一种频分同发散角多模态OAM超表面的制作方法

一种频分同发散角多模态oam超表面
技术领域
1.本发明涉及oam调制超表面设计领域，特别涉及一种频分同发散角多模态oam超表面设计。


背景技术：

2.oam波束生成方法主要包括螺旋相位板法、旋转抛物面法、计算全息法、均匀圆形阵列法及基于超表面的表面波调制方法。其中，超表面是一种二维人工电磁结构，可实现电磁波相位、幅度、极化等特性的控制，是一种有效的电磁调控方式。由于其对电磁波具有灵活的调控能力，基于超表面的oam波束生成方法逐渐成为研究的热点。现有的oam超表面主要分为两种，无源oam超表面和有源oam超表面。
3.无源oam超表面中的超材料单元的调制特性通过改变其金属线路的物理长度或者旋转角度进行调节，馈源辐射的电磁波经自由空间入射到排布在oam超表面上的超材料单元上，具有不同幅相调制特性的超材料单元被入射波激励并向空间辐射能量，实现oam波束的产生。有源oam超表面通过加载有源器件调节超表面单元的幅相特性，根据oam的相位调制条件进行设计，实现oam波束的产生。
4.现有的oam超表面至少存在以下问题：
5.1、现有的由各向同性的超表面单元构成的无源oam超表面，仅可调制单一模态的oam波束，不利于发挥oam波束模态无穷性和正交性的优势；
6.2、现有的有源oam超表面可产生多种模态的oam波束，但不同模态的oam波束在不同时刻产生且各模态oam波束的主瓣指向存在差异，不利于在通信领域及目标探测领域的应用。
7.3、现有的有源oam超表面需要繁琐的控制电路，且各超材料单元间具有较强的耦合，易使产生的oam波束发生畸变。


技术实现要素：

8.为解决上述问题，本发明提供一种频分同发散角多模态oam超表面，本发明实现在宽频带内多频点上辐射多种模态的oam波束，打破了目前无源oam超表面存在的局限性，改善了超表面的整体性能；该发明可以实现至少六种模态oam波束(即
±
1，
±
2，
±
3模态)的产生，各模态oam波束之间的频率间隔不超过0.6ghz,且不同模态oam波束的发散角相同。
9.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
10.一种频分同发散角多模态oam超表面，包括：极窄带空间滤波模块和多模态oam调制模块；
11.所述的极窄带空间滤波模块由多层具有窄带特性的频率选择结构表面构成，每层频率选择结构表面由窄带响应结构单元构成，用于进行特定空间频率电磁波的选择，通过调整频率选择结构表面窄带响应结构单元的空间分布实现入射波对多模态oam调制模块的分区分频激励；
12.所述的多模态oam调制模块设置在所述的极窄带空间滤波模块表面，多模态oam调制模块由相位结构表面单元构成，用于接收极窄带空间滤波模块传输的分区分频电磁波激励信号，并将入射到不同区域的电磁波调制为不同模态oam波束，然后使得不同频率不同模态的oam波束在特定空间区域内辐射。
13.作为本发明的进一步改进，所述极窄带空间滤波模块包含多个频率范围不同的通带区域；
14.多个频率范围的工作频率包含不少于两个频率中心，每个频率中心所对应的频率选择结构表面单元由低通特性的单元和带阻特性的单元，或者高通特性的单元和带阻特性的单元级联获得；
15.所述的多个通带区域用于实现将工作于宽频带或多频点的入射波转化为分区分频电磁波，分区分频电磁波用于激励多模态oam调制模块的对应区域。
16.作为本发明的进一步改进，所述频率选择结构表面单元包括多个介质层，两个介质层之间设置有第一介质板，每个介质层上设置有第一金属层；
17.所述低通特性的单元、高通特性的单元的第一金属层为中心具有通孔的规则结合图形；所述带阻特性的单元中中间介质层上的第一金属层为十字形金属带。
18.作为本发明的进一步改进，所述相位结构表面单元包括第二介质板，第二介质板的上下表面均设置有第二金属层；第二金属层为十字形金属带，且十字形金属带的端部按同一顺序向一侧弯折延伸，上下两个第二金属层通过金属柱耦合。
19.作为本发明的进一步改进，所述多模态oam调制模块中用于实现相位结构表面单元特定透射/反射相位的容感性空间交叉结构；
20.所述的容感性空间交叉结构单元通过增加结构表面单元的电流长度改变单元的容感抗特性，通过带孔弯折线增加金属线路的物理长度来扩展容感性空间交叉结构单元的相位调控范围。
21.作为本发明的进一步改进，所述多模态oam调制模块与极窄带空间滤波模块均包含多个半径不同的类环形区域；
22.在多模态oam调制模块的多个类环状区域分别根据不同模态oam的相位分布排布对应的相位结构表面单元，用于将极窄带空间滤波模块产生的分区分频电磁波调制为分频多模oam波束；
23.所述极窄带空间滤波模块的多个类环状区域与多模态oam调制模块的多个类环状区域位置相对应。
24.作为本发明的进一步改进，所述多模态oam调制模块中oam相位分布的相位结构表面单元放置在不同的半径的类环状区域调节oam波束的主瓣指向，将半径较小的类环形区域设置为低模态区域，将半径较大的类环形区域设置为高模态区域；各模态的oam波束的主瓣指向趋于一致。
25.作为本发明的进一步改进，所述频分同发散角多模态oam超表面为空间中心对称结构，对应的频率点上对应反向相位旋转的oam模态波束，且模态数变为相反数。
26.作为本发明的进一步改进，所述极窄带空间滤波模块与多模态oam调制模块之间存在空气或者介质填充的间隙，所述间隙为0.5mm
±
0.2mm。
27.作为本发明的进一步改进，所述频分同发散角多模态oam超表面采用工作于ku波
段的喇叭天线做馈源时，该超表面可将入射波分别转化为
±
1模态，
±
2模态和
±
3模态的oam波束，-1模态、-2模态和-3模态三种模态oam波束的工作频率分别为13.6ghz,13.0ghz和12.5ghz，且六种模态oam波束的发散角为15
°
。
28.相对与现有技术，本发明具有以下技术效果：
29.本发明是一种频分同发散角多模态oam超表面，包括极窄带空间滤波模块和多模态oam调制模块。极窄带空间滤波模块包括含三个不同半径的类环形区域，实现宽带条件下局部区域离散频率的电磁波辐射，并将分区分频的电磁波传输至多模态oam调制模块。多模态oam调制模块同样包含三个不同半径的类环形区域，分别排布用于调制不同模态oam波束的相位结构表面单元，以实现分频多种模态oam波束的产生。多模态oam调制模块中半径较小的类环形区域排布用于调制低模态oam的相位结构表面单元，半径较大的类环形区域排布用于调制高模态oam的相位结构表面单元，以实现不同模态oam波束具有相同的主瓣指向。极窄带空间滤波模块和多模态oam调制模块的联合设计实现不同频率对应不同模态、且具有相同发散角的oam波束同时产生。宽带电磁波入射到该发明时，可同时产生多种模态的oam波束，各模态oam波束的工作频率分别为离散的频率点且主瓣指向相同。通过调整多模态oam调制模块与极窄带空间滤波模块的相对放置状态，该发明可将同样频率点的电磁波分别转化为发散角相同模态数为相反数的oam波束。综上，本发明可产生多种模态的oam波束，且各模态oam波束的发散角相同。本发明的装置可在天线架构固定的条件下，采用宽带喇叭天线作为馈源即可实现不同频率不同模态同发散角的oam波束的产生，简化了系统复杂度，降低了设计成本。
30.进一步，本发明可以实现频分同发散角多模态oam超表面的设计，采用作于ku波段的喇叭天线做馈源时，该超表面可将入射波分别转化为
±
1模态，
±
2模态和
±
3模态的oam波束，且六种模态oam波束的主瓣指向近似相同，约为15
°
附图说明
31.图1为本发明实施例结构示意图；
32.图2为本发明实施例中频率选择结构表面单元结构示意图；
33.图3为本发明实施例中oam相位结构表面单元结构示意图；
34.图4为本发明实施例中三个半径不同的类环形区域；
35.图5为本发明实施例中oam相位结构表面单元的幅相特性(工作频率分别为12.5ghz,13.0ghz和13.6ghz)；
36.图6为本发明实施例中频率选择结构表面单元的幅相特性；
37.图7为本发明实施例产生的oam波束的电场分布；
38.图8为本发明实施例产生的oam波束的远场方向图。
具体实施方式
39.以下结合本发明实施例中的附图，清楚完整地对本发明的技术方案进行描述，所描述的实施例仅为本发明实施例中的一部分，而非全部实施例。基于本发明的实施例，该领域普通技术人员在未做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
40.如图1所示，本发明提供的频分同发散角多模态oam超表面，包括极窄带空间滤波模块10和多模态oam波束调制模块20；
41.所述的极窄带空间滤波模块10由多层具有窄带特性的频率选择结构表面构成，每层频率选择结构表面由窄带响应结构单元构成，用于进行特定空间频率电磁波的选择，通过调整频率选择结构表面单元的空间分布实现入射波对多模态oam调制模块20的分区分频激励；
42.所述的多模态oam调制模块20，用于接收极窄带空间滤波模块10传输的分区分频电磁波激励信号，并将入射到该模块不同区域的电磁波调制为不同模态oam波束，然后使得不同频率不同模态的oam波束在特定空间区域内辐射；
43.具体的，所述的极窄带空间滤波模块由多种频率选择结构表面单元共同构成。不同频率选择结构表面单元分别排布在该模块中半径不同的类环形区域，以实现在不同区域辐射特定频率的电磁波。所述的极窄带空间滤波模块用于对馈源辐射的电磁波进行空间滤波，实现宽频带条件下多区域对应多频点的电磁波激励，并将电磁波的能量传输给多模态oam调制模块。
44.构成极窄带空间滤波模块的部分频率选择结构表面单元由具有低通特性的频率选择结构表面单元和带阻特性的频率选择结构表面单元，或者高通特性的频率选择结构表面单元和带阻特性的频率选择结构表面单元级联获得，以实现较窄的通频带宽。
45.所述的多模态oam调制模块用于接收极窄带空间滤波模块传输的分区分频电磁波，并根据oam的相位分布规律对相应区域的电磁波进行oam调制，产生不同模态的oam波束并辐射到空间中。
46.其中，所述极窄带空间滤波模块10包含多个频率范围不同的通带区域。
47.所述的极窄带空间滤波模块10由图2所示的频率选择结构表面单元构成，图2中(b)所示的频率结构表面单元，图2中(a)所示的频率结构表面单元级联一个呈带阻特性的频率结构表面单元构成，以实现窄带特性。
48.所述的极窄带空间滤波模块10包含图4所示的三个类环形区域(称为l-模态区域)，实现分区域分频局部滤波特性。工作于宽频带条件下的电磁波入射到极窄带空间滤波模块10，各区域仅允许工作于指定频率的电磁波传输。
49.多模态oam调制模块20与极窄带空间滤波模块10均包含多个半径不同的类环形区域。
50.优选地，多模态oam调制模块包含多个半径不同的类环形区域(分别称为l-模态区域，l＝
…
,-1,0,1,2,
…
)；多个类环形区域分别排布调制不同模态oam波束的相位结构表面单元，以实现多模态oam调制模块的多模oam调制功能。
51.多个频率范围的工作频率包含不少于2个频率中心，每个频率中心所对应的频率选择结构表面单元由低通特性的单元和带阻特性的单元，或者高通特性的单元和带阻特性的单元级联获得。
52.所述的多个通带区域用于实现将工作于宽频带或多频点的入射波转化为分区分频电磁波，分区分频电磁波用于激励多模态oam调制模块20的对应区域。
53.基于容感性空间交叉结构实现多模态oam调制模块20中相位结构表面单元特定透射/反射相位的设计。
54.将半径较小的类环形区域设置为低模态区域，排布用于调制低模态oam波束的相位结构表面单元；将半径较大的类环形区域设置为高模态区域，排布用于调制高模态oam波束的相位结构表面单元。通过上述排布方式实现产生的不同模态的oam波束的发散角近似一致。
55.极窄带空间滤波模块10用于将工作于宽带条件下的入射电磁波调制为分区分频电磁波，并将分区分频电磁波传输到多模态oam波束调制模块20，以确保指定频率的电磁波入射到多模态oam波束调制模块20的指定区域并产生指定频率、指定模态的oam波束。
56.所述的多模态oam波束调制模块20，由图3所示的相位结构表面单元构成，图3中(a)所示的相位结构表面单元无法实现产生oam所需的360
°
相移，因此通过弯折线的方式增加金属线路的物理长度从而增加相位结构表面单元的特性调控范围，如图3中(b)所示。
57.多模态oam波束调制模块20与极窄带空间滤波模块10相同，包含如图1所示的三个模态区域，在不同模态区域分别放置用于调制不同模态oam波束的相位结构表面单元，实现同发散角多模态oam调制能力。
58.所述的容感性空间交叉结构单元通过增加结构表面单元的电流长度改变单元的容感抗特性，通过带孔弯折线增加金属线路的物理长度来扩展容感性空间交叉结构单元的相位调控范围。
59.在多模态oam调制模块20的多个类环状区域分别根据不同模态oam的相位分布排布对应的相位结构表面单元，将极窄带空间滤波模块10产生的分区分频电磁波调制为分频多模oam波束。经多模态oam调制模块20调制获得的各模态的oam波束的主瓣指向趋于一致。
60.极窄带空间滤波模块的多个类环形区域与多模态oam调制模块的多个类环形区域相互对应，且极窄带空间滤波模块中低模态区域对应的位置排布中心频率较高的频率选择结构表面单元，高模态区域对应的位置排布中心频率较低的频率选择结构表面单元，以实现通过合理设置不同模态oam波束的工作频率对不同模态的主瓣指向进行微调，从而保证不同模态oam波束的发散角相同。
61.通过将满足oam相位分布的相位结构表面单元放置在不同的半径的类环状区域调节oam波束的主瓣指向。将半径较小的类环形区域设置为低模态区域，将半径较大的类环形区域设置为高模态区域，实现不同模态oam波束的发散角相同的效果。
62.该频分同发散角多模态oam超表面可同时产生多模态oam波束(其中多种模态oam波束的工作频率分别集中在对应的频率点上)。通过调整多模态oam调制模块的放置状态，该超表面产生的多种模态oam波束的发散角相同。
63.该频分同发散角多模态oam超表面是一种空间中心对称结构，通过空间镜像对称旋转可以在对应的频率点上获得对应反向相位旋转的oam模态波束，即模态数变为相反数。
64.设计中，极窄带空间滤波模块10与多模态oam调制模块20之间存在空气或者介质填充的间隙，该间隙在0.5mm
±
0.2mm变化时，整个器件的工作特性基本保持不变。
65.本发明可以实现具有分频同发散角多模态oam超表面，及可将工作于宽频带的电磁波转化为工作频率不同的多种模态的oam波束，且各模态的发散角一致。通过对相位结构表面单元的分区域排布，实现在宽带条件下多频点上调制多种模态oam的设计，简化多模态oam超表面的设计，提高超表面的整体性能，降低设计成本；该发明用于目标探测系统，可提供多种相互独立的探测模式，有利于提高探测精度及探测效率。
66.以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
67.实施例
68.一种频分同发散角多模态oam超表面，包括：极窄带空间滤波模块10和多模态oam波束调制模块20；
69.所述的极窄带空间滤波模块10用于对馈源辐射的宽带电磁波进行预处理，通过对如图2所示的频率选择结构表面单元进行分区布阵，将入射电磁波转化为分区分频电磁波传输至多模态oam波束调制模块20。
70.具体的，结构上，频率选择结构表面单元包括多个介质层，两个介质层之间设置有第一介质板，每个介质层上设置有第一金属层；
71.所述低通特性的单元、高通特性的单元的第一金属层为中心具有通孔的规则结合图形；所述带阻特性的单元中中间介质层上的第一金属层为十字形金属带。
72.极窄带空间滤波模块10具有如图4所示的三个半径不同的类环形区域，由内向外三个区域分别仅允许13.6ghz,13.0ghz和12.5ghz的电磁波传输，实现宽频电磁波向分区分频电磁波的转化。分区分频电磁波用于激励多模态oam波束调制模块20。
73.所述的多模态oam波束调制模块20由如图3所示的相位结构表面单元构成，用于将极窄带空间滤波模块10转化的分区分频电磁波调制为分频同发散角多模态oam波束并向空间辐射。
74.具体的，相位结构表面单元包括第二介质板，第二介质板的上下表面均设置有第二金属层；第二金属层为十字形金属带，且十字形金属带的端部按同一顺序向一侧弯折延伸，上下两个第二金属层通过金属柱耦合。
75.多模态oam波束调制模块20包含三个半径不同的类环形区域，类环形区域的布局与设计和极窄带空间滤波模块10保持一致。由内向外在各个类环形区域内分别排布产生1模态，2模态和3模态oam波束的相位结构表面单元；调整多模态oam波束调制模块20的上下底面，各类环形区域的相位排布分别满足-1模态，-2模态和-3模态的相位分布，此时多模态oam波束调制模块20可将分区分频电磁波调制成-1模态，-2模态和-3模态的oam波束(三种模态oam波束的工作频率分别为13.6ghz,13.0ghz和12.5ghz)。
76.如图7、图8所示，本发明所展示的实施例可将工作于13.6ghz,13.0ghz和12.5ghz的电磁波分别转化为
±
1模态，
±
2模态和
±
3模态的oam波束，且6种模态的oam波束的发散角趋于一致，约为15
°
。
77.综上所述，本发明的频分同发散角多模态oam超表面，包括极窄带空间滤波模块10和多模态oam波束调制模块20。极窄带空间滤波模块10包含三个半径不同的类环形区域并且分别排布三种不同的频率选择结构表面单元，实现宽带电磁波向分区分频电磁波的转化。多模态oam波束调制模块与极窄带空间滤波模块相同，包含三个半径不同的类环形区域，并且在各个区域内排布满足不同模态oam相位分布的相位结构表面单元，用于将分频分区电磁波分别转化为主瓣指向相同工作频率各异的三种模态的oam波束，通过调整多模态oam波束调制模块的上下底面可以获得另外三种模态的oam波束。
78.本发明可以实现频分同发散角多模态oam超表面的设计，采用工作于ku波段的喇叭天线做馈源时，该超表面可将入射波分别转化为
±
1模态，
±
2模态和
±
3模态的oam波束，且六种模态oam波束的发散角近似相同，约为15
°
。
79.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，但本发明的保护范围不止局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。