基于相控阵原理的超表面轨道角动量涡旋光束等发散角控制研究

《IEEE Transactions on Image Processing》：A Metasurface Implementing Phased-Array-based Vortex Beam Divergence Control for Generating Four-Channel Equal Divergence Angle Vortex Beams

本刊推荐：为解决轨道角动量(OAM)涡旋光束在多模复用系统中因模式阶数升高导致发散角急剧增大、正交性要求严格对齐等问题，研究人员开展了基于相控阵原理的超表面OAM发散角控制研究。通过设计双频偏振复用超表面单元，实现了四通道等高纯度涡旋光束的等发散角生成，实测结果与仿真高度吻合。该设计为涡旋光束通信和雷达探测提供了突破模式发散限制的解决方案。

　　

在无线通信容量逼近香农极限的背景下，轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）作为电磁波的新维度资源，凭借其模式正交性和无限拓扑电荷的特性，为突破传输瓶颈带来了曙光。涡旋光束携带的OAM在高速数据传输、高分辨率成像和量子操控等领域展现出巨大潜力。然而，多路复用系统中随着模式阶数升高，光束发散角显著增大，且模式间正交性要求收发端严格对齐和全口径接收，这些固有缺陷严重制约了OAM技术的实际应用。如何实现灵活可控的OAM发散角以延长有效传输距离，成为亟待突破的关键难题。

传统OAM控制通常采用均匀圆环阵列或透镜天线，而超表面天线通过突变的相位调控实现了更灵活的波前操控。相位叠加原理的引入进一步增强了涡旋光束的控制能力，但现有技术存在明显局限：频率选择表面（FSS）加载的设计虽然能抑制频间干扰，但模式间发散角差异大；孔径分区策略可实现等发散传播，却牺牲了孔径利用率；无衍射完美涡旋光束则受限于焦平面应用场景。这些方案均难以兼顾多模式、等发散角和高效率的要求。

针对这一挑战，本研究创新性地将相控阵原理与超表面相位控制相结合，提出了基于相控阵调控的OAM发散角控制方法。研究团队设计了一款超薄双频偏振复用超表面单元，通过集成偏振、频率和OAM多重复用技术，在无需改变孔径尺寸的前提下实现了四通道涡旋光束的等发散角生成。该设计通过优化耶路撒冷十字结构与寄生单元，实现了360°全相位覆盖和优异的角向不敏感性，相比传统FSS加载设计具有更薄剖面和更强实用性。

关键技术方法包括：1）建立相控阵调控的波束偏转模型，通过相位梯度形成等相面对发散角进行精确控制；2）采用三层金属两层介质结构，通过旋转对称设计实现双频独立操作和偏振隔离；3）应用OAM谱分解方法对涡旋光束模式纯度进行定量评估；4）通过250mm×250mm大口径超表面原型进行实验验证，在微波暗室中测量辐射方向图和模式纯度。

理论设计与单元性能

研究团队将超表面分割为无限小的线性阵列，通过建立相位梯度形成等相面进行波束控制。理论分析表明，当空间相位差与激励相位差相互抵消时，主瓣方向θ₀仅取决于激励相位差h(d)，从而可通过相位控制实现波束定向。单元设计采用F4B介质基板（ε_r=2.65，tanδ=0.001），顶层集成圆形孔径和优化耶路撒冷十字，底层十字结构搭配寄生单元增强耦合。全波仿真显示，该单元在6-11GHz和14-18GHz频段分别实现独立相位控制，且正交极化间具有良好隔离度。

四通道等发散OAM验证

基于设计的超表面单元，顶层元件在6-11GHz频段生成两个不同极化的涡旋光束，底层元件在14-18GHz频段生成另外两个极化态的光束。通过应用发散角控制原理，以15°为目标发散角，在16GHz频段产生+4模式x极化和+3模式y极化OAM光束，在8.5GHz频段产生+1模式x极化和+2模式y极化OAM光束。相位分布由馈电补偿相位、涡旋相位和发散角控制相位三部分叠加而成。

仿真结果显示，横向电场分布呈现典型的π至4π相位周期性和环形幅度零点，不同模式的环半径保持一致，验证了等发散角设计的有效性。辐射方向图证实四个通道均实现15°等发散角，OAM谱分解计算表明各模式纯度介于0.69-0.82之间，证明发散角控制方法不影响模态纯度。

实验验证与讨论

通过PCB工艺加工反射型超表面原型，在微波暗室中进行测试。测量结果与仿真高度吻合，四个OAM模式均保持等发散角特性，模式纯度与仿真结果一致。微小偏差主要源于加工公差、暗室吸收不完全和装配误差。与现有技术对比表明，该设计在实现四通道高纯度涡旋光束等发散角的同时，避免了孔径重配置，提高了孔径利用率，且不局限于焦平面应用。

本研究成功演示了基于相控阵原理的OAM发散角控制方法，通过超薄双频偏振复用超表面实现了四通道 coaxial 涡旋光束的等发散角生成。该技术突破了传统OAM复用系统的发散角限制，为轨道角动量通信和涡旋波探测应用提供了有效的解决方案，特别是在需要多模式传输和延长传播距离的场景中展现出显著优势。未来通过进一步优化单元设计和阵列规模，有望在更高频段实现更多模式的OAM复用，推动涡旋电磁波在实际系统中的广泛应用。