本发明专利技术公开一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器。该结构工作在微波频段，由双层人工表面等离激元波导实现对于电磁波的传输，上层波导和下层波导之间的连接通过一个金属过孔实现。该微波涡旋波发生器的辐射部分主要由一系列放置在人工表面等离激元波导旁边的圆形贴片实现，同时这些圆形贴片作为谐振器也提供了产生不同的涡旋波所需的相位。这种微波涡旋波发生器可以在不同频率处实现具有不同轨道角动量模式的涡旋波，而不需要在结构上做出任何改变。
【技术实现步骤摘要】
基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器及其实现方法
本专利技术属于新型人工电磁媒质以及无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器。
技术介绍
由于光子有涡旋，因此具有螺旋相位面和方位角分量的光束可以携带轨道角动量。这一发现使得人们对于轨道角动量的关注度不断提升。光学频段的轨道角动量模式可以被用于显微镜检查、显微操作、超分辨率成像和量子信息技术等各个方面。随后，由于轨道角动量独特的优势，越来越多的研究关注于将其应用于无线通信领域，以解决无线通信过程中现有的无法解决的问题。自2007年射频轨道角动量模式被仿真成功后，基于轨道角动量的无线通信理论体系也被建立，2012年在无线通信传输中的涡旋波首次得到实验验证。实验结果表明，携带有轨道角动量的电磁波可以在不增加带宽的前提下，提高通信容量；且不同的轨道角动量模式之间是独立的互不影响。这对于无线通信领域是十分重要的发现。为了更好的将轨道角动量模式投入实际的应用中，如何产生携带有轨道角动量的涡旋波便成了一个热点。迄今为止，人们已经研究出多种方法产生涡旋波。其中最常用的一种是利用螺旋相位板，简单的结构和设计原理使得其在光频段和微波频段均有广泛的应用。另一种在微波频段用的比较多的方法利用相控阵天线实现涡旋波所需的相位。但这种方法需要复杂的相移网络，同时还需保证不同辐射单元之间的功率相同。当所需的轨道角动量模式数增加时，相控阵天线的尺寸也要随之增加，这就加大了设计复杂度和加工成本。最近，随着人们对新型人工电磁表面研究的深入，发现可以通过设计新型人工电磁表面的单元结构并将它们按照特定的方式排列就可以使得与新型人工电磁表面相互作用的电磁波携带轨道角动量。另外，越来越多的关注点集中于易于加工的单个谐振腔结构，如回音廊模式谐振器。这种回音廊模式通过特定的相互作用也可以产生涡旋波。还有研究发现半模基片集成波导天线同样可以产生涡旋波。这些方法各有优势但同时又有不足，比如复杂的结构，单一的轨道角动量模式以及对于轨道角动量模式的不可控性。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，该结构利用传统的共面波导传输线进行馈电，通过槽深渐变的单边褶皱带线和开口的金属地结构实现了从共面波导传输线到表面等离激元波导的高效转换，将传统单边褶皱带线传输线绕成一圈，一半在介质基底的上层，一半在介质基底的下层，两层金属结构通过一个金属过孔连接。同时，在人工表面等离激元波导的附近放置一系列圆形贴片，用于对电磁波的辐射和对传输相位的调控。电磁波经过人工表面等离激元波导和圆形贴片，被辐射到自由空间中，同时具有螺旋的相位，从而实现了涡旋波的产生。相比于已有的产生涡旋波的方法，本专利技术具有设计简单，易于加工、集成等优点，并且可以在不同频率下得到具有不同轨道角动量模式数的涡旋波，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。技术方案：一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，包括介质基地及附在所述介质基地两边的金属结构，所述金属结构包括两侧的共面波导传输线部分、共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分、单边人工表面等离激元波导部分、金属过孔和圆形贴片阵列；所述共面波导传输线馈电部分包括中心导体带线和径向分布于中心导体两侧的金属地结构；所述过渡部分由设置于中心部位的槽深渐变的单边褶皱带线和径向分布于槽深渐变的双边褶皱带线两侧的开口的金属地结构组成；所述开口的金属地结构由共面波导传输线馈电部分的金属地结构延伸而出，相对的两条边按指数变化逐渐远离；所述槽深渐变的双边褶皱带线由中心导体带线延伸而出，均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度方向逐渐加深；所述单边人工表面等离激元波导部分由传统单边褶皱带线表面等离激元波导的单元结构组成，所有单元结构的凹槽深度相等；所述金属过孔连接介质基地的上层金属结构和底层金属结构；所述圆形贴片阵列由完全一样的圆形贴片间隔一定距离沿单边人工表面等离激元波导放置。进一步的，所述单边褶皱带线的凹槽为矩形。进一步的，所述单边人工表面等离激元波导是平面的，并被绕成圈，一半在介质基底的上层，一半在介质基底的下层，环形人工表面等离激元波导的半径为75-85mm。进一步的，所述单边人工表面等离激元波导是双层的，上下两层金属结构之间用金属过孔连接，金属过孔的半径为0.25-0.35mm。进一步的，所述圆形金属贴片沿单边人工表面等离激元波导间隔一定距离放置，贴片半径为7-9mm，与人工表面等离激元波导间距为1.5-2.5mm。进一步的，所述人工表面等离激元波导，单边褶皱带线的凹槽宽度为1.5-2.5mm，深度为3.5-4.5mm，凹槽间距为4.5-5.5mm。本专利技术还提供一种所述的基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器的实现方法，利用圆形金属贴片的辐射作用和谐振作用，将人工表面等离激元波向自由空间辐射的同时，使其传输相位发生变化，以满足涡旋波所需的传输相位。有益效果：本专利技术的一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，采用传统的共面波导传输线进行馈电，将传统的人工表面等离激元波导绕城环形结构，并将环形的两半分别设计在介质基板的两侧，以减少波导重叠引起的传输路径混乱；用圆形金属贴片同时实现对电磁波的辐射和对辐射相位的调控，进而实现基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器。传统的共面波导传输线阻抗设计匹配到50欧姆，便于实现最大功率传输。所述的基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器从传统共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡采用了槽深渐变的双单边褶皱带线结构和开口的金属地结构，实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化。所述的基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，将传统的单边褶皱带线人工表面等离激元波导绕城环形结构，并在其旁边放置圆形贴片，使得能量耦合于贴片上并被辐射向自由空间。圆形贴片同时作为圆形谐振器，对辐射电磁波的相位进行调控，从而使得在不同的频率下辐射的电磁波有不同的相位。当调控满足一定的要求时，既可以实现涡旋波的辐射。相比于已有的微波涡旋波发生器，本专利技术具有设计简单，易于加工和集成，体积小，具有灵活的轨道角动量模式，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。附图说明图1给出了基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器的示意图。图2给出了传单边褶皱带线单元结构的色散曲线；图3给出了圆形贴片对于电磁波传输相位的影响；图4给出了仿真和测试的散射参数；图5给出了仿真和测试的近场结果——相位分布和幅度分布；图6给出了仿真和测试的远场辐射方向图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术的一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，采用传统共面波导传输线馈电方式，利用环形的人工表面等离激元波导和圆形金属贴片实现涡旋波的辐射。传统的共面波导传输线阻抗设计匹配到50欧姆，便于实现最大功率传输；所述基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器从传统共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡采用了槽深渐变的单边褶皱带线结构和开口的金属地结构，实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化。所述的基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器将传统的单边褶皱带线传输线本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，包括介质基地及附在所述介质基地两边的金属结构，其特征在于，所述金属结构包括两侧的共面波导传输线部分(1)、共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分(2)、单边人工表面等离激元波导部分(3)、金属过孔(4)和圆形贴片阵列(5)；所述共面波导传输线馈电部分(1)包括中心导体带线(1a)和径向分布于中心导体两侧的金属地结构(1b)；所述过渡部分(2)由设置于中心部位的槽深渐变的单边褶皱带线(2a)和径向分布于槽深渐变的双边褶皱带线(2a)两侧的开口的金属地结构(2b)组成；所述开口的金属地结构(2b)由共面波导传输线馈电部分的金属地结构(1b)延伸而出，相对的两条边按指数变化逐渐远离；所述槽深渐变的双边褶皱带线(2a)由中心导体带线(1a)延伸而出，均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度方向逐渐加深；所述单边人工表面等离激元波导部分(3)由传统单边褶皱带线表面等离激元波导的单元结构组成，所有单元结构的凹槽深度相等；所述金属过孔(4)连接介质基地的上层金属结构和底层金属结构；所述圆形贴片阵列(5)由完全一样的圆形贴片间隔一定距离沿单边人工表面等离激元波导放置。...
【技术特征摘要】
1.一种基于人工表面等离激元的微波涡旋波发生器，包括介质基地及附在所述介质基地两边的金属结构，其特征在于，所述金属结构包括两侧的共面波导传输线部分(1)、共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分(2)、单边人工表面等离激元波导部分(3)、金属过孔(4)和圆形贴片阵列(5)；所述共面波导传输线馈电部分(1)包括中心导体带线(1a)和径向分布于中心导体两侧的金属地结构(1b)；所述过渡部分(2)由设置于中心部位的槽深渐变的单边褶皱带线(2a)和径向分布于槽深渐变的双边褶皱带线(2a)两侧的开口的金属地结构(2b)组成；所述开口的金属地结构(2b)由共面波导传输线馈电部分的金属地结构(1b)延伸而出，相对的两条边按指数变化逐渐远离；所述槽深渐变的双边褶皱带线(2a)由中心导体带线(1a)延伸而出，均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度方向逐渐加深；所述单边人工表面等离激元波导部分(3)由传统单边褶皱带线表面等离激元波导的单元结构组成，所有单元结构的凹槽深度相等；所述金属过孔(4)连接介质基地的上层金属结构和底层金属结构；所述圆形贴片阵列(5)由完全一样的圆形贴片间隔一定距离沿单边人工表面等离激元波导放置。2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的微波涡旋波发...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔铁军，尹佳媛，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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