基于雙極化編碼超表面生成的雙模式軌道角動(dòng)量*

韓俊杰 錢思賢 朱傳名 黃志祥? 任信鋼 程光尚

1) (安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院,合肥 230601)

2) (安徽大學(xué),信息材料與智能感知安徽省實(shí)驗(yàn)室,合肥 230601)

本文提出了一個(gè)超薄的4-bit 雙極化編碼超表面,通過正交線極化波的獨(dú)立操控來實(shí)現(xiàn)雙模式渦旋波束的生成.提出的超表面從頂至下依次由“H”形的金屬貼片、介質(zhì)基板層和金屬接地層組成.為了證明所提出的概念,設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)編碼超表面.制造的編碼超表面,在正交線極化波的入射下被設(shè)計(jì)為攜帶不同拓?fù)浜傻臏u旋波束,工作中心頻率為24.0 GHz.實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,理論設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果吻合,從而證實(shí)了所提出的4-bit 雙極化編碼超表面具有生成雙模式渦旋波束的能力.這種超薄雙模式渦旋生成器有著廣泛的應(yīng)用前景,特別是在圖像和微波領(lǐng)域的無線通信系統(tǒng)中.

1 引言

角動(dòng)量作為電磁波的一種自然性質(zhì),于1992 年被發(fā)現(xiàn)[1],其包括自旋角動(dòng)量(spin angular momentum,SAM)和軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum,OAM).與SAM 相比,載波OAM 具有渦旋相位 e xp(ilθ) ,其中l(wèi)是拓?fù)潆姾?θ是方位角.拓?fù)潆姾蒷可以取任何整數(shù)值,它們相互正交且獨(dú)立.因此,為了實(shí)現(xiàn)高頻譜效率和通信容量[2,3],不同OAM 的渦旋波束已應(yīng)用于粒子操控、信息傳輸、光學(xué)成像、光刻技術(shù)和量子通信等領(lǐng)域[4-9].Thidé等[2]首次于2007 年提出渦旋波束可以由相控陣天線產(chǎn)生,敲開了將OAM 應(yīng)用在射頻領(lǐng)域的大門.在2011 年,Tamburini 等[3]在實(shí)驗(yàn)室中生成和檢測了渦旋波束,確認(rèn)了渦旋波束用于無線通信的可行性和有效性.2012 年,Tamburini 等[10]提出了一種基于OAM 的無線通信系統(tǒng),通訊距離為442 m,此后OAM 渦旋波束進(jìn)一步應(yīng)用于毫米波領(lǐng)域.

需要指出的是,早期OAM 渦旋波束的產(chǎn)生和調(diào)控主要為渦旋相位板[3]、反射型渦旋拋物面天線[11]、全息衍射波柵[12]、以及天線陣列[2,13]等.然而這些電磁器件都具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜和難以集成化等缺點(diǎn),很大程度上限制了其發(fā)展應(yīng)用.為了克服傳統(tǒng)器件產(chǎn)生OAM 渦旋波束的缺點(diǎn),研究人員將重心放在了超表面上.超表面能在亞波長尺度內(nèi)靈活調(diào)控波的各種屬性,為OAM 渦旋波束的生成、調(diào)控系統(tǒng)的小型化和集成化提供了重要解決方案.隨著信息技術(shù)的發(fā)展,渦旋波束被應(yīng)用于復(fù)用通信,利用攜帶OAM 渦旋波束的無線維度特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高維度OAM 復(fù)用通信系統(tǒng),突破了頻譜資源潰乏的限制.為了在同一器件上實(shí)現(xiàn)不同功能,雙功能和多功能編碼超表面被提出并進(jìn)行了驗(yàn)證.一般而言,對(duì)于OAM 模式的多路復(fù)用有幾種常見技術(shù),如多頻帶[14]、方向[15]和極化[16]等[17,18].2018 年,Meng 等[14]提出了用于產(chǎn)生雙波束的雙波段反射陣列,以承載在不同頻帶運(yùn)行的兩種不同OAM 拓?fù)潆姾?同年,Meng[15]提出了一種各向異性超表面,用于在不同方向上產(chǎn)生具有不同OAM 模式的多波束天線.2016 年,Yu 等[16]提出了一種反射型超表面,可以產(chǎn)生雙極化和雙模式的OAM 渦旋波束.然而,基板和金屬地面之間的空氣層設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)安裝和集成的難度.盡管其可以產(chǎn)生渦旋波束[19-21],但其制造的器件大都剖面高、成本高和較難與現(xiàn)代設(shè)備集成,且大都只能實(shí)現(xiàn)低級(jí)別的OAM態(tài)的控制和調(diào)節(jié).

本文基于此設(shè)計(jì)了一種由正交極化控制的4-bit雙極化編碼超表面,可生成由低階到高階OAM渦旋波束.該結(jié)構(gòu)具有效率高、厚度超薄、使用單層襯底且和金屬地面之間沒有空氣間隙,在制造、安裝和集成方面具有更多優(yōu)勢.需要指出,4-bit 雙極化編碼超表面可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的OAM 態(tài)的控制和調(diào)節(jié),從而可以實(shí)現(xiàn)更高維度的編碼和信息傳輸.相比之下,低比特編碼超表面只能實(shí)現(xiàn)低級(jí)別的OAM 態(tài)的控制和調(diào)節(jié),限制了編碼和信息傳輸?shù)木S度和復(fù)雜度.因此,所設(shè)計(jì)的4-bit 編碼超表面具有更高的電磁波控制自由度和更靈活的調(diào)節(jié)能力,可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的OAM 態(tài)的控制和調(diào)節(jié),從而具有更大的優(yōu)勢和潛力.所提出的單元和超表面的設(shè)計(jì)方法可以擴(kuò)展到更高的頻率,例如毫米波、太赫茲和可見波頻率區(qū)域,也可以應(yīng)用于透射型超表面.

2 理論分析

針對(duì)反射型相位超表面的特點(diǎn),圖1(a)為對(duì)應(yīng)的示意圖,由圖案層、中間介質(zhì)層和底層金屬地板組成,中間介質(zhì)層的介電常數(shù)磁導(dǎo)率分別為ε2和μ2.同時(shí)將各層中沿正方向和反方向的電場分量分別表示為Ai和Bi,超表面等效導(dǎo)納為Ys,對(duì)應(yīng)的邊界條件可由(1)式表示:

圖1 (a) 反射型超表面等效電路模型;(b) 亞波長結(jié)構(gòu)及等效電路模型Fig.1.Schematic of the equivalent circuit for (a) reflective metasurface and (b) subwavelength structure.

其中,Y1,Y2分別為入射介質(zhì)和出射介質(zhì)的等效導(dǎo)納為介質(zhì)層的導(dǎo)納1/377 S 為自由空間的導(dǎo)納.當(dāng)電磁波從自由空間入射時(shí),由Y1=Y0,對(duì)應(yīng)的超表面的反射相位由(2)式表述:

其中,k為介質(zhì)層的波矢,d為中間介質(zhì)層的厚度.為了對(duì)反射式超表面相位調(diào)控原理進(jìn)行進(jìn)一步解析,下面對(duì)“H”形超表面單元結(jié)構(gòu)分析.圖1(b)為其對(duì)應(yīng)的單元結(jié)構(gòu)頂部視圖,由頂至下分別對(duì)應(yīng)超表面圖案層、中間介質(zhì)層、金屬地板層.當(dāng)x極化的電磁波沿-z方向垂直入射到超表面,由等效電路理論,在“H”的兩個(gè)金屬橫臂之間形成等效電容C和L,由此可將該結(jié)構(gòu)等效為并聯(lián)LC 電路,對(duì)應(yīng)的表面阻抗可表示為Zxs.而當(dāng)電場方向?yàn)閥方向時(shí),同理有Zys.因此可通過改變“H”形結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)而改變超表面的等效阻抗Zs.值得一提的是,由于金屬反射面的存在,這種反射式超表面在改變結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的過程中,其反射電磁波的振幅基本不變.在金屬損耗可忽略的情況下,反射效率接近100%.

3 單元結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果與分析

雙極化相對(duì)于單極化編碼超表面而言,由于組成超表面的每個(gè)單元結(jié)構(gòu)都需在x和y極化波入射下表現(xiàn)獨(dú)立的反射相位響應(yīng),因此其主要由各向同性和各向異性兩類單元結(jié)構(gòu)組成.各向異性編碼超表面的反射系數(shù)可由張量表示如下:

在一組相互正交的x和y極化波入射下,(3)式中為各向異性編碼單元(i,j)的反射系數(shù),如果式則表示各向同性編碼單元的反射系數(shù).圖2(a)中的“H”形單元結(jié)構(gòu),可由如下4 個(gè)參數(shù)表示,即高度h1和h2,寬度w1和w2.在x和y極化波入射下,通過調(diào)節(jié)上述4 個(gè)參數(shù)可以獲得預(yù)期的反射相位.值得注意的是,圖2(a)單元周期p=5 mm,背面采用全金屬覆蓋,其反射幅度全都接近100%.該單元的介質(zhì)層選用F4 B(εr=2.65,tanδ=0.001),厚度d=0.4 mm,“H”形銅貼片(電導(dǎo)率為 5.96×107S/m)層和反射層的厚度t均為0.018 mm,如圖2(b)所示.

圖2 (a)單元結(jié)構(gòu)的頂部視圖;(b)單元結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖;(c)單元“1/0”在不同極化下的反射相位和幅度Fig.2.(a) Top view of unit structure;(b) side view of unit structure;(c) reflection phase and amplitude of unit “1/0”under different polarizations.

各向同性單元可以看作“H”形結(jié)構(gòu)參數(shù)取特定值時(shí)的等效,即可將其金屬圖案設(shè)為邊長為a的正方形.通過在三維電磁仿真軟件CST 中建立模型,調(diào)控模型的幾何參數(shù),即可在不同極化電磁波入射下,得到所需的反射相位.在CST 中設(shè)置工作頻率為24 GHz 后,仿真優(yōu)化所設(shè)計(jì)的單元,不難獲得由“1/0”組成的雙極化編碼單元的幾何參數(shù).既有,w1=1 mm,h1=3.39 mm,w2=4.95 mm,h2=2.5 mm,符號(hào)“/”前后項(xiàng)數(shù)值分別表示x極化和y極化下的二進(jìn)制數(shù)字態(tài).

圖2(c)中的兩類曲線分別代表雙極化單元“1/0”,在不同極化電磁波入射下的反射相位和幅度,符號(hào)“P”和“R”分別表示反射相位和幅度.從圖2(c)可以看出在24 GHz 時(shí),數(shù)字態(tài)“1”可由x極化下的反射相位178°表示,數(shù)字態(tài)“0”可由y極化下的反射相位0°表示,正交極化下相位近似差為180°,幅度值接近1,因此可定義編碼單元的數(shù)字態(tài)為“1/0”.既而,由“0/1”組成的雙極化單元只需將“1/0”單元結(jié)構(gòu)沿z軸正時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即可獲得.同上可得,由“1/1”和“0/0”組成的各向同性編碼單元結(jié)構(gòu)的幾何尺寸分別對(duì)應(yīng)a=3.23 mm 和a=5 mm.既而,可由上述4 種單元結(jié)構(gòu)組成1-bit 雙極化編碼超表面.

同理優(yōu)化可得,由16 種單元結(jié)構(gòu)組成的2-bit雙極化編碼超表面,如圖3 所示.圖3 中的12 個(gè)各向異性單元結(jié)構(gòu)中的半數(shù)(沿對(duì)角線的上半部分或下半部分)是通過另一半旋轉(zhuǎn)90°獲得,表1 為2-bit 雙極化編碼超表面單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù).依此規(guī)律,同理可通過優(yōu)化獲得更高比特雙極化編碼超表面的4n種單元結(jié)構(gòu),其中n為比特位數(shù).當(dāng)n取4 時(shí),即可獲得由256 種基本單元結(jié)構(gòu)組成的4-bit 雙極化編碼超表面,如圖4 所示.值得注意的是,當(dāng)w1=0,w2=h1=h2=a時(shí),各向異性單元將等效為各向同性單元,其反射相位隨單元尺寸a變化,如圖5 所示.

表1 2-bit 雙極化編碼超表面單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),符號(hào)“/”后的數(shù)字代表不同的數(shù)字態(tài)Table 1. Geometric parameters of 2-bit dual-polarization coding metasurface unit structure,where the number following the symbol “/” represents different digital states.

圖3 由16 個(gè)基本單元結(jié)構(gòu)組成的2-bit 雙極化編碼超表面Fig.3.The structure consists of 16 basic units composed of 2-bit dual-polarization coding metasurface.

圖4 由256 個(gè)基本單元結(jié)構(gòu)組成的4-bit 雙極化編碼超表面Fig.4.The structure consists of 256 basic units composed of 4-bit dual-polarization coding metasurface.

圖5 由16 個(gè)各向同性單元結(jié)構(gòu)尺寸組成的4-bit 離散反射相位曲線Fig.5.A 4-bit discrete reflection phase curve composed of 16 isotropic unit structures of various sizes.

為了實(shí)現(xiàn)雙模式渦旋波束,本文設(shè)計(jì)了不同功能的完整結(jié)構(gòu),為了簡要表示編碼序列,本文將二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)字,即4-bit 編碼0000—1111 對(duì)應(yīng)0—15,相鄰數(shù)字態(tài)相位差為22.5°.

4 匯聚形渦旋波束的相位補(bǔ)償和生成

目前的平面波饋源復(fù)雜且制造成本高,本文選擇普通波導(dǎo)作為雙極化編碼超表面饋源.為了實(shí)現(xiàn)平面波的遠(yuǎn)場模擬,需要使用平面波相位補(bǔ)償方法.球面波轉(zhuǎn)換為平面波的精確補(bǔ)償相位可計(jì)算如下:

式中,φith是iith單元所需補(bǔ)償?shù)南辔?Rith是球面波的相位中心到雙極化編碼超表面上第i個(gè)單元的距離;D是超表面單邊的物理長度;φcenter是雙極化編碼超表面中心的參考相位,設(shè)置為60°.

在實(shí)際應(yīng)用中,本文還需進(jìn)一步結(jié)合所設(shè)計(jì)的單元對(duì)(4)式進(jìn)行模糊相位近似,合理劃分相位區(qū)間.可由如下公式計(jì)算:

式中,本文將整個(gè)區(qū)間等間距劃分為16 個(gè)區(qū)間,對(duì)應(yīng)于4-bit 編碼單元在x或y偏振下的16 種編碼狀態(tài)和φith分別對(duì)應(yīng)ith單元上的近似相位和精確相位.值得一提的是,本文所設(shè)計(jì)的高比特編碼單元相比于低比特編碼單元而言,相位覆蓋面更加連續(xù),模糊相位近似所產(chǎn)生的相位誤差可忽略不計(jì).因此很大程度上為高性能渦旋波的產(chǎn)生創(chuàng)建了有利條件.

為實(shí)現(xiàn)雙模渦旋波束生成器,本文可以利用所提出的“H”形單元由正交線偏振獨(dú)立控制這一特性.匯聚形渦旋波束陣列上每個(gè)單元的補(bǔ)償相位φ,在理論上可由如下公式計(jì)算:

其中,λ是自由空間中的波長,L是OAM 的拓?fù)浜?可取任意整數(shù),F是焦距,即饋源到陣列中心的距離,設(shè)置為0.8D,D是編碼陣列單邊的物理長度,(x,y)是編碼陣列對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo).

超表面可用不同比特的相位劃分來制作具有OAM 的波束.這些不同比特的相位劃分會(huì)影響OAM 器件產(chǎn)生波束的純度和場特性.在相位劃分方面,1-bit 編碼是最簡單的方式.這種構(gòu)造方式可以實(shí)現(xiàn)OAM 拓?fù)浜蔀檎麛?shù)的波束,如±1,±2,±3等.但由于二進(jìn)制碼的數(shù)量有限,因此低比特構(gòu)造的OAM 器件可能會(huì)導(dǎo)致波束的純度降低,產(chǎn)生其他非預(yù)期的波束模式.為了驗(yàn)證使用不同比特構(gòu)造的OAM 器件在性能方面的區(qū)別,本文分別使用1-bit和4-bit 編碼單元構(gòu)造了編碼陣列A1 和A2,可實(shí)現(xiàn)拓?fù)浜蔀? 階的OAM 波束.完整的編碼陣列A1,A2 由24×24 個(gè)單元構(gòu)成,對(duì)應(yīng)的物理尺寸是120 mm×120 mm.

從圖6(c),(d)的仿真結(jié)果可知,4-bit 構(gòu)造的OAM 器件相較于1-bit 而言,其對(duì)應(yīng)的幅值分布更加均勻,呈現(xiàn)甜甜圈狀,其對(duì)應(yīng)的兩條逆時(shí)針螺旋相位曲線分布更加連續(xù),且其在增益方面也提升了2 dBi.因此表明了多比特構(gòu)造的OAM 器件更容易生成穩(wěn)定模態(tài)的渦旋波束,并且可利用其去制造高精度和高增益類型的器件.為了驗(yàn)證多比特構(gòu)造的OAM 器件對(duì)其純度方面的影響,本文又給出了2 階模式純度譜進(jìn)行對(duì)比分析.從圖6(e)的仿真對(duì)比結(jié)果表明,4-bit 構(gòu)造的OAM 器件可一定程度抑制非預(yù)期的波束模式產(chǎn)生并提高其對(duì)應(yīng)的模式純度.

圖6 (a),(b) 攜帶拓?fù)浜蒐 為2,利用1-bit 和4-bit 構(gòu)造的離散編碼相位分布;(c),(d) 拓?fù)浜蒐 為2 的二維渦旋散射曲線圖,及其近場對(duì)應(yīng)的幅值和相位;(e) 不同bit 構(gòu)造的2 階OAM 譜分布對(duì)比圖Fig.6.(a),(b) Discrete encoded phase distributions with topological charge L=2,constructed using 1-bit and 4-bit encoding schemes,respectively;(c),(d) two-dimensional far-field scattering patterns of the L=2 vortex beams;(e) comparison of 2nd-order orbital angular momentum spectra constructed using different bit encoding.

為了驗(yàn)證所提出的雙模渦旋波束的性能,本文使用4-bit 編碼單元構(gòu)建了編碼陣列M1 和M2 和M3.完整的編碼陣列M1,M2 和M3 由41×41 個(gè)單元構(gòu)成,對(duì)應(yīng)的物理尺寸是205 mm×205 mm.拓?fù)浜蒐在M1,M2 和M3 上被設(shè)置為L=1,2 和L=3,4 和L=5,6 分別對(duì)應(yīng)于x極化波和y極化波入射時(shí).由(6)式在Matlab 計(jì)算得到,由低階到高階拓?fù)浜傻南辔环植家妶D7(a)—(f).值得一提的是,圖7(a)—(f)中的相位分布是由所設(shè)計(jì)的16 種編碼狀態(tài)量化得到的,相鄰編碼態(tài)相位差22.5°.為了實(shí)驗(yàn)證實(shí)本文提出的偏振復(fù)用渦旋波束生成器件,本文首先采用傳統(tǒng)的喇叭作為饋源在CST 中進(jìn)行仿真驗(yàn)證.饋源喇叭的相位中心距離超表面中心距離z=164 mm.在仿真中,x和y方向采用開放輻射邊界條件,z方向應(yīng)用開放和添加空間邊界條件.圖7(g),(i),(k)和圖7(h),(j),(l)分別顯示了在x極化波和y極化波入射時(shí)攜帶拓?fù)浜?,3,5 和2,4,6 的二維渦旋電場強(qiáng)度輻射圖.其中清晰的甜甜圈能量環(huán)代表渦旋波束的產(chǎn)生,且隨著拓?fù)浜傻脑黾?能量環(huán)的半徑逐漸變大.圖7(m)—(r)中拓?fù)浜?—6 階的渦旋電場相位分布進(jìn)一步驗(yàn)證了雙模渦旋波束的產(chǎn)生.

圖7 (a),(c),(e) x 極化入射時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀?,3,5 的離散編碼相位分布;(b),(d),(f) y 極化入射時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀?,4,6 的離散編碼相位分布;(g),(i),(k) x 極化入射時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀?,3,5 的渦旋電場強(qiáng)度輻射圖;(h),(j),(l) y 極化入射時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀?,4,6 的渦旋電場強(qiáng)度輻射圖;(m),(o),(q) x 極化入射時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀?,3,5 的渦旋電場相位分布圖;(n),(p),(r) y 極化入射時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀?,4,6 的渦旋電場相位分布圖Fig.7.(a),(c),(e) Phase distributions of discrete coding with topological charges of 1,3 and 5 under x-polarization incidence;(b),(d),(f) phase distributions of discrete coding with topological charges of 2,4 and 6 under y-polarization incidence;(g),(i),(k) radiation patterns of vortex electric field intensity with topological charges of 1,3 and 5 under x-polarization incidence;(h),(j),(l) radiation patterns of vortex electric field intensity with topological charges of 2,4 and 6 under y-polarization incidence;(m),(o),(q) phase distribution patterns of the vortex electric field with topological charges 1,3 and 5 under x-polarization incidence;(n),(p),(r) phase distribution patterns of the vortex electric field with topological charges 2,4 and 6 under y-polarization incidence.

5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測量結(jié)果

為了實(shí)驗(yàn)測量所設(shè)計(jì)的雙模渦旋波束發(fā)生器,采用傳統(tǒng)印刷電路板技術(shù)制造一個(gè)樣品M1,如圖8(a)所示.實(shí)際測量中使用近場掃描系統(tǒng),實(shí)測裝置如圖8(b)所示.光纖有源天線被固定在正交可調(diào)整的平移架上,可由機(jī)器控制,測量電場分布的步長為2 mm,饋電喇叭天線和波纖有源天線被連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VAN).總電場和入射電場的測量可通過反射式超表面和非反射式超表面進(jìn)行測量,進(jìn)而獲得反射電場值.

圖8 (a) 雙模式渦旋器件的實(shí)物拍攝圖,且分別攜帶拓?fù)浜? 階和2 階;(b) 實(shí)際的測試環(huán)境;(c),(d) y 極化入射,在24 GHz 時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀? 的仿真和實(shí)測渦旋電場強(qiáng)度輻射圖;(e)(f) x 極化入射,在24 GHz 時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀? 的仿真和實(shí)測渦旋電場相位分布圖;(g),(h) y 極化入射,在24 GHz 時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀? 的仿真和實(shí)測渦旋電場相位分布圖;(i),(j) y 極化入射,在23 GHz,25 GHz 時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀? 的實(shí)測渦旋電場強(qiáng)度輻射圖;(k),(l)樣品M1 在x 和y 極化下實(shí)際測試的OAM 譜純度Fig.8.(a) Photography of fabricated sample;(b) the real measurement environment;(c),(d) simulated and measured radiation patterns of vortex electric field intensity at 24 GHz with topological charges of 2 under y-polarization incidence;(e),(f) simulated and measured phase distribution patterns of vortex electric field at 24 GHz with topological charges of 1 under x-polarization incidence;(g),(h) simulated and measured phase distribution patterns of vortex electric field at 24 GHz with topological charges of 2 under ypolarization incidence;(i),(j) measured radiation patterns of vortex electric field intensity at 23 and 25 GHz with topological charges of 2 under y-polarization incidence;(k),(l) actual OAM purity measurements of sample M1 under x and y polarizations,respectively.

圖8(d),(i),(j)分別為y極化入射下在23,24,25 GHz 時(shí)攜帶拓?fù)浜蔀?,距離超表面中心164 mm處xoy平面的實(shí)測渦旋電場強(qiáng)度輻射圖.從不同頻率時(shí)的渦旋電場強(qiáng)度輻射圖可以發(fā)現(xiàn),采用多比特的編碼方式可以在中心頻率上下1 GHz 實(shí)現(xiàn)OAM,且很大程度上減小了超表面由于離散相位帶來的誤差,具有較強(qiáng)的容錯(cuò)率.圖8(e),(f)分別為x極化入射下攜帶拓?fù)浜蔀?,距離超表面中心164 mm處xoy平面的仿真和實(shí)測渦旋電場相位分布圖.圖8(g),(h) 分別為y極化入射下攜帶拓?fù)浜蔀? 的仿真和實(shí)測渦旋電場相位分布圖.圖8(k),(l)分別為樣品M1 在x和y極化下實(shí)測試的OAM 譜純度.可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際測試結(jié)果符合預(yù)期目標(biāo),實(shí)際測量與仿真結(jié)果之間的差異主要來自入射電場的離軸偏差和饋源的部分遮擋.由上述仿真和實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證本文所提出的4-bit 雙極化編碼超表面產(chǎn)生超薄雙模OAM 的有效性.

6 結(jié)論

綜上所述,本文提出了一種由4-bit 編碼單元組成的超薄雙功能編碼超表面,用于產(chǎn)生由低階到高階的雙模渦旋波束,并驗(yàn)證對(duì)比了不同比特構(gòu)造的OAM 器件在性能方面的差異.為實(shí)現(xiàn)正交極化入射波的相位控制,在單元上表面構(gòu)建了“H”形金屬貼片,下表面用全金屬覆蓋.通過調(diào)節(jié)構(gòu)成“H”的參數(shù),可在正交極化入射下分別實(shí)現(xiàn)335°的相位覆蓋,且其反射振幅接近100%.提取了256 編碼單元,利用匯聚型OAM 算法構(gòu)建了3 個(gè)編碼超表面.通過對(duì)比M1 實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果可知,兩者吻合性較好,驗(yàn)真了設(shè)計(jì)的有效性.