近年来携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum)的涡旋电磁波由于具有相互正交的无穷多模态而引起了人们的广泛关注，OAM宏观表现为电磁波的涡旋现象，具体表现为波束在与传输方向正交的平面表现出涡旋形的相位分布。OAM不同模态之间相互正交，理论上涡旋波可以无线提升通信容量，为解决该问题提供了天然的理论条件。近日，研究人员在透射数字编码超构表面（Transmissive Digital Coding Metasurface, TDCMS）领域取得了重要进展。该研究提出了一种极化独立的单馈源透射数字编码超构表面，该超构表面基于OAM模态复用和波束空分复用形成了信息传输的多通道，通过对极化独立的两个方向进行编码，从而在10.5-11.5GHz频段内产生了不同方向的双模态四波束OAM。相关研究成果以“Transmissive Digital Coding Metasurfaces for Polarization-Dependent Dual-Mode Quad Orbital Angular Momentum Beams”为题，发表在国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。空军工程大学李思佳副教授为第一作者和通讯作者，曹祥玉教授对文章做出了重要贡献。
现阶段，频谱资源短缺、通信容量不足等问题已经成为制约无线通信系统发展及多平台信息互通共享的关键因素。与传统电磁波相比，携带有轨道角动量的涡旋电磁波具有更强的信息调控能力，且不同模态OAM相互隔离，为无线通信系统、多目标雷达探测及多单元信息共享的应用提供了有力的支撑。在多模态OAM研究方面，学者们做了大量的探索性研究。在有限的频谱资源条件下要实现通信扩容，李思佳副教授、曹祥玉教授团队一方面通过引入多波束的概念来增加空域的传输通道，通过空分多路复用的方式产生涡旋电磁波，从而在不同的方向接收到所需要的信息。(Front. Phys. 17, 62501 (2022))。另一方面，由于涡旋电磁波具有模态正交的优势，以携带不同轨道角动量的涡旋电磁波作为正交基，可通过OAM模分多路复用的方式提升通信容量。将空分多路复用及模分多路复用相结合，可借助透射超构表面技术设计出具有显著优势的多波束多模态OAM 的多通道透射超构表面，研究成果能为解决信道容量有限以及频谱资源短缺的问题提供重要的技术支持。
图1. 双模态四波束 OAM透射数字编码超构表面
鉴于此，研究团队基于前期的研究工作，提出了一种极化独立的单馈源透射数字编码超构表面来产生双模态四波束 OAM，如图1所示。通过对 x 和 y 两个相互正交的方向进行数字编码，设计了两款透射超构表面M1和M2，分别实现了不同方向的具有两种模态的四波束OAM。该研究引入了四层介质基板和五层金属结构的交叉偶极子金属结构，设计出对应的单元如图 2(a)所示。根据传输相位原理可知，当改变交叉偶极子金属结构其可产生电磁谐振，调控透射相位。根据上述结构设计出包含64种状态的3bit编码单元，其结构如图2(b)所示。该单元在10.5-11.5GHz频段内其透射系数均大于0.8且编码单元相位随着金属贴片尺寸的变化呈现出梯度的分布，结果如图2(c)所示。
（a）
（b）
图2. 透射编码超构表面单元及其透射系数仿真曲线（a）单元结构，（b）编码超构表面，（c）3比特编码超构表面单元的透射系数仿真结果。
根据方向图卷积原理、相位补偿理论和方向图乘积定理，可以推出公式1、2及3，利用该公式可以确定产生任意指向、任意波束数量和任意OAM模态的超构表面数字编码相位矩阵。利用该公式要实现双模态四波束OAM，需要在x极化方向加载+1模态双波束OAM编码相位，并在y极化方向加载-2模态双波束OAM编码相位，此外还要卷积由喇叭天线球面波到平面波的相位补偿，才能产生对应的+1和-2模态平行分布的四波束涡旋电磁波束。同样为了体现出波束与模态的灵活控制特点，改变x、y极化方向上的编码相位，亦可实现+1和-2模态交叉分布的四波束涡旋电磁波束，其编码示意图及三维辐射方向图如图3所示。
(a)
(b)
图3. 透射超构表面编码相位及其双模态四波束仿真结果（a）四波束平行模态x和y方向编码矩阵及其仿真透射波束，（b）四波束交叉模态x和y方向编码矩阵及其仿真透射波束。
两款超构表面在8-12GHz线极化喇叭天线的激励下，分别产生了对应模态的四波束涡旋电磁波，如图3所示。可以清楚的看到，透射编码超构表面M1在中心频点11GHz产生的+1模态的两个OAM波束分别位于φ = 45°, θ = 21°和 φ= 225°, θ = 339°，而-2模态的两个OAM波束分别位于φ= 135°, θ = 21°和 φ= 315°, θ = 339°。同样地，透射编码超构表面M2在中心频点11GHz的+1模态的两个OAM波束位于 φ= 90°, θ = 32.2°和 φ= 180°, θ = 327.8°，⽽-2模态两个OAM波束分别位于φ= 0°, θ = 32.2°和φ= 270°, θ =327.8°两个位置。对应位置的近场相位分布同样也证实了OAM波束的模态。
最后，该研究制作了透射编码超构表面样品，并在微波暗室中完成了远场和近场的实验测试（如图4）。可以看到TCMS样品能够有效实现双模态四波束OAM。经过对比，测试结果与仿真结果基本保持一致，验证了该设计方案的可行性。
(a)-(b)
(c)-(d)
(e左列)-(f右列)
(g左列)-(h右列)
图4. 透射编码超构表面样品在微波暗室中的（a）远场和（b）近场测试的实验设置图。（c）φ=45°和（d）φ=135°平面上的远场测量和仿真结果对比图。+1模态波束的近场测量结果（e）电场强度分布和（f）相位分布；-2模态波束的近场测量结果（g）电场强度分布和（h）相位分布
该研究设计了⼀种基于数字编码透射超构表面来生成双模态四波束 OAM 的方法。 引入交叉偶极子辐射单元结构扩展编码通道，以此同时实现-2模态和+1模态四波束OAM。设计加工了两款超构表面，可以分别产生具有交叉分布和平行分布的双模态四波束 OAM。仿真和测试结果均表明，所提出的超构表面可以有效地生成预先设定的OAM波束。该研究提出的产生透射多模态多波束的方法引入空分多路复用和模分多路复用的进一步扩展通信容量，对未来的多平台无线通信系统以及6G通讯技术发展提供了新的思路与方法。
该工作受到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、中国博士后科学基金、陕西省高校青年创新团队等项目资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.3c04082
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