文摘

锥形光束有潜在的使用在无线和卫星通信。在这项研究中,我们提出一个方法使用递送的metasurface达到完全控制轨道角动量的发散效果(OAM)模式形成所需的锥形束。贴片天线功能作为提要源结合传播学metasurface启用源和metasurface的集成。锥形辐射的完全控制,包括锥角和OAM模式中,我们将介绍两个径向和圆周阶段提出metasurface梯度。微波地区进行实验来验证设计方法,与仿真结果显示良好的协议。拟议中的metasurface提供了一个灵活的手段产生锥形光束与OAM设计模式帮助潜在的应用在高速无线通信。

1。介绍

锥形光束,一个全向远场模式与主瓣方位平面倾斜到一个特定的角度在高程平面(1- - - - - -3),最近使用的卫星通信引起了相当大的关注。圆锥的特征辐射的终端设备可以确保行驶车辆和飞机获得卫星信号,性能稳定。与其他方法相比(例如,动态光束的相控阵天线跟踪卫星信号),锥形光束更划算,制造方便,不需要复杂的移相网络。因此,已经提出了很多方法产生锥形束微波地区使用圆极化贴片天线(2周期径向微带阵列天线(),4),或multiring阵列天线5]。

Metasurfaces,类型的人工工程材料由subwavelength-scaled构建块(6,7),最近在许多实际的应用程序中实现。通过引入相位不连续界面,metasurfaces有效提供前所未有的能力操纵振幅、相位、偏振电磁波微波频段的可见光。结果,他们为平板翼型设计提供一个新的平台和高效的功能的设备,如超薄metalenses8,9),low-scattering表面(10),全息成像系统(11),和许多其他设备困难甚至不可能制造使用天然材料(12- - - - - -18]。metasurfaces最重要的应用之一是生成任意期望的轨道角动量(OAM)涡波在一小部分波长。OAM梁可以提供新的自由度(自由度)大大提高通信系统的数据容量和可能解决的问题越来越大的无线数据链路预算(19- - - - - -27]。然而,存在一些限制使用OAM模式增加信道容量(28,29日),例如,在远程通信链路。OAM可能有用的应用程序操纵的辐射模式天线系统或改进的功能增加雷达系统的性能(30.- - - - - -32]。一束OAM自然有一个锥形远场模式由于其光束中心的奇异点,通过合成固定相梯度在周向和径向方向,我们以前的工作表明,自由组合的锥角和OAM模式可以实现远场地区(21)使用反光metasurface圆偏振平面波照明下。然而,传输操作更有利于某些应用程序因为反射metasurfaces往往饲料堵塞的问题。

在这项研究中,我们提出一个递送的metasurface OAM的发散效果控制模式,使完全操纵锥形光束特性的线性极化波。硬邦邦的级联结构配置是用来使高振幅传播和传播阶段的完全收敛性。特别是,metasurface合作设计的提要源贴片天线,使源的集成和metasurface对真实世界的应用程序。通过控制径向梯度和OAM模式阶段,我们表明,递送的metasurface可以产生与预期的锥角锥形光束。为验证,实验是在微波频段,测量结果与仿真结果证明很好协议。拟议的递送的metasurface优点的低调,重量轻而不是饲料堵塞的问题,通常存在于反射(例如,反映数组)的应用程序。

2。元素设计

图1显示了波的功能提出metasurface示意图。当主扩散波的主要饲料来源metasurface强加,额外空间阶段传授的发病率metasurface设计,重塑输出成一个螺旋wavefront-carrying预定义OAM模式,产生锥形光束在远场地区。metasurface运作的每个元素作为移相器,可以设计具有高传输效率和所需的phase-tuning功能。因为整个波前的集体结果从每个单独的元素被二次辐射的主要来源,我们必须设计阶段模式与空间metasurface孔径分布不同。更具体地说,这个阶段模式应该首先弥补不同相的波阵面辐射的提要源因为补丁天线电小孔径大小、自然辐射与quasi-spherical low-directive光束波前。该方法可以被描述为一个使用metasurface包含径向和圆周相梯度(即。OAM模式),工程师的锥角锥形辐射光束。

确定锥形梁代的属性,我们可以参考相控阵天线理论和作为每个metasurface元素的一种电磁散射与一个预定义的初始阶段(25]。如果我们假设一个圆柱坐标,仰角和方位角是用θ和φ,分别。锥角,这是最重要的一个锥形光束参数被定义为最大辐射方向之间的角度z轴在高程平面,用参数α。实现锥形束一代的完全控制,包括OAM模式(用参数l)和锥角α,在这里我们介绍一个常数相位梯度在周向和径向方向提供更大的灵活性和大量的自由度。相位不同的周向和径向方向(用δ_c和δ_r)被定义为相邻元素之间的相位差异的周向和径向方向(图1分别,灰色圆和红色线)。如果我们假设一个₀作为元素的反射相位中心的metasurface,反思阶段锰th元素metasurface可以计算的一个_锰=一个₀+δ_c(n−1)+δ_r(米−1)。对于一个给定的metasurface孔径,远场模式的metasurface生成器可以使用球面坐标计算理论上,仰角和方位角度为代表θ和φ分别为(21,33]: 在哪里k在自由空间相位常数,我_锰的振幅传播锰th元素,r_锰和φ_锰代表的径向坐标和方位角锰分别在球面坐标th元素。在理论模型中,我_锰是输出振幅传播从硬邦邦的主要从提要源被认为是发病率。锥角的控制方法主要依赖于OAM光束的传播效果。然后,关键步骤来完成一个递送的metasurface锥形梁代是设计元素的高传播振幅和访问范围广的传播阶段。

存在一些路线获取高效的递送metasurface phase-tuning操作。一个是使用惠更斯metasurface,通常由一双磁环结构和金属导线在微波频率(34,35]。然而,惠更斯metasurface不适合双极化业务由于其独特的结构配置。另一种方法是使用级联metasheets,激发电场和磁场共振,使高效传输(36,37]。演示一个metasurface能产生理想的锥形的光束,在这项研究中,我们使用一个级联结构实现递送的metasurface元素,优化结构如图2(一个)和2 (d)。meta-atom由四个金属模式由介电层。金属模式是由铜导电率为5.8×10⁷S / m,介质衬底的厚度h与介电常数为3.55 + 0.0027 = 1.524毫米我。两种类型的硬邦邦的存在:一个相同的金属组成的模式,如图2(一个),另一个由两个相同的模式放置在顶部和底部层(中间层)与另一个模式,如图2 (d)。这两种硬邦邦同一时期(p= 5毫米)和运行在大约13 GHz。

我们也进行全波模拟的电磁响应硬邦邦使用商业软件CST微波工作室™。单胞边界条件的应用x和y方向,而边界条件应用于开放z方向自由空间。硬邦邦的相同的金属组成的模式、传播阶段可以从大约40°−190°13 GHz圆的半径补丁改变从0.2到2.4毫米。同时,传输幅度维持在一个值高于0.81,如图3 (b)和3 (c)。对于其他类型如图3 (d),振幅传播总是高于0.89,而传输阶段可以覆盖范围约为0°- 130°时,几何参数改变,如图3 (e)和3(f)。相位曲线与各种几何图形显示近线性响应作为频率的函数约13个GHz,表明metasurface还可以在这些频率函数。与上述两种类型的硬邦邦,传播阶段可以实现不同阶段高振幅传播。此外,由于硬邦邦的结构都有镜子和90°旋转对称性,硬邦邦表现出相同的电磁响应x- - -y线性极化发生率没有经历polarization-converting效应。在这里,我们使用一个变质构造四个级联层提供了更多的自由度优化性能,包括增加带宽,提高传输效率。基于这些硬邦邦的,我们可以构造一个metasurface锥形束携带OAM的生成。

3所示。仿真结果的锥形光束

核实metasurface的可行性,我们接下来描述OAM光束发生器的设计过程与空间不同阶段提出metasurface周向和径向渐变。metasurface有200×200毫米大小x- - - - - -y飞机,总40×40 = 1600元素的像素。发病率是由一个补丁天线的极化y方向。贴片天线,如图3(一个)是由三个金属层和两个介质逆电流器组成。辐射天线的一部分由其表层,形成一个广场模式与分裂,这是必要的扩展工作带宽。中间槽被切断金属层,和输电线路的一小部分被蚀刻在底部金属层,使天线的耦合饲料。提要天线被从metasurface孔径沿80毫米z轴。贴片天线是固定的几何参数如下:= 9.26毫米,= 25毫米,= 0.35毫米,l_年代= 12.2毫米,= 0.65毫米,l_f= 12.2毫米,= 1毫米。第一和第二电介质基板的厚度是1.524和0.508毫米,分别。

metasurface孔径上的相位分布的主要饲料来源被假设计算提要源点光源。然而,这种方法通常用于现场观察远离源。注意,这种情况下会产生一些计算错误的相位分布。因此,我们直接使用全波模拟计算软件和映射字段metasurface被放置的地方。上的连续相剖面metasurface被主辐射13 GHz记录,如图3 (b)。这个连续相概要文件被考虑到离散成像素像素metasurface光圈的大小,然后补偿的相位分布,如右边面板的图所示3 (b),使平面phasefront。因此,我们可以用在我们以前的工作,开发的理论框架的平面phasefront发病率是用来计算散射模式metasurface [21]。更具体地说,每个meta-atom充当一个电磁辐射体,共同导致了远场辐射模式。通过这种方法,辐射模式,包括锥角和OAM模式,理论上可以计算给定metasurface相位分布。

相位分布进行所需的OAM模式添加到补偿阶段(图3 (b)),从而形成所需的最后阶段metasurface孔径分布。在这里,我们使用OAM模式l= 1的设计实例来说明如何合成锥形光束。图3 (c)显示了最终的设计阶段分布metasurface涡束l= 1没有相位梯度径向(δ_r= 0°)。相位函数在任意位置(x,y)metasurface当时被真正的meta-atom使用各种几何参数,配置metasurface显示在图的底部3 (d)。硬邦邦的二次传播将形成一个螺旋波阵面,导致锥形光束在远场区域。来验证这个属性,metasurface照亮了线性偏振入射波与一个开放边界四面八方使用上述商业软件,结果显示在左边的面板数据3 (c)和3 (d)。结果表明三维(3 d)辐射最大辐射方向的倾斜α= 5°沿着曲面法线与天顶,清楚地揭示锥形束辐射。模拟的锥角α= 5°,显示良好的协议与理论价值α= 5°。2 d的辐射模式E和H飞机也验证了锥形财产。

引入一个常数相位梯度在径向方向上可以提供更多的自由度在控制锥形束和灵活的设计可以帮助锥角。为例,δ_r= 15°应用于相位分布的环形相位梯度,最后设计阶段功能的metasurface右边面板的图所示3 (c)。开放边界条件应用于各个方向的全波仿真metasurface。理论和模拟的锥角δ_r= 15°都α= 15°。远场辐射提供清晰的2 d绘图视图的辐射特性,进一步验证了锥形束生成,如图3 (e)。上述结果表明,锥形的锥角梁可以灵活调整采用不同径向相位梯度。锥角是不限于模拟,和其他许多锥角原则上,可以实现,因为传输阶段的metasurface可以任意设计。

OAM模式生成的锥形束也可以灵活的改变仅仅通过安排不同的相位梯度在圆周方向上。作为一个设计的例子,我们表明,OAM模式l= 2,l= 3可以获得metasurface提议。设计过程类似于介绍之前,和最后阶段功能的传播波的上面板数据所示4(一)- - - - - -4 (c)为l= 2,δ_r= 0°,l= 2,δ_r= 15°,l= 3,δ_r分别= 0°。显然,锥形辐射被发现与锥角的倾斜方向设计,验证的2 d的结果E和H飞机。模拟的锥角l= 2,δ_r= 0°,l= 2,δ_r= 15°,l= 3,δ_r= 0°是α= 8°,α= 16°,α分别= 11°。锥角可以进一步灵活调整通过应用径向相位梯度metasurface,和OAM模式并不局限于这里了。事实上,该方法理论上可以实现OAM光束在一个更大的模式设计阶段对孔径分布。然而,在理想的OAM梁代,不同阶段反应的元素应该是平等的,不能实现的东西提出metasurface因为广场的形状和相位离散化的物理尺寸meta-atom被认为是。当OAM模式是非常大的(例如,l> 10),远场辐射的能量分布模式将锥角方向的不均匀。这个问题可能会减轻metasurface圆形,较大的孔径尺寸,和较小的硬邦邦。我们还研究了锥角的限制调优对于一个给定的OAM模式l= 1。随着径向相位梯度的增加,不仅锥角逐渐增加,但增加侧叶。当δ_r= 54°,锥角大约是42°,而最大旁瓣水平大约是−3 dB。应该注意的是,虽然裸露的径向相位梯度可以生成conical-like光束,实现灵活的控制锥角(21),生成的梁本质上有一个很大的旁瓣的天顶θ= 0°,这将影响到整体性能的锥形束,并限制其实际应用。为了克服这个缺点,OAM模式与涡phasefront应该雇佣,这自然会导致奇点在传播方向上的远近。上述结果证实该metasurface可以生成一个锥形光束通过灵活控制的锥角和OAM模式。

4所示。实验验证

为了演示实验的设计原则,使用一个标准的样本制作印刷板的技术特征,然后使用近场扫描系统微波室。的装配式metasurface的照片l= 1,δ_r= 0°的左面板图所示5(一个),一个放大视图metasurface的插图所示。metasurface和提要源相同的参数的模拟模型,并数值结果显示在左侧面板的数字3 (c)和3 (d)。上部和底部的面板显示的顶部和底部视图的饲料来源,分别。在所有测量,制作补丁天线用作饲料源为生成锥形光束照射metasurface,是一样的,在模拟中使用。验证OAM行为生成的梁,新兴的波阵面传播从metasurface实验用3 d测量近场扫描系统,如图5 (b)。偶极子探测器是用来探测电场分布在观察平面像素的像素。预定义的观察飞机(x- - - - - -y飞机)从metasurface设置为500毫米,和探针的移动一步是设置为4毫米。提要源天线和检测探头连接的两个端口矢量网络分析仪(安捷伦N5244)。测量设置的额外细节可以发现在我们之前的工作中,我们使用一个示意图来说明字段映射系统[13]。OAM的空间相位分布模式l可以清楚地观察到图= 15 (c)不同频率的11.5,13,13.5 GHz。OAM梁的振幅分布如图所示5 (d)可以观察到,一个奇异点的中心锥形光束,验证其涡特性。振幅略有波动,这是由于nonunitary传输振幅和不完美的制造和测量。测量近场分布了OAM行为生成的梁。接下来,远场辐射模式测量来验证锥形属性。在远场测量,喇叭天线作为探测器放置在远场区域,和样本放在一个转盘,可以自由地围绕其中心旋转一个角度一步0.5°。的接收天线放置大约10 m metasurface考虑完全OAM光束的光束传播效果和准确地测量远场辐射模式。规范化的辐射模式E飞机在图所示4(e),和良好的协议可能是观察之间的测量和模拟结果。测量锥角α= 5°,与模拟的锥角一致。锥角略有变化在这些频率,因为固有的分散metasurface。低旁瓣水平观察,表明大部分的发射能量转化为其主瓣方向。振幅小于−10 dB沿z轴(θ= 0°),验证OAM梁的特点。进一步证明的能力提出metasurface在控制锥形束辐射,我们制作一个样品和一个阶段的OAM概要文件模式l= 2,δ_r= 15°。样品的照片和测量结果如图6。这种捏造metasurface和提要源有相同的参数的模拟模型,并数值结果的左面板图所示4 (b)。远场辐射模式呈现在图6 (b)清楚地显示了与主瓣波束传播方向倾斜方位角大约17°。我们进一步的电场分布测量metasurface验证OAM模式。测量振幅和相位分布数据所示6 (c)和6 (d),分别。测量飞机从metasurface光圈设置为500毫米。观察低能量分布中心的振幅分布,而一个OAM模式l= 2的观察测量相位分布。因此,上述结果表明,递送的metasurface可以灵活地重塑发病率成理想的锥形束携带OAM模式。传统方法利用天线阵列实现锥形束辐射应该雇佣一个复杂的喂养网络地址的每个天线阵列单独由同轴或输电线路,和的复杂性和成本大大提高,如果总孔径大小增加时(2- - - - - -5]。因为数组的元素的数量通常是有限的,(例如,大约10),模拟或测量的波束宽度锥形光束在远场区域通常是大型和精确的控制锥角是很困难的。相比之下,这些传统的方法生成一个锥形光束,该metasurface的优点是容易可扩展和subwavelength-sized元素,使灵活和锥角的精确控制。

5。结论

我们提出了一个递送的metasurface级联结构控制的锥形束携带OAM模式。贴片天线是用作饲料来源,和球面波前的重塑在metasurface锥形束辐射的空间分布不同的阶段。几个设计锥形梁代的例子被提议的metasurface意识到,证明其能力控制锥形束,包括锥角和OAM模式。我们显示,调优的锥角依赖OAM光束的发散作用,这可能是由应用径向和圆周阶段提出metasurface梯度。实验验证全波仿真结果,和良好的协议是观察它们之间。拟议中的metasurface提供了一个灵活的路线生成和控制锥形束微波地区。我们设想,该方法可能会扩展到生成多个OAM梁与可控锥角与适当的添加一个字段多路复用技术,这可能有前途的使用在许多实际应用波束形成等多个目标跟踪,和无线通信。通过增加可调的组件(例如,电动二极管),metasurface可以设计可调阶段反应,使锥形梁代的动态控制,大大提高该方法的影响。虽然我们只实验演示原型在微波频段,该方法并不局限在这个乐队,很容易扩展到更高频率太赫兹甚至光学等地区。这将推动小说发展的电磁波的设备和先进的加工。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持中国国家重点研究和发展项目的一部分在批准号2017 yfa0700201和中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委)批准号。61801207,91963128,62071215,61731010和部分优先支持的学术程序开发江苏高等教育机构(PAPD)和基础研究基金为中央大学和江苏省重点实验室先进的操纵技术的电磁波。