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金属目标对贝塞尔涡旋波束的近场电磁散射特性

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物理学报 2023年第10期72卷 54-64页

作者：陈鑫淼李海英吴涛孟祥帅黎凤霞西安电子科技大学物理学院西安710071 西安空间无线电技术研究所西安710000 西安交通大学信息与通信工程学院西安710049

相较于平面波,贝塞尔涡旋波束作为典型的涡旋波束,以其携带轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)、无衍射、自重建的特性,使其在雷达检测、目标识别与成像等领域具有更加显著的竞争力.本文根据物理光学法和三角形面片建模,并结合... 详细信息

相较于平面波,贝塞尔涡旋波束作为典型的涡旋波束,以其携带轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)、无衍射、自重建的特性,使其在雷达检测、目标识别与成像等领域具有更加显著的竞争力.本文根据物理光学法和三角形面片建模,并结合贝塞尔涡旋波束的角谱展开法,导出了贝塞尔涡旋波束入射到任意金属目标的散射近场表达式,通过与FEKO软件仿真结果对比验证了本文方法的正确性.数值计算了简单和组合目标的散射近场的幅相和OAM分布以及雷达散射截面(radar cross section,RCS),分析了波束参数、接收面的距离和目标偏移波束距离等因素的影响.结果表明贝塞尔涡旋波束照射下的目标的近场幅相和OAM扰动与多种因素相关,这为进一步利用近场散射特征获得更多的目标信息奠定了基础.

关键词：近场散射角谱展开理论涡旋波束轨道角动量

基于透射型超表面的模态可重构太赫兹涡旋波束生成

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雷达学报（中英文） 2022年第4期11卷 728-735页

作者：周晶仪郑史烈余显斌回晓楠章献民浙江大学信息与电子工程学院杭州310027

太赫兹技术与轨道角动量(OAM)技术相结合在高速无线通信领域具有巨大潜力。理论上不同模态的OAM之间具备严格正交性,若能将OAM技术应用到太赫兹通信系统中,必能极大提升系统的通信容量。因此,如何产生高质量的THz-OAM波束,并给予它灵活... 详细信息

太赫兹技术与轨道角动量(OAM)技术相结合在高速无线通信领域具有巨大潜力。理论上不同模态的OAM之间具备严格正交性,若能将OAM技术应用到太赫兹通信系统中,必能极大提升系统的通信容量。因此,如何产生高质量的THz-OAM波束,并给予它灵活的动态控制成为研究者们的一大研究热点。该文设计了一种双层透射型超表面,使用3D打印作为加工方式,成本低、加工难度小。超表面单元结构采用高度可变的介质单元,随着单元高度不断发生改变,透射相位覆盖0°~360°,且透射率保持在88%以上。采用WR-10标准波导喇叭天线进行馈电,在100 GHz工作频率下,通过改变双层超表面之间的相对旋转角度,产生了不同模态的OAM波束。仿真结果表明,该文设计的超表面天线能够实现$l=1,2,3$的OAM波束,二维幅相结果符合对应模态的特征,$l=1,2,3$时,OAM波束的模态纯度分别为85.4%,84.9%,83.4%。通过太赫兹扫场测试平台测试了天线在90 GHz,100 GHz,110 GHz频点下的电场分布。结果表明:在20 GHz带宽内,产生的OAM波束质量较好,证明该文设计的超表面天线在高频工作具有一定的工作带宽,有望应用于高频OAM通信。

关键词：太赫兹涡旋波束模态可重构超表面透射型

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基于反射型超表面的太赫兹偏折涡旋波束生成

雷达学报（中英文） 2021年第5期10卷 785-793页

作者：施宏宇李国强刘康李博林衣建甲张安学徐卓西安交通大学多功能材料和结构教育部重点实验室西安710049 西安交通大学电信学部信息与通信工程学院西安710049 国防科技大学电子科学学院长沙410073 西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室西安710049

太赫兹涡旋波束可以提高雷达通信系统通信容量及成像系统的分辨率,如何有效地产生这种波束成为近期研究热点之一。为了克服传统方式的缺点,该文设计加工了5个工作在太赫兹频段的反射型超表面,它们可以产生±1、±2和3共5个不同模态的涡... 详细信息

太赫兹涡旋波束可以提高雷达通信系统通信容量及成像系统的分辨率,如何有效地产生这种波束成为近期研究热点之一。为了克服传统方式的缺点,该文设计加工了5个工作在太赫兹频段的反射型超表面,它们可以产生±1、±2和3共5个不同模态的涡旋波束。为了避免馈源对涡旋波束的遮挡,通过平面反射阵原理控制了波束的偏转方向。超表面单元为3层结构,其中,上层为金属结构,控制上层结构中8个枝节的长度,可以在基本不改变超表面单元反射系数的情况下,调整它的反射相位。中间层为介质层,为了使超表面单元有较高的反射系数,介质层下方为一金属地。超表面单元仿真显示,其同极化反射率在90%以上,相位分布也满足超表面设计需求。超表面的仿真及测试结果表明,在340 GHz附近,不同超表面在设计的方向上产生了对应模态的涡旋波束,并且涡旋波束中的主模态能量占比最高。

关键词：太赫兹涡旋波束超表面波束调控反射阵

基于高效传输型超表面轨道角动量涡旋波束的产生

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光学学报 2019年第1期39卷 252-257页

作者：刘凯婷刘鑫葛悦禾蒲继雄华侨大学信息科学与工程学院福建厦门361021

应用高效传输型超表面,构造了一种可控相位的传输透镜,以标准角锥喇叭发出的准球面波照射,产生携带不同拓扑荷值的涡旋场波束。所用超表面在大于10%带宽范围内能实现大于90%的传输效率和进行3 bit以上的相位调制。通过补偿相位公式的理... 详细信息

应用高效传输型超表面,构造了一种可控相位的传输透镜,以标准角锥喇叭发出的准球面波照射,产生携带不同拓扑荷值的涡旋场波束。所用超表面在大于10%带宽范围内能实现大于90%的传输效率和进行3 bit以上的相位调制。通过补偿相位公式的理论推导,对超表面进行设计,得到30 GHz的高效率传输型超表面产生的携带轨道角动量(OAM)的高阶涡旋波束。利用全波仿真对所提出的方案进行验证,得到了与理论相符合的结果。

关键词：物理光学涡旋波束轨道角动量拓扑荷数超表面

微波波段涡旋波束的多模式集成与动态调控研究进展

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电子与信息学报 2024年第5期46卷 1865-1873页

作者：袁乐眙杨德生刘云飞张狂哈尔滨工业大学电子与信息工程学院哈尔滨150001

该文回顾并总结了近期关于涡旋波束多模式集成与动态调控的研究成果与进展。首先从无源超表面透镜出发,利用传播相位与几何相位的综合调控作用,在单一超表面平台上实现了分数模涡旋波束的高纯度激发。更进一步,基于无源式超表面的多模... 详细信息

该文回顾并总结了近期关于涡旋波束多模式集成与动态调控的研究成果与进展。首先从无源超表面透镜出发,利用传播相位与几何相位的综合调控作用,在单一超表面平台上实现了分数模涡旋波束的高纯度激发。更进一步,基于无源式超表面的多模式涡旋集成理论及方法,通过在超表面单元结构中加载变容二极管等有源可调谐式器件,实现涡旋波束的动态切换与人工调控。并在此基础上,对基于超表面的涡旋通信系统实现信道建模,并对涡旋通信系统的性能做出了理论分析与评估,为提高现代通信系统信道容量及信息传输速率打下理论基础。

关键词：微波超表面涡旋波束多模式OAM集成可重构调控 OAM通信

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基于宽带超表面的太赫兹涡旋波束产生研究

激光杂志 2019年第7期40卷 56-59页

作者：冯文静唐皓吴季达黄铭杨晶晶云南大学信息学院昆明650091 云南省无线电监测中心昆明650228

基于轨道角动量在光学领域的应用潜力,提出了一种工作在太赫兹频段的S型交叉极化反射式宽带超表面。通过仿真研究了 S型单元结构的极化转换特性和反射相位特性,并利用六种不同参数单元结构的有序排列构建了反射式宽带超表面。仿真结果表... 详细信息

基于轨道角动量在光学领域的应用潜力,提出了一种工作在太赫兹频段的S型交叉极化反射式宽带超表面。通过仿真研究了 S型单元结构的极化转换特性和反射相位特性,并利用六种不同参数单元结构的有序排列构建了反射式宽带超表面。仿真结果表明,设计的单元结构不仅可以实现高效率的交叉极化反射幅度,而且通过调整尺寸参数可以实现有效的相位调控;在5. 1 THz ~7. 4 THz频段范围内,该超表面将线偏振波转化为涡旋波束,效率达到了 80%以上。

关键词：太赫兹轨道角动量超表面涡旋波束宽带

基于几何相位的超表面产生宽带太赫兹涡旋波束的设计

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激光杂志 2024年第6期45卷 44-48页

作者：张莉孙俊昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明650000

为克服太赫兹涡旋波束存在带宽窄、效率低下等缺点,提出了一种基于几何相位的单层透射型超薄超表面,通过对超表面单元结构的设计和排布实现了宽带范围内太赫兹涡旋波的产生。该超表面单元由表层双C型金属环和底层介质层组成。利用几何... 详细信息

为克服太赫兹涡旋波束存在带宽窄、效率低下等缺点,提出了一种基于几何相位的单层透射型超薄超表面,通过对超表面单元结构的设计和排布实现了宽带范围内太赫兹涡旋波的产生。该超表面单元由表层双C型金属环和底层介质层组成。利用几何相位原理,通过旋转金属结构,可以控制交叉极化透射光在宽频带内保持相同透射系数的前提下对其透射相位进行调控。通过对单元结构进行旋转编码,可以形成宽频带内用以产生不同拓扑荷数涡旋波束的编码超表面。仿真结果表明,在1.38~1.92 THz宽频带内,产生了拓扑荷数为l=±1两种模态的涡旋波束,且最大交叉极化透射效率为23%,接近单层结构的理论极限值。

关键词：几何相位超表面宽带太赫兹涡旋波束

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基于编码超表面的太赫兹涡旋波束研究

基于编码超表面的太赫兹涡旋波束研究

作者：潘一博电子科技大学

学位级别：硕士

太赫兹波独特的电磁特性使其在无线通信、安检成像、生物传感、环境监测、雷达探测等领域有着重要的应用前景。随着近年来无线通信的快速发展频谱资源愈发稀缺,携带轨道角动量的涡旋波束具有正交性、发散性、稳定性、安全性以及多维量... 详细信息

太赫兹波独特的电磁特性使其在无线通信、安检成像、生物传感、环境监测、雷达探测等领域有着重要的应用前景。随着近年来无线通信的快速发展频谱资源愈发稀缺,携带轨道角动量的涡旋波束具有正交性、发散性、稳定性、安全性以及多维量子纠缠等特性,使得其在提高通信系统的容量以及频谱利用率等方面具有重要的应用价值。因此,如何在太赫兹波段产生高效的涡旋波束是其实现应用的基础。采用编码超表面产生太赫兹波段涡旋波束是一种极为有效的途径,不仅能够解决传统方法体积大、不利于集成的缺点,还能够降低制造成本,对于太赫兹技术的发展具有重要意义。本文主要对基于编码超表面产生涡旋波进行了仿真与实验研究,完成的主要工作包括以下几个方面:(1)仿真模拟了基于二氧化钒(VO)的涡旋波模态可重构双频编码超表面太赫兹波响应特性。仿真结果表明,当VO处于绝缘态时,超表面能够将0.45-0.7 THz波段内的线极化入射波通过透射转换为拓扑荷数为-1的涡旋波束;当VO相变到金属态时,超表面能够将0.95-1.2 THz波段内的圆极化入射波通过反射转换为模态为+2的涡旋波束,因此可在两个频段实现对涡旋波模态的动态调控,并且产生的涡旋波具有高的模式纯度和小的发散角。(2)构建了一种基于VO的太赫兹双频多功能编码超表面,该编码超表面具有多层结构,可以通过VO相变为太赫兹波的调控提供多种自由度。仿真结果表明,当VO为绝缘态时,频率介于0.21-0.31 THz沿-z方向入射的x极化波和沿+z方向入射的y极化波能够转换为模态相反的涡旋波束,并且涡旋波束具有良好的模式纯度和较小的发散角;当VO为金属态时,频率为0.32-0.41 THz沿+z方向入射的y极化波经超表面反射形成两个对称的双波束,波束偏转角度和理论预测基本一致。(3)提出了一种双频多功能编码超表面阵列结构,该编码超表面可实现对K和Ka波段全空间的透射和反射波前进行调控。仿真结果表明,通过特定的编码排布,该编码超表面对Ka波段不同极化方向的入射波可以实现RCS缩减和异常反射功能;对K波段的入射波通过透射转换为拓扑荷数为+2涡旋波束。实验测试结果与仿真结果基本一致,验证了该多功能编码超表面设计方法的可靠性。本文所提出的几种双频编码超表面为太赫兹波前调控器件的设计提供了新的思路和方法,对促进太赫兹通信和成像等应用系统领域的发展具有重要意义。

关键词：太赫兹编码超表面涡旋波束二氧化钒动态调控

基于P-B相位超表面的OAM涡旋波束产生研究

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基于P-B相位超表面的OAM涡旋波束产生研究

作者：张浩然辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

近年来,携带轨道角动量的涡旋波束引起了研究人员的广泛关注。理论上,涡旋波束拥有无数个相互正交的模式,为电磁波提供了一种新的物理自由度,其有望作为一种新的复用技术提升通信容量和频谱效率。因此,如何高效地产生和调控涡旋波束,是... 详细信息

近年来,携带轨道角动量的涡旋波束引起了研究人员的广泛关注。理论上,涡旋波束拥有无数个相互正交的模式,为电磁波提供了一种新的物理自由度,其有望作为一种新的复用技术提升通信容量和频谱效率。因此,如何高效地产生和调控涡旋波束,是OAM通信的首要问题,也是近年来研究的热点问题。超表面能够灵活地调控电磁波波前,并且对电磁波具有异常的电磁响应特性。这种特性使得超表面成为一种很有潜力的涡旋波束产生方式。本文基于反射型P-B相位超表面,对宽带高纯度涡旋波束的产生进行研究,为高效产生涡旋波束提供了新的思路。论文的主要研究内容如下:1.首先,深入研究了P-B相位单元的电磁特性和涡旋超表面的相位分布原理。针对目前涡旋超表面带宽较窄、模式普遍较低的问题,根据P-B相位原理,设计了一种基于Minkowski分形结构的宽带超表面单元,其工作频段为9～20 GHz。利用此单元分别设计了l=3,5,8的高阶模式涡旋超表面。在圆极化平面波的激励下,三种超表面在宽带范围内均可产生相应模式的涡旋波束,其模式纯度最高分别可达0.86、0.81、0.82。仿真结果证明了所设计的超表面能够在宽带范围内产生涡旋波束。2.其次,为了产生高纯度的毫米波涡旋波束,设计了一种毫米波频段的宽带超表面单元结构。在涡旋波束的螺旋相位中引入馈源补偿相位,利用此单元结构分别设计了34GHz处l=1的正六边形和方形排列的超表面。对比仿真电场和OAM光谱分析结果可知,采用正六边形排列超表面产生的涡旋波束模式纯度为0.94,相比较于方形排列的0.86提升了9%。另外,对26～43 GHz宽带范围内l=1,2,3的超表面进行设计仿真,得到三个模式下的涡旋波束纯度最高分别可达0.94、0.87、0.77。仿真结果表明,所设计的正六边形单元排列超表面能够在宽带范围内有效地产生高纯度的涡旋波束。该论文有图51幅,表4个,参考文献89篇。

关键词：超表面轨道角动量(OAM) 涡旋波束 P-B相位宽带高纯度