一種基于COMSOL的SPP頻域建模研究

西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 李丙宏 祁云平

螺旋相位板（SPP）是應(yīng)用于光鑷、光通信、量子信息傳輸、超分辨成像等領(lǐng)域的用于產(chǎn)生渦旋電磁波的裝置，它在RFID領(lǐng)域的應(yīng)用幾乎為零。因此本文對幾何相差為π / 2的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真模擬，得到了比較細(xì)致的電場模。

引言：隨著現(xiàn)代通信技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，高性能的射頻識別（RFID）系統(tǒng)被物聯(lián)網(wǎng)所廣泛吸納，電磁散射相關(guān)的研究逐漸成為業(yè)界研究的重點。2017年9月Harting推出了可識別列車的RFID天線。2018年7月Feig推出了一款可跟蹤人員及資產(chǎn)等的RFID讀取器。可見作為RFID的信息傳輸?shù)闹苯訁⑴c者——RFID天線所起的作用不容小覷。由于螺旋電磁波攜帶有軌道角動量而體現(xiàn)出的新的自由度，所以具備超越現(xiàn)有成熟應(yīng)用的新特點。產(chǎn)生螺旋電磁波的裝置，比較常見的就是螺旋相位板（SPP），它可以分為反射型和透射型兩種。透射型SPP比較典型，它可產(chǎn)生攜帶有軌道角動量（OAM）的準(zhǔn)貝賽爾波束。

一般情況下，計算機無法直接繪制出模型產(chǎn)生的螺旋電磁波，但我們可以通過模型計算的電場模來與貝塞爾函數(shù)的波形作比較。同時也可以參考光學(xué)螺旋相位板。

圖1

1.建模

建立如圖1幾何結(jié)構(gòu)：

模型尺寸：外圍底面半徑r=5mm，實體高h(yuǎn)=3mm，單元相差π/2（圖1-a）；中間饋電部分：直徑1mm；高度2mm（圖1-b）。

建立較為理想的幾何結(jié)構(gòu)單元，需要考慮以下幾個方面：散射性能，排列方式，參數(shù)敏感性及計算單元的匹配性。SPP可近似處理為電容和電感復(fù)合的等效電路。

SPP使用的材料屬性為：

表1

將整個SPP的螺旋面及饋電面設(shè)置為完美電導(dǎo)體，中心軸線附近符合傍軸條件。對于邊界采用邊界模式分析，擴(kuò)散至全場有：

其中常數(shù)與表-1對應(yīng)。匹配阻抗50Ω。

2.物理場設(shè)定及計算

使用電磁波頻域（emw），計算過程將幾何非線性計算剔除。

圖2 完美電導(dǎo)體

圖3 散射邊界區(qū)域

圖4 傳輸線

圖5吸收邊界

完美電導(dǎo)體如圖2，方程為：

散射邊界如圖3，方程為：

傳輸線如圖4，方程為：

吸收邊界如圖5，方程為：

基函數(shù)模型采用文獻(xiàn)[3]的形式，最終輸入范圍在1--30GHz的隨機波頻率的電磁波經(jīng)約束計算后，饋電中心區(qū)域的電場模如圖6。電場模隨頻率的變化如圖7。

圖6

圖7

3.結(jié)論

該模型可在5GHz--30GHz之間產(chǎn)生有約束的電場模。