摘要
涡旋电磁波，即波前相位呈螺旋形分布的电磁波，具有提高通信容量和数据传输速率的能力，有望突破目前通信频谱资源日益短缺的瓶颈。如何高效地生成和调控涡旋电磁波，是涡旋通信的首要问题，亦是近些年研究的焦点问题。传统的涡旋电磁波产生和调控方式存在结构复杂、效率低和带宽窄等问题，极大限制了涡旋电磁波在现代无线通信系统中的应用。超表面是深亚波长的单元结构按照一定规律排列的二维平面结构，具有强大的电磁波调控能力。与传统生成和调控涡旋波手段相比，超表面具有剖面低、设计简单、成本低等优势，为生成和调控涡旋电磁波提供了简单高效的途径。本文设计了极化不敏感超表面，生成了涡旋电磁波并成功减小了涡旋波的发散角；设计了2比特编码超表面且实现了涡旋电磁波的定向调控，主要研究内容如下： 1.设计了一种基于I形单元结构的宽带、极化不敏感涡旋超表面。通过旋转单元结构实现了0°-360°反射相位覆盖。根据涡旋相位分布排列单元形成超表面并进行了仿真，在平面波的激励下，产生了12GHz-20GHz的涡旋电磁波。同时，设计的涡旋超表面具有极化不敏感特性，在圆极化波和线极化波的情况下，都可以生成涡旋电磁波。 2.设计了一种涡旋-聚焦超表面，产生了宽带涡旋电磁波并减小了涡旋波发散程度，同时具有极化不敏感特性。通过引入聚焦相位，抵消电磁波的横波矢量，成功减小了涡旋波束的发散角。仿真和实测结果表明，设计的涡旋-聚焦超表面具有以下优点:(1)此设计实现了12GHz-20GHz(相对带宽为50%)的宽带涡旋波束；(2)涡旋-聚焦超表面在工作带宽内生成了优于15dBi的高增益小发散角的涡旋波束；(3)此设计适用于圆极化波和线极化波激励,为涡旋电磁波的灵活激发提供了一种有效的方案。 3.基于I形单元结构，设计了不同功能的2比特编码超表面，实现了单波束和双波束涡旋电磁波的生成以及方向调控。将l=1的涡旋相位和不同的偏折相位叠加，设计具有不同的电磁响应的编码超表面。仿真结果与理论分析保持一致，实现了单波束、双波束涡旋波向x、y轴方向定向辐射。
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