本發(fā)明屬于新型人工電磁媒質(zhì)以及無線通信系統(tǒng)電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器。

背景技術(shù)：

由于光子有渦旋，因此具有螺旋相位面和方位角分量的光束可以攜帶軌道角動(dòng)量。這一發(fā)現(xiàn)使得人們對(duì)于軌道角動(dòng)量的關(guān)注度不斷提升。光學(xué)頻段的軌道角動(dòng)量模式可以被用于顯微鏡檢查、顯微操作、超分辨率成像和量子信息技術(shù)等各個(gè)方面。隨后，由于軌道角動(dòng)量獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，越來越多的研究關(guān)注于將其應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域，以解決無線通信過程中現(xiàn)有的無法解決的問題。自2007年射頻軌道角動(dòng)量模式被仿真成功后，基于軌道角動(dòng)量的無線通信理論體系也被建立，2012年在無線通信傳輸中的渦旋波首次得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波可以在不增加帶寬的前提下，提高通信容量；且不同的軌道角動(dòng)量模式之間是獨(dú)立的互不影響。這對(duì)于無線通信領(lǐng)域是十分重要的發(fā)現(xiàn)。

為了更好的將軌道角動(dòng)量模式投入實(shí)際的應(yīng)用中，如何產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的渦旋波便成了一個(gè)熱點(diǎn)。迄今為止，人們已經(jīng)研究出多種方法產(chǎn)生渦旋波。其中最常用的一種是利用螺旋相位板，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理使得其在光頻段和微波頻段均有廣泛的應(yīng)用。另一種在微波頻段用的比較多的方法利用相控陣天線實(shí)現(xiàn)渦旋波所需的相位。但這種方法需要復(fù)雜的相移網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還需保證不同輻射單元之間的功率相同。當(dāng)所需的軌道角動(dòng)量模式數(shù)增加時(shí)，相控陣天線的尺寸也要隨之增加，這就加大了設(shè)計(jì)復(fù)雜度和加工成本。最近，隨著人們對(duì)新型人工電磁表面研究的深入，發(fā)現(xiàn)可以通過設(shè)計(jì)新型人工電磁表面的單元結(jié)構(gòu)并將它們按照特定的方式排列就可以使得與新型人工電磁表面相互作用的電磁波攜帶軌道角動(dòng)量。另外，越來越多的關(guān)注點(diǎn)集中于易于加工的單個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)，如回音廊模式諧振器。這種回音廊模式通過特定的相互作用也可以產(chǎn)生渦旋波。還有研究發(fā)現(xiàn)半?；刹▽?dǎo)天線同樣可以產(chǎn)生渦旋波。這些方法各有優(yōu)勢(shì)但同時(shí)又有不足，比如復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，單一的軌道角動(dòng)量模式以及對(duì)于軌道角動(dòng)量模式的不可控性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器，該結(jié)構(gòu)利用傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)傳輸線進(jìn)行饋電，通過槽深漸變的單邊褶皺帶線和開口的金屬地結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了從共面波導(dǎo)傳輸線到表面等離激元波導(dǎo)的高效轉(zhuǎn)換，將傳統(tǒng)單邊褶皺帶線傳輸線繞成一圈，一半在介質(zhì)基底的上層，一半在介質(zhì)基底的下層，兩層金屬結(jié)構(gòu)通過一個(gè)金屬過孔連接。同時(shí)，在人工表面等離激元波導(dǎo)的附近放置一系列圓形貼片，用于對(duì)電磁波的輻射和對(duì)傳輸相位的調(diào)控。電磁波經(jīng)過人工表面等離激元波導(dǎo)和圓形貼片，被輻射到自由空間中，同時(shí)具有螺旋的相位，從而實(shí)現(xiàn)了渦旋波的產(chǎn)生。相比于已有的產(chǎn)生渦旋波的方法，本發(fā)明具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工、集成等優(yōu)點(diǎn)，并且可以在不同頻率下得到具有不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)的渦旋波，在未來微波和太赫茲波段的等離激元集成電路和通信系統(tǒng)中有著重要的前景。

技術(shù)方案：一種基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器，包括介質(zhì)基地及附在所述介質(zhì)基地兩邊的金屬結(jié)構(gòu)，所述金屬結(jié)構(gòu)包括兩側(cè)的共面波導(dǎo)傳輸線部分、共面波導(dǎo)傳輸線到表面等離激元波導(dǎo)的過渡部分、單邊人工表面等離激元波導(dǎo)部分、金屬過孔和圓形貼片陣列；

所述共面波導(dǎo)傳輸線饋電部分包括中心導(dǎo)體帶線和徑向分布于中心導(dǎo)體兩側(cè)的金屬地結(jié)構(gòu)；

所述過渡部分由設(shè)置于中心部位的槽深漸變的單邊褶皺帶線和徑向分布于槽深漸變的雙邊褶皺帶線兩側(cè)的開口的金屬地結(jié)構(gòu)組成；所述開口的金屬地結(jié)構(gòu)由共面波導(dǎo)傳輸線饋電部分的金屬地結(jié)構(gòu)延伸而出，相對(duì)的兩條邊按指數(shù)變化逐漸遠(yuǎn)離；所述槽深漸變的雙邊褶皺帶線由中心導(dǎo)體帶線延伸而出，均勻間隔開設(shè)有設(shè)定寬度的凹槽，所述凹槽隨著延伸長(zhǎng)度方向逐漸加深；

所述單邊人工表面等離激元波導(dǎo)部分由傳統(tǒng)單邊褶皺帶線表面等離激元波導(dǎo)的單元結(jié)構(gòu)組成，所有單元結(jié)構(gòu)的凹槽深度相等；

所述金屬過孔連接介質(zhì)基地的上層金屬結(jié)構(gòu)和底層金屬結(jié)構(gòu)；

所述圓形貼片陣列由完全一樣的圓形貼片間隔一定距離沿單邊人工表面等離激元波導(dǎo)放置。

進(jìn)一步的，所述單邊褶皺帶線的凹槽為矩形。

進(jìn)一步的，所述單邊人工表面等離激元波導(dǎo)是平面的，并被繞成圈，一半在介質(zhì)基底的上層，一半在介質(zhì)基底的下層，環(huán)形人工表面等離激元波導(dǎo)的半徑為75-85mm。

進(jìn)一步的，所述單邊人工表面等離激元波導(dǎo)是雙層的，上下兩層金屬結(jié)構(gòu)之間用金屬過孔連接，金屬過孔的半徑為0.25-0.35mm。

進(jìn)一步的，所述圓形金屬貼片沿單邊人工表面等離激元波導(dǎo)間隔一定距離放置，貼片半徑為7-9mm，與人工表面等離激元波導(dǎo)間距為1.5-2.5mm。

進(jìn)一步的，所述人工表面等離激元波導(dǎo)，單邊褶皺帶線的凹槽寬度為1.5-2.5mm，深度為3.5-4.5mm，凹槽間距為4.5-5.5mm。

本發(fā)明還提供一種所述的基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法，利用圓形金屬貼片的輻射作用和諧振作用，將人工表面等離激元波向自由空間輻射的同時(shí)，使其傳輸相位發(fā)生變化，以滿足渦旋波所需的傳輸相位。

有益效果：本發(fā)明的一種基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器，采用傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)傳輸線進(jìn)行饋電，將傳統(tǒng)的人工表面等離激元波導(dǎo)繞城環(huán)形結(jié)構(gòu)，并將環(huán)形的兩半分別設(shè)計(jì)在介質(zhì)基板的兩側(cè)，以減少波導(dǎo)重疊引起的傳輸路徑混亂；用圓形金屬貼片同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的輻射和對(duì)輻射相位的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器。傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)傳輸線阻抗設(shè)計(jì)匹配到50歐姆，便于實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

所述的基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器從傳統(tǒng)共面波導(dǎo)傳輸線到表面等離激元波導(dǎo)的過渡采用了槽深漸變的雙單邊褶皺帶線結(jié)構(gòu)和開口的金屬地結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩種波導(dǎo)之間的波數(shù)匹配和阻抗匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率傳輸最大化。

所述的基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器，將傳統(tǒng)的單邊褶皺帶線人工表面等離激元波導(dǎo)繞城環(huán)形結(jié)構(gòu)，并在其旁邊放置圓形貼片，使得能量耦合于貼片上并被輻射向自由空間。圓形貼片同時(shí)作為圓形諧振器，對(duì)輻射電磁波的相位進(jìn)行調(diào)控，從而使得在不同的頻率下輻射的電磁波有不同的相位。當(dāng)調(diào)控滿足一定的要求時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)渦旋波的輻射。

相比于已有的微波渦旋波發(fā)生器，本發(fā)明具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工和集成，體積小，具有靈活的軌道角動(dòng)量模式，在未來微波和太赫茲波段的等離激元集成電路和通信系統(tǒng)中有著重要的前景。

附圖說明

圖1給出了基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器的示意圖。

圖2給出了傳單邊褶皺帶線單元結(jié)構(gòu)的色散曲線；

圖3給出了圓形貼片對(duì)于電磁波傳輸相位的影響；

圖4給出了仿真和測(cè)試的散射參數(shù)；

圖5給出了仿真和測(cè)試的近場(chǎng)結(jié)果——相位分布和幅度分布；

圖6給出了仿真和測(cè)試的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的一種基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器，采用傳統(tǒng)共面波導(dǎo)傳輸線饋電方式，利用環(huán)形的人工表面等離激元波導(dǎo)和圓形金屬貼片實(shí)現(xiàn)渦旋波的輻射。傳統(tǒng)的共面波導(dǎo)傳輸線阻抗設(shè)計(jì)匹配到50歐姆，便于實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸；所述基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器從傳統(tǒng)共面波導(dǎo)傳輸線到表面等離激元波導(dǎo)的過渡采用了槽深漸變的單邊褶皺帶線結(jié)構(gòu)和開口的金屬地結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩種波導(dǎo)之間的波數(shù)匹配和阻抗匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率傳輸最大化。所述的基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器將傳統(tǒng)的單邊褶皺帶線傳輸線繞成環(huán)形，加上圓形貼片對(duì)于傳輸相位的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)渦旋波所需的螺旋相位分布。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1給出了所述基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器的示意圖，包括介質(zhì)基底及附在所述介質(zhì)基底兩側(cè)的金屬結(jié)構(gòu)，所述金屬結(jié)構(gòu)包括圓形金屬貼片陣列5、環(huán)形的人工表面等離激元波導(dǎo)3、人工表面等離激元波導(dǎo)3兩側(cè)的共面波導(dǎo)傳輸線到表面等離激元波導(dǎo)的過渡部分2、兩個(gè)軸向?qū)ΨQ設(shè)置于所述過渡部分2外側(cè)的共面波導(dǎo)傳輸線饋電部分1；所述共面波導(dǎo)傳輸線饋電部分1包括中心導(dǎo)體帶線1a和徑向分布于中心導(dǎo)體兩側(cè)的金屬地結(jié)構(gòu)1b；所述過渡部分2由設(shè)置于中心部位的槽深漸變的單邊褶皺帶線2a和徑向分布于槽深漸變的雙邊褶皺帶線2a兩側(cè)的開口的金屬地結(jié)構(gòu)2b組成；所述金屬開口地結(jié)構(gòu)由共面波導(dǎo)傳輸線饋電部分的金屬地結(jié)構(gòu)1b延伸而出，相對(duì)的兩條邊按指數(shù)變化逐漸遠(yuǎn)離；所述槽深漸變的單邊褶皺帶線2a由中心導(dǎo)體帶線1a延伸而出，均勻間隔開設(shè)有設(shè)定寬度的凹槽，所述凹槽隨著延伸長(zhǎng)度方向逐漸加深，相鄰凹槽深度差為0.28mm；所述人工表面等離激元波導(dǎo)由傳統(tǒng)單邊褶皺帶線單元結(jié)構(gòu)周期平移得到，所有單元結(jié)構(gòu)的凹槽深度相等。整個(gè)結(jié)構(gòu)一半位于介質(zhì)基板的底層，一半位于介質(zhì)基板的頂層，兩層金屬結(jié)構(gòu)之間的連接由金屬過孔4實(shí)現(xiàn)，金屬過孔的細(xì)節(jié)圖也在圖中單獨(dú)畫出。該實(shí)施例中，單元結(jié)構(gòu)之間的周期為5mm。其中，1為共面波導(dǎo)，對(duì)所述基于人工表面等離激元的帶阻濾波器進(jìn)行饋電；2為共面波導(dǎo)到人工表面等離激元波導(dǎo)的過渡部分，采用槽深漸變的雙邊帶褶皺帶線2a和開口的金屬地結(jié)構(gòu)2b實(shí)現(xiàn)波數(shù)和阻抗的匹配；3為所述環(huán)形的人工表面等離激元波導(dǎo)；4為圓形金屬貼片，一方面將能量耦合于其上并輻射向自由空間，一方面調(diào)控電磁波在傳輸過程中的相位值，以實(shí)現(xiàn)渦旋波所需的相位分布。其中，所述雙邊褶皺帶線的凹槽為矩形。所述人工表面等離激元波導(dǎo)單元結(jié)構(gòu)中，雙邊褶皺帶線的凹槽寬度為2mm，深度為4mm，凹槽間距為5mm。

圖2給出了傳統(tǒng)單邊褶皺帶線傳輸線的單元結(jié)構(gòu)的色散曲線。同樣的單元結(jié)構(gòu)在不同的頻率點(diǎn)處具有不同的傳播常數(shù)，也就是說在電磁波傳輸過程中，傳輸距離相同的條件下，在不同頻率情況下會(huì)產(chǎn)生不同的相位變化。如果將人工表面等離激元波導(dǎo)繞成環(huán)形結(jié)構(gòu)，則為螺旋相位的分布奠定了基礎(chǔ)。

圖3給出了圓形貼片對(duì)于電磁波傳輸相位的影響。當(dāng)一個(gè)圓形貼片被放置于人工表面等離激元波導(dǎo)旁邊時(shí)，會(huì)引起相位滯后。為了說明這個(gè)現(xiàn)象，首先考慮單個(gè)貼片放置于波導(dǎo)旁邊的情況。輸入電場(chǎng)E₁、輸出電場(chǎng)E₂和循環(huán)電場(chǎng)E₃和E₄之間的關(guān)系可以用耦合關(guān)系式寫成如下形式：

其中ρ和κ分別為自耦合系數(shù)和互耦合系數(shù)。所有因子都是獨(dú)立于頻率的，并且滿足關(guān)系ρ²+κ²＝1。同時(shí)，循環(huán)電場(chǎng)E₄在通過反饋路徑后將會(huì)變成E₃，即

其中α是圓形諧振器的損耗，是單循環(huán)相移，a是單循環(huán)幅度轉(zhuǎn)移因子，τ是單循環(huán)傳輸時(shí)間，ω代表頻率。從等式(1)和等式(2)可以推導(dǎo)出輸入電場(chǎng)E₁和輸出電場(chǎng)E₂之間的關(guān)系如下：

因此，由一個(gè)圓形諧振器引入的相位滯后及可通過Φ＝arg(t)計(jì)算得到。也就是說最終的輻射場(chǎng)相位分布是由人工表面等離激元波導(dǎo)和圓形諧振器共同決定的。如果電磁波經(jīng)過環(huán)形的人工表面等離激元波導(dǎo)之后的相移為2π的l倍，則說明輻射電磁波攜帶的軌道角動(dòng)量模式數(shù)為l。

為了更直觀的說明圓形諧振器帶來的相位滯后，假定單循環(huán)幅度轉(zhuǎn)移因子為1。那么在不同的自耦合系數(shù)條件下，一個(gè)圓形諧振器帶來的相位滯后如圖3(b)所示?？梢宰⒁獾剑瑹o論自耦合系數(shù)是多少，單循環(huán)相移的最大值和最小值之間的差值總是2π。也就是說只要保證圓形諧振器的單循環(huán)相移為2π，加上諧振器之后的相位變化總為2π。這個(gè)結(jié)論對(duì)于設(shè)計(jì)微波渦旋波發(fā)生器是十分重要的。

結(jié)合圖2，我們還可以推測(cè)出不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振頻率。以中心頻率6GHz為例，從圖2中可以算得在該頻率條件下的傳播常數(shù)為194.7，對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)為32mm。即環(huán)形人工表面等離激元波導(dǎo)的長(zhǎng)度為波導(dǎo)波長(zhǎng)的15倍，電磁波經(jīng)過環(huán)形人工表面等離激元后的相移為2π的15倍。從等式(3)我們知道每經(jīng)過一個(gè)圓形諧振器就會(huì)有2π的相位滯后，在本設(shè)計(jì)中，一共有15個(gè)圓形貼片，即有15個(gè)2π的相位滯后。人工表面等離激元帶來的15倍2π的相移在經(jīng)過15個(gè)圓形貼片的相位滯后后，整體相移為0。也就是說在6GHz情況下的軌道角動(dòng)量模式數(shù)為0。同理，如果期望得到軌道角動(dòng)量模式數(shù)為1的渦旋波，則需要人工表面等離激元提供16倍2π的相移。根據(jù)傳播常數(shù)和相移的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)在6.3GHz時(shí)，人工表面等離激元提供的相移為2π的16倍，這時(shí)總體相移為2π，軌道角動(dòng)量模式數(shù)為1。同樣的，6.5GHz時(shí)的軌道角動(dòng)量模式數(shù)為2。另外，當(dāng)人工表面等離激元提供的相移小于圓形諧振器帶來的相位滯后，則會(huì)得到負(fù)的軌道角動(dòng)量模式數(shù)。5.8GHz時(shí)，人工表面等離激元引入的相移是2π的14倍，即軌道角動(dòng)量模式數(shù)為-1。5.5GHz時(shí)，軌道角動(dòng)量模式數(shù)為-2。

圖4給出了仿真和測(cè)試的散射參數(shù)?？梢钥吹皆谡麄€(gè)輻射頻率范圍內(nèi)反射系數(shù)均小于-10dB，意味著完美的阻抗匹配。從圖4(b)可以清楚的看到對(duì)應(yīng)不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)的諧振頻率點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果非常吻合。根據(jù)這兩種結(jié)果，可以推測(cè)所述結(jié)構(gòu)的輻射效率是非常高的，大部分能量都被輻射到自由空間中了。

圖5給出了仿真和測(cè)試的近場(chǎng)結(jié)果，分別為幅度分布和相位分布。其中(a)-(e)是仿真的幅度分布結(jié)果，(f)-(j)為測(cè)試得到的幅度分布，(k)-(o)為仿真的相位分布結(jié)果，(p)-(t)為測(cè)試得到的相位分布。仿真由商業(yè)軟件CST進(jìn)行，由于電腦資源的限制，觀察平面設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)上方500mm(中心頻率波長(zhǎng)的10倍)處，面積大小為370mm*370mm。實(shí)驗(yàn)在近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)中完成，近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)由一個(gè)固定的平臺(tái)和一個(gè)連接于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的位置可以控制移動(dòng)的探針組成。探針放置在所述結(jié)構(gòu)上方600mm處，測(cè)試面積大小為370mm*370mm，這個(gè)測(cè)試面覆蓋了主要的輻射范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果非常吻合，我們可以在5.5GHz、5.8GHz、6.0GHz、6.3GHz和6.6GHz頻率處分別得到軌道角動(dòng)量模式數(shù)為-2、-1、0、1、2的渦旋波。從近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果已經(jīng)可以推測(cè)出遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖的樣子。

圖6給出了仿真和測(cè)試的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。在設(shè)計(jì)的中心頻率6GHz處，可以看到一個(gè)普通波束的輻射，這時(shí)候的軌道角動(dòng)量模式數(shù)為0。在其余頻率時(shí)，均可以得到一個(gè)中空的波束，這也是渦旋波應(yīng)有的波束形狀?？梢钥吹竭h(yuǎn)場(chǎng)方向圖有些微的不完美，這主要是由于在輻射的過程中，不同的貼片耦合到的電磁波能量不一樣，即會(huì)導(dǎo)致輻射強(qiáng)度在一圈范圍內(nèi)不一致。同時(shí)，還應(yīng)注意到仿真的輻射方向圖和測(cè)試的結(jié)果中，刻度是不一樣的。這是由于該實(shí)驗(yàn)得到的三維方向圖是直接由測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)反演得到的，不能隨意調(diào)整刻苦。而在仿真結(jié)果中，刻度被調(diào)整以突出輻射的波束特性。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于人工表面等離激元的微波渦旋波發(fā)生器，利用環(huán)形人工表面等離激元波導(dǎo)和一些列圓形金屬貼片實(shí)現(xiàn)電磁波的輻射和對(duì)輻射相位的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)渦旋波的輻射。并具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工和集成，體積小，具有靈活的軌道角動(dòng)量模式，在未來微波和太赫茲波段的等離激元集成電路和通信系統(tǒng)中有著重要的前景。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。