旋电磁波的波束发散问题。

Lens and method for generating multimode vortex electromagnetic wave based on one bit transmission digital coding metamaterial

The invention adopts a novel one-bit transmission type metamaterial unit, and generates electromagnetic vortex beams of different modes by controlling the coding distribution of the units on the lens through an algorithm, thus solving the problem that the existing vortex wave lenses can only generate single mode vortex beams at a single operating frequency. The characteristic of the metamaterial unit is that two PIN diodes are integrated into its structure. By applying two different bias voltages, the transmission phase of the digital encoding unit can present 180 degree phase difference, and the phase state can be used to characterize the digital \1\ and the digital \0\ respectively. The lens consists of 20*20=400 one-bit transmission encoding units, each encoding unit consists of alternately arranged four-layer metal structure and three-layer dielectric layer. Compared with the prior art, the present invention has many advantages, such as low loss, high transmission stability, low cost, easy processing and high integration, etc. At the same time, the beam divergence problem of vortex electromagnetic wave can be effectively improved by the electromagnetic control function of the new metamaterial.

【技术实现步骤摘要】
基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法第一章
本专利技术涉及天线
，特别涉及一种生成多模涡旋电磁波的透镜及方法，尤其涉及一种基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法。第二章技术背景随着科学技术日新月异的发展，无线通信不断向着大带宽、高速率的方向前进，然而，空间中的频谱资源是有限的，如何更合理的利用频谱资源，提高频谱利用率和通信速率，成为当今无线通信领域的一个研究热点；另一方面，当前高科技隐身装备层出不穷，对新的探测理论与技术的研究也变得尤为迫切。含有轨道角动量的涡旋电磁波以螺旋状的等相位面传播，自身带有角度的信息维度，且具有彼此独立的多拓扑荷特性，在提高通信容量和雷达探测性能等方面有望实现全新的突破。目前，微波频段涡旋电磁波的产生方法主要包含环形阵列天线法和准光学的平面波转换法两种。其中，环形阵列法通过给天线单元馈入不同的相位来生成涡旋波束，其显著优点就是，在不改变阵列天线结构的前提下，只改变加载在阵元上信号的相位就可以实现不同模式涡旋电磁波的发射，但需要引入大量的移相器和复杂的控制网络，系统的复杂度和成本极高。而常用的准光学方法多采用介质螺旋相位板和螺旋反射面生成涡旋电磁波，它们都源自于涡旋光束的产生方法，直接应用于微波频段时都存在着尺寸大、质量重、加工难等缺点。正是在这样的背景下，基于超材料和超表面的平面透镜被引入到电磁涡旋波束天线的设计中，相对于传统的光学相位板，超材料平面透镜具有结构简单、体积较小等优点；然而，现有技术的超材料涡旋波透镜在单一工作频率下只能生成单一模态的涡旋波束，无法实现涡旋电磁波的多模复用，给实际应用带来很大的制约。基于以上背景，本专利技术给出了一种基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法，该新型数字编码超材料透镜由特殊设计的一比特透射式超材料单元构成，通过施加两种不同的偏置电压，就可以使得超材料单元的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”，通过控制超材料透镜上单元的编码分布，就可以生成不同模态的电磁涡旋波束。本专利技术所采用的新型数字式超材料多模涡旋波透镜，具有损耗小、传输稳定性高、成本低、易加工和灵活度高等诸多优点；同时，借助该新型超材料的电磁调控功能，还可有效改善涡旋电磁波的波束发散问题。第三章
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜及方法，目的是为了解决现有超材料涡旋波透镜在单一工作频率下只能生成单一模态涡旋波束的问题。该新型数字编码超材料透镜由特殊设计的一比特透射式超材料单元所构成，在单元结构中集成了两个二极管，通过施加两种不同的偏置电压，就可以使得透射式超材料单元的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”；通过施加特定的偏置电压来控制超材料透镜上单元的编码分布，就可以生成不同模态的电磁涡旋波束。详细技术方案如下：涡旋电磁波的电场表达式为：其中，l为所生成涡旋电磁波对应的轨道角动量模态，是方位角。在涡旋电磁波的传播过程中，垂直于波束轴心的平面不再是一个等相位面，在该平面内绕光轴旋转一周的相位延迟量为Δ＝2πl，故可以通过控制入射波在不同方位角上的相位时延来获得涡旋电磁波。本专利技术所述的基于一比特透射式数字编码超材料的新型多模涡旋波透镜，共包含20×20＝400个一比特编码超材料单元(3)，馈源(1)位于新型数字编码超材料透镜(2)的中心轴线方向上，对应于超材料透镜(2)上任意一个超材料单元(3)的补偿相位即为δ1＝l·arctan(y/x)，其中，x和y为超材料单元(3)相对于超材料透镜(2)中心的横坐标与纵坐标。同时，为了补偿电磁波从馈源(1)到超材料透镜(2)上不同单元间的路径差，提高发射波束增益，还需要加入相位补偿量其中，F为馈源(1)到超材料透镜(2)的垂直距离，λ为入射波的波长。从而得到，超材料透镜(2)上任意一个超材料单元(3)的补偿相位为：将补偿相位δ进行一比特量化可得到量化相位δq：其中，相位量化态δq＝0对应于数码“0”，相位量化态δq＝π对应于数码“1”。这样，馈源(1)所产生的线极化入射波，经过一比特透射式超材料单元(3)时，按照量化相位δq的计算公式进行一比特编码调制，通过控制超材料透镜(2)上超材料单元(3)的编码分布，即可生成不同模态的电磁涡旋波束。本专利技术所述的基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜采用了新型的一比特透射式数字编码超材料单元(3)，超材料单元(3)结构由交替排列的4层金属结构和3层介质层组成，由上至下依次为：PIN二极管Ⅰ(301)、PIN二极管Ⅱ(302)、发射层金属贴片(303)、接地过孔(304)、上层介质基板(305)、中心金属化连接孔(306)、金属地板(307)、半固化粘结片(308)、偏置层(309)、下层介质基板(310)、金属化偏置连接孔(311)、接收层金属贴片(312)。其中，发射层金属贴片(303)为加载“O”型槽的椭圆贴片，接收层金属贴片(312)为加载“U”型槽的椭圆贴片，两者通过超材料单元(3)中心的金属化连接孔(306)相连接；发射层金属贴片(303)通过接地过孔(304)与金属地板(307)相连接，接收层金属贴片(312)通过金属化偏置连接孔(311)与偏置层(309)相连接；发射层金属贴片(303)上集成有PIN二极管Ⅰ(301)和PIN二极管Ⅱ(302)，通过施加两种不同的偏置电压，可以使得超材料单元(3)的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“1”和数码“0”；偏置层(309)上包含了两个对称放置的串联“月牙形”分布电容和曲折线分布电感，其主要作用是提高射频信号与偏置直流之间的隔离度；单元的上层介质基板(305)和下层介质基板(310)厚度为h＝1.524mm，相对介电常数为εr＝3.48，半固化粘结片(308)的厚度为h＝0.1016mm，相对介电常数为εr'＝3.38。所述超材料透镜(2)中的超材料单元(3)排列宽度大于馈源(1)的波束宽度。与现有技术相比，本专利技术利用数字编码超材料对入射波的调控能力，实现将入射球面波转变为高增益的多模电磁涡旋波束。具有如下的有益效果：1、与传统生成多模涡旋电磁波的环形阵列相比，本专利技术所涉及的基于透射式数字编码超材料的新型多模涡旋波透镜，无需复杂的馈电及控制网络，整体结构非常简洁，便于运输及收藏；2、本专利技术简化了传统采用等效媒质参数分析超材料涡旋波透镜的方法，从数字编码的角度实现对涡旋电磁波模态的精确调控，方法简洁，设计简单；3、本专利技术实现了在同一工作频率和同一透镜口面上生成具有较高增益的多模电磁涡旋波束，解决了传统涡旋波透镜上无法生成多种模式涡旋波束的问题；4、本专利技术所涉及的透射式数字编码超材料透镜，采用常规的PCB工艺，易于加工，便于量产，并具有厚度小、成本低和集成度高等优点。第四章附图说明图1是本专利技术给出的基于一比特透射式数字编码超材料的新型多模涡旋波透镜之结构示意图。图2(a)是本专利技术中新型一比特透射式数字编码超材料单元之结构爆炸示意图。图2(b)是本专利技术中新型一比特透射式数字编码超材料单元之发射层椭圆形金属贴片结构尺寸图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜，其特征在于，所述超材料透镜(2)由一比特透射式数字编码超材料单元(3)组成，所述超材料单元(3)由发射层金属贴片(303)、上层介质基板(305)、金属地板(307)、半固化粘结片(308)、偏置层(309)、下层介质基板(310)、接收层金属贴片(312)依次排列组成；其中，发射层金属贴片(303)和接收层金属贴片(312)通过两者超材料单元(3)中心的金属化连接孔(306)相连接；发射层金属贴片(303)通过接地过孔(304)与金属地板(307)相连接，接收层金属贴片(312)通过金属化偏置连接孔(311)与偏置层(309)相连接。

【技术特征摘要】
1.基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜，其特征在于，所述超材料透镜(2)由一比特透射式数字编码超材料单元(3)组成，所述超材料单元(3)由发射层金属贴片(303)、上层介质基板(305)、金属地板(307)、半固化粘结片(308)、偏置层(309)、下层介质基板(310)、接收层金属贴片(312)依次排列组成；其中，发射层金属贴片(303)和接收层金属贴片(312)通过两者超材料单元(3)中心的金属化连接孔(306)相连接；发射层金属贴片(303)通过接地过孔(304)与金属地板(307)相连接，接收层金属贴片(312)通过金属化偏置连接孔(311)与偏置层(309)相连接。2.根据权利要求1所述的基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜，其特征在于，所述发射层金属贴片(303)上集成有PIN二极管Ⅰ(301)和PIN二极管Ⅱ(302)。3.根据权利要求2所述的基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜，其特征在于，所述偏置层(309)上包含两个对称放置的串联“月牙形”分布电容和曲折线分布电感。4.根据权利要求3所述的基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜，其特征在于，所述发射层金属贴片(303)为加载“O”型槽的椭圆贴片，所述接收层金属贴片(312)为加载“U”型槽的椭圆贴片。5.根据权利要求4所述的基于一比特透射式数字编码超材料生成多模涡旋电磁波的透镜，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：白旭东，孔凡伟，孙运涛，胡鹏程，颜卫忠，钱婧怡，吕艳亭，
申请(专利权)人：上海航天电子有限公司，上海科学仪器厂，
类型：发明
国别省市：上海,31