撰稿|由课题组供稿
近日，空军工程大学李思佳副教授、曹祥玉教授团队在透射编码超构表面（Transmission Coding Metasurface, TCMS）领域取得重要进展。该研究基于传播相位理论设计的TCMS可以在15.3％的频率范围内实现多个携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM)的透射涡旋电磁波束。相关研究成果以“Multiple Orbital Angular Momentum Beams with High-Purity of Transmission-Coding Metasurface”为题，发表在国际期刊Advanced Theory and Simulations上，并于当期Back Cover做简要介绍。空军工程大学硕士研究生刘小宾为第一作者，李思佳副教授为通讯作者，曹祥玉教授对文章做出了重要贡献。
图 1. 透射编码超构表面产生多波束OAM功能示意图并遴选为封底
近年来，随着移动通信技术的发展，信道容量有限和频谱资源紧缺问题已成为制约无线通信技术更多应用的主要因素。OAM作为一项具有前瞻性的技术，由于具有无穷多种独立模态，在生物医学、光学成像、量子通信等诸多领域都具有重要应用价值，其在无线通信领域的产生和应用，为提高频谱效率和扩大信道容量提供了一种新的方案。为了解决信道容量不足的问题，除了扩展模式的方法之外，基于OAM的无线通信系统还可以通过增加波束数量和扩大带宽。此外，多波束OAM不但可以扩大信息传输的覆盖范围，而且可以发展OAM的复用方法。然而，传统产生 OAM的方法在实际应用中存在一些固有的局限性。超构表面是亚波长人工微结构的二维阵列，具有出色的调控电磁波的振幅、相位和极化的能力。利用数字编码形式设计电磁波调控的超构表面，具有剖面小、成本低和设计方便的显著优势，可以在微波频段下实现OAM。近年来，在微波领域关于多波束OAM的研究大多是基于反射超构表面实现的。然而，透射超构表面由于没有馈源对辐射波束的阻挡，可以弥补反射超构表面结构上的短板。因此，编码透射超构表面在生成多个OAM波束方面具有潜在价值。
鉴于此，研究团队于2022年提出可以利用Pancharatnam-Berry相位原理实现多波束OAM[Opt. Mater. Express 12, 3416 (2022); Front. Phys. 17, 62501 (2022)]。近期，该研究团队基于前期的研究工作，基于传播相位原理提出了一种TCMS单元结构，利用相位叠加原理并引入相位补偿，在9-10.5GHz范围内实现了高纯度多波束OAM透射电磁波，相对带宽达到15.3%。
该研究以矩形和Ｌ型金属贴片作为基本的结构单元，基于传播相位原理，通过改变金属尺寸来调控电磁波的透射相位，设计优化出3比特编码单元，其结构和透射性能如图2。由于８个单元在9-10.5GHz频段内均能够覆盖360°的相位覆盖，并且透射幅度保持在0.8以上，所以基于该结构可以有效生成具有宽带和高纯度性能的多波束OAM。
图2. TCMS单元结构的（a）透视图，（b）顶层和（c）中间层的示意图。（d，e）3比特编码单元透射系数的相位和幅度的仿真结果。
为产生多波束OAM，进而将优化的３比特单元作为编码序列的000，001，010，011，100，101，110，111元素，根据相位叠加原理，使用Matlab程序对包含40×40元素的相位分布进行计算和相位量化得到最终的编码矩阵。为了说明TCMS产生OAM的宽带和高纯度性能，该研究在8-12GHz线极化喇叭天线的激励下，进一步验证了四个工作频率下的模态为＋1的OAM远场和近场分布，如图3所示。可以清楚的看到，TCMS阵列分别在φ=45°, 135°, 225°和315°四个方向上产生了具有螺旋相位波前和“甜甜圈”形状特性的OAM波束，并且纯度均保持在93%以上。
(a)
图3. 在9GHz, 9.5GHz, 10GHz和10.5GHz频率下TCMS仿真的近场仿真结果.（a）电场的强度分布，（b）相位分布，（c）OAM模式纯度。
最后，该研究利用标准印刷电路板技术和基板粘合技术制作了TCMS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样品能够在9-10.5GHz有效实现了高纯度的四波束OAM。经过对比，测试结果与仿真结果基本保持一致，验证了该研究方案的可行性。
图4.TCMS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）仿真和测试的OAM纯度结果对比图。分别在9GHz, 9.5GHz, 10GHz和10.5GHz时，（d）φ=45°和（e）φ=-45°平面上的远场测量和仿真结果对比图以及（f）电场的强度分布和（g）相位分布的近场测量结果。
该研究基于传播相位原理提出了一种简单的TCMS结构，进一步应用相位叠加和相位补偿原理，将3-bit单元按照编码序列方案进行组阵排布，通过软件仿真和样品测试验证了该设计可以在9GHz-10.5GHz频率范围内生成多波束和高纯度的OAM。该方案相比之前的工作具有诸多明显优势：1.避免馈源遮挡。相比于反射超构表面由于馈源对电磁波传播路径的遮挡，从而影响辐射效果，该TCMS可以有效避免此类不足；2.提升OAM产生性能。在单个馈源的激励下，能够生成四个具有高纯度的OAM波束，发展了OAM的复用方式；3.拓宽工作带宽。相比基于Pancharatnam-Berry相位原理，设计的TCMS工作带宽可以达到15.3%。
总的来说，本研究工作将传播相位原理应用于TCMS，突破了OAM透射波在波束数量、工作带宽，模式纯度等方面的局限，在未来基于OAM的无线信息传输和多目标探测等领域具有无限的潜力和重要的应用价值。
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/10.1002/adts.202200842
