基于频率选择表面的轨道角动量激发器件研究

发布时间：2020-06-20 14:58

【摘要】：轨道角动量(OAM)近年来成为了微波波段及射频段的研究热点之一。携带轨道角动量时,电磁波具有螺旋的相位波前,通常可以将这种波束称作涡旋波束。与电磁波的自旋角动量(SAM)相比,SAM仅与电磁波的极化相关,所以仅具有三种状态数。而OAM模式是电磁场强度与相位空间分布的结果,根据螺旋相位的梯度不同可以具有无穷多个模式数(拓扑电荷数)。由于不同模式之间的正交性,使得各路传递的信息之间互不影响。理论上,利用这种方式可以在同一工作频率下构造无穷多的涡旋波束,从而极大程度上提升了信道的容量。OAM模式的高效激发是其在微波波段应用的基础。传统的OAM激发器件工作存在无法克服的厚度极限,而在较低频率下,由于波长较长的关系将导致元件尺寸过于巨大,不利于大规模使用。针对这一问题,本文基于频率选择表面(FSS)展开了X波段轨道角动量模式激发器件的研究。首先,本文针对微波段上携带特定轨道角动量模式数的涡旋波束透镜的设计手段进行了分析,并提出利用FSS单元设计涡旋透镜的方法。从工作机理和基本分析方法着手,以无限长的条型带栅为例对FSS的滤波特性进行了深入剖析。同时,从栅瓣角度和入射角的稳定性分析了小型化的必要性。其次,详细的分析了耦合型MEFSS的等效电路设计方法。通过二阶单元分析其性能影响因素。与传统的FSS相比,本文所提出的单元结构具有亚波长尺寸,并且单元本身已经实现小型化,对于入射角有很好的稳定性。设计了四阶带通响应的MEFSS单元,通带包含X波段且在此范围内的透射系数高于0.9,并以此进行涡旋透镜的设计。将透镜阵列划分成8个区域,通过金属参数的调整使相邻区域的单元在10.6 GHz处具有45°等相位梯度的传输相移,实现了模式数l=1的线极化涡旋波束激发透镜。最后,通过MEFSS单元结构引入P-B相位,对出射波中交叉极化分量的相位进行控制。根据不同类型的单元分别实现了拓扑电荷数为1和2的两个轨道角动量模式激发。进一步,根据广义斯涅尔定律,对基于l=2的透镜阵列实现了30°的涡旋波束偏转。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN015
【图文】：

界面图,多路复用,电磁波,通信链路

由于移动通信的广泛普及，通信技术获得了极大地进展。然而，随着无线业务需求的不断增加，频谱资源匮乏的问题变得严重，怎样尽可能的提高频谱利用率成为当务之急。为了解决这一问题，许多学者先后研究出了多种复用技术，例如时分复用技术、码分复用技术、空分复用技术和正交频分复用技术等。以上几种复用方法大多采用电磁波的线性动量，包括时间、频率、幅度、相位、极化，然而电磁波除了具有线性动量以外，还具有角动量[1]。从物理学上来说，角动量可以分为自旋角动量(Spin Angular Momentum, SAM)和轨道角动量(OrbitalAngular Momentum, OAM)。1936 年，贝斯证明了光能对物质施加扭矩，并将其归因于光与物质之间角动量的转换[2]。贝斯通过这个实验证明了光存在自旋角动量，而轨道角动量的则是艾伦等人在 1992年通过光学实验发现的[3,4]。他们发现携带有 OAM 的波束具有螺旋形状的相位，并且在光的传播方向上具有相位奇异点。然而，由于奇异点本身并不携带能量，也不具有动量，因此也没有角动量。所以，我们强调角动量产生于围绕奇异点的光，而不是奇异点本身。

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.3 国内外研究现状1.3.1 电磁波轨道角动量的研究现状科研者们最先认知的是波束的角动量，1909 年坡印廷提出了一种假设，波束在传播中除了线性动量，可能还携带有角动量[1]。1936 年，Beth 通过晶片观察到波束角动量的变化，证明了波束有自旋角动量[2]。1943 年，Humblet将角动量分解成轨道角动量（OAM）和自旋角动量（SAM）并把它应用到了相关远场的研究中[23]。

【参考文献】