螺旋相位板生成涡旋电磁波仿真研究

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1、2017年6月宇航计测技术Jun．'2017第37卷第3期JournalofAstronauticMetrologvandMeasurementV01．37．No．3文章编号：1000—7202(2017)03—0010—04DoI：10．12060／j．issn．1000—7202．2017．03．03螺旋相位板生成涡旋电磁波仿真研究王嘉欣1时光2(1．北京理工大学信息与电子学院电磁仿真中心，北京10008l；2．南京邮电大学，南京210046)摘要涡旋电磁波的产生方式有多种，使用涡旋相位板即为其中重要的一种方式。该文对螺旋相位板产生涡

2、旋电磁波的情况进行了仿真．通过仿真。给出了在喇叭天线口面上覆盖螺旋相位板时生成的涡旋电磁波的幅度相位分布。关键词涡旋电磁波轨道角动量喇叭天线螺旋相位板中图分类号：TNoll文献标识码：ASimulationoftheVortexWaVeGeneratingbasedonSpiralPhasePlateWANGJia—xinlSHIGuan92(1．CenterforElectromagneticSimulation，BeijingInstituteofTechnology，Beijing10008l；2．NanjingUniversity

3、ofPostsandTelecommunications，Nanjing210046，China)AbstractThereareseveralmethodstogenemtethevortexwave．Thegeneratingmethodbasedonspiralphaseplateisanimportantone．Thispapersimulatesthevortexwavegeneratingbasedonthespiralphaseplate．Throughthesimulation，theamplitudeandthephas

4、edistributionmapsoftheVortexwaVegeneratedbycoV—eringtheapertureofthehornantennawithspiralphaseplatearegiven．KeywordsElectmmagneticvonex0rbitalangularmomentumHornantennaSpiralphaseplate1引言涡旋电磁波的发现是从光领域开始的，1992年荷兰物理学家AllenL发现了拉盖尔一高斯(Laguerre—Gaussian)激光束携带轨道角动量’“。2007年，Thid

5、eB等》151的研究结果将光学波数的轨道角动量特性扩展到了电磁波束。目前研究其在自由空间的电磁特性具有理论研究意义，其预期应用在无线通信扩容及雷达探测等方面具有诱人前景。本文采用FEKO进行目标建模，在矩形喇叭天线口径上添加螺旋相位板，利用矩形喇叭天线产生的电磁波辐射通过螺旋相位板产生涡旋电磁波。使用SIE—MLFMA方法计算辐射电场。本文主要分析喇叭天线口径处添加螺旋相位板后的近场分布隋况。收稿日期：2017一05—23，修回日期：2017一06一06作者简介：王嘉欣(1993．09一)，女，硕士研究生，主要研究方向：微波成像技术。第3

6、期螺旋相位板生成涡旋电磁波仿真研究2基本结构2．1矩形喇叭天线喇叭天线是一种被广泛应用的微波天线。矩形喇叭天线的结构是由矩形波导逐渐展开形成的。合理选择喇叭尺寸和形状，可以取得良好的辐射特性。本文使用的矩形喇叭天线尺寸如图1所示。1卜'●卜———————————-●-卅———————————————————————·-■短路面距离波导氏嗽喇长6．4582550(a)侧面lb)正面图1喇叭尺寸示意图该矩形喇叭是由波导窄面和宽面同时扩展形成的角锥喇叭。喇叭L1径长57．4mm，宽44mm；采用BJl40型波导，频率范围在(11．9～18．o)

7、GHz。2．2螺旋相位板螺旋相位板(spiralphaseplate，SPP)呈螺旋状分布，入射波通过SPP出射的电磁波具有螺旋相位波前，波数中心具有相位奇点，场强为零。理想的螺旋相位板，它的相位改变是连续的，高度随着旋转角度e的增加而线性增加。但由于工艺技术限制，实际使用的是阶梯型螺旋相位板(multi一1evelstepspiralphaseplate，ML—SPP)，女口图2所示，其术目位改变不再连续，厚度的线性增加是阶梯状的。人射波通过SPP产生的相位延迟为：△0(¨)=譬瞥椭0]拓扑荷数表达式为：f=^。(n—nn)／A(2)式

8、中：n——SPP的折射率；n。——周围介质的折射率；入——入射波波长；^。——台阶厚度；矗0_SPP基底厚度；危一一SPP厚度^=‰+允。(洲2叮T)。+根据式(1)，当旋转角度O从O增大到2