Устройство для одновременного формирования электромагнитных волн с различными ненулевыми орбитальными угловыми моментами на одной несущей частоте
DEVICE FOR THE SIMULTANEOUS FORMATION OF ELECTROMAGNETIC WAVES WITH DIFFERENT NON-ZERO ORBITAL ANGULAR MOMENTUM AT THE SAME CARRIER FREQUENCY

Настоящее изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для одновременного формирования электромагнитных волн с различными ненулевыми орбитальными угловыми моментами (ОУМ) на одной несущей частоте. Областью применения является телекоммуникационные системы миллиметрового диапазона длин волн. Устройство предназначено для повышения эффективности использования спектра частот и скорости передачи данных.
Одним из перспективных способов повышения эффективности использования частотного спектра является передача информации посредством электромагнитных волн с ненулевыми ОУМ. Преимущество данного способа передачи информации обусловлено тем, что на одной несущей частоте можно формировать несколько независимых информационных каналов, ввиду взаимной ортогональности мод ОУМ с различным топологическим зарядом, что обуславливает их независимое распространение в пространстве.
Наиболее простым из известных на сегодняшний день методов формирования волн с ненулевым ОУМ является использование спиральной фазовой пластины (СФП) из линейного диэлектрика. Она осуществляет преобразование плоской электромагнитной волны, излучаемой сторонним источником, в спиральный фазовый волновой фронт, соответствующий волнам с ненулевым ОУМ. Вчастности, конструкциякруглой СФП, описаннаявработе [L. Zhu, X. Wei, J. Wang, Z. Zhang, Z. Li, H. Zhang, S. Li, K. Wang, andJ. Liu, inProc. Opt. FiberCommun. Conf. Expo., p. M3K.7 (2014)], реализована в виде пластины линейного диэлектрика с дискретным изменением толщины по азимутальному углу. Дискрет изменения толщины пластины выражается как ,где  топологический заряд ОУМ,  – длина волны в свободном пространстве,  – азимутальный угол,  – показатель преломления диэлектрика,  – показатель преломления свободного пространства. Недостатками данной конструкции являются:возможность формирования только одной моды ОУМ, узкая рабочая полоса частот и рельефный профиль.
th
ИзвестенусовершенствованныйвариантконструкцииСФП, описанный в работе [A. Bennis, R. Niemiec, C. Brousseau, K. Mahdjoubi, andO. Emile, inProc. 7Eur. Conf. AntennasPropag., pp. 3203–3207 (2013)], представляющую из себя планарную структуру. Трансформация волнового фронта электромагнитной волны осуществляется уже не за счет изменения толщины СФП, а за счет изменения эффективной диэлектрической проницаемости. Искусственное изменение диэлектрической проницаемости осуществляется путем добавления воздушных полостей в объем диэлектрика. В отличии от предыдущего варианта, изделие является планарной структурой, однако, все остальные недостатки конструкции остаются. При уменьшении диаметра СФП размер полостей в объеме диэлектрика для задания необходимой эффективной диэлектрической проницаемости уменьшается и реализовать технологически конструкцию становится сложнее.
Другим типом конструкции является многослойная фазовая пластина, состоящая из чередования металлических и диэлектрических слоев (метаматериалы). Она также осуществляет преобразование плоского фазового фронта электромагнитной волны, излучаемой сторонним источником в спиральный. Работаописанавпатенте [патент CN105206900A, опубликован 20.10.2017]. Данная конструкция изготавливается по технологии печатных плат, имеет небольшие размеры, малый вес, но сложна в процессе проектирования и обеспечивает формирования только одной моды электромагнитной волны с ненулевым ОУМ.
Известна конструкция круглой антенной решетки (КАР), состоящей из равномерно распределенного по окружности массива антенных элементов, в которой каждый элемент излучает волну определенной фазы. Разность фаз между соседними элементами антенной решетки составляет , где l – топологический заряд ОУМ, N – количество элементов решетки. Конструкция, состоящая из восьми патч-элементов с круговой поляризацией, описана в патенте [патент CN204966687U, опубликован 13.01.2016]. Недостатком такой конструкции является ее узкая рабочая полоса частот и сложная схема фидерной части, состоящая из высокоскоростного высокочастотного ключа для создания требуемой разности фаз между излучателями. Преимуществом по сравнению с предыдущими конструкциями является возможность перестройки моды ОУМ за счет управления фазой входного сигнала на антеннах элементах.
Другой пример конструкции антенной решетки описан в патенте [патент CN109755765A, опубликован 12.01.2021]. Конструкция представляет собой восьмиэлементную антенную решетку с фидером, выполненнымна основе микрополосковой линии передачи, для задания необходимой разности фаз между излучателями. Преимуществом, в сравнении с предыдущей конструкцией, является упрощенная и удешевленная конструкции фидера. Однако недостатком является сложность реализации структуры для работы в миллиметровом диапазоне длин волн.
Вработе [J. U. YooandH. W. Son, Microw. AntennasPropag.,vol. 14, no. 8, pp. 728-733, (2020)] описана конструкция на основе однородной круглой антенной решетки, способная одновременно формировать несколько мод ОУМ с разными топологическими зарядами. В отличии от предыдущих конструкций этого типа в данной антенной решетке элементарные излучатели расположены по двум окружностям разного радиуса, каждая из которых формирует волны с заданным ОУМ. Недостатком таких конструкций для одновременного формирования волн с ненулевыми ОУМ является сложная схема фидера для задания требуемых фазовых соотношений на каждом излучателе, а также отсутствие возможности перестройки моды из-за фиксированной топологии фидера.
В качестве прототипа было принято техническое решение устройства, представленное в работе [A.Altynnikov,R.Platonov,A.Tumarkin,P.K.Petrov, A.Kozyrev, Coatings 11, 569 (2021)]. Данное устройство предназначено для преобразования фазового фронта плоской электромагнитной волны, излученной сторонним источником в спиральный фазовый фронт с заданным топологическим зарядом. Причем величина топологического заряда ОУМ волны может быть изменена за счет управляющего электрического воздействия. Устройство, содержащее сегнетоэлектрическую пластину с радиопрозрачным покрытием двух противоположных сторон, и на первой стороне пластины радиопрозрачное покрытие разделено на отдельные гальванически развязанные электроды, с помощью зазоров, выполненных в форме линий в количестве не менее двух, исходящих из одного центра с одинаковыми углами между соседними линиями.Для согласования волнового сопротивления устройства с волновым сопротивлением свободного пространства обе стороны сегнетоэлектрической пластины с радиопрозрачными покрытиями накрыты пластинами из линейного диэлектрика той же площадис толщиной λ/4на рабочей частоте с учетом диэлектрической постоянной материала диэлектрика.  В качестве радиопрозрачного покрытия использовался материал на основе графита с толщиной слоя порядка 10 мкм и сопротивлением порядка 1 кОм/квадрат.Здесь ОУМ формируется путем изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пластины под действием электрического поля за счет подачи разных потенциалов на управляющие электроды, расположенные на первой стороне и общим электродом на второй. Недостатком данного устройства является высокое управляющее напряжение и невозможность одновременного формирования нескольких ОУМ волн с различными топологическими зарядами, что в свою очередь не позволяет повысить эффективность использования спектра частот за счет модулирования мод.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи, состоящей в том, чтобы устройство позволяло осуществлять одновременное формирование нескольких ОУМ волн с различными топологическими зарядами для повышения эффективности использования спектра частот, в частности, в миллиметровом диапазоне длин волн.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в том, чтобы одновременно формировать несколько мод ОУМ с разными топологическими зарядами с помощью дополнительного управления диэлектрической проницаемостью сегнетоэлектрической пластины путем создания дополнительных зазоров с помощью линий, образующих концентрические окружности на радиопрозрачном покрытии, расположенном на первой стороне этой пластины, тем самым создав добавочные гальванически развязанные электроды для управления электрическим полем сегнетоэлектрической пластины.
Для достижения технического результата предлагаемое устройство содержит, также как известное, сегнетоэлектрическую пластину с радиопрозрачным покрытием двух противоположных сторон, накрытых пластинами  из линейного диэлектрика толщиной λ/4 на рабочей частоте с учетом диэлектрической постоянной материала диэлектрика; при этом на первой стороне сегнетоэлектрической пластины радиопрозрачное покрытие разделено на отдельные гальванически развязанные электроды с помощью зазоров, выполненных в форме линий в количестве не менее двух, исходящих из одного центра с одинаковыми углами между соседними линиями,отличающийся тем, что на первой стороне сегнетоэлектрической пластины на радиопрозрачном покрытии дополнительно сформированы гальванически развязанные электроды с помощью зазоров в форме линий, образующих концентрические окружности, пересекающие линии, исходящие из упомянутого центра.В результате получается устройство, в котором сегнетоэлектрическая пластина способна независимо друг от друга создавать распределение диэлектрической проницаемости для требуемого топологического заряда электромагнитной волны с ненулевым ОУМ за счет подачи потенциала с постоянным шагом на управляющие электроды в области определенной окружности. Количество мод, которое способно формировать устройство определяется количеством концентрических окружностей. За счет изменения шага потенциала между соседними управляющими электродами отдельно взятой окружности можно электрически перестраивать моды.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена заявляемая конструкция устройства для одновременного формирования нескольких электромагнитных волн с ненулевыми ОУМ и разными топологическими зарядами; на фиг. 2 показан вид сверху на первую строну (а) и снизу на вторую сторону (б) сегнетоэлектрической пластины с радиопрозрачными покрытиями без согласующих пластин из линейного диэлектрика; на фиг. 3 – соотношения геометрических размеров гальванически развязанных электродов из радиопрозрачного покрытия.
1
2
3
1
1
2
2
3
Конструкция устройства представляет из себямногослойную структуру: сегнетоэлектрическая пластина1 выполняет роль активного слоя, где на его поверхность с обеих сторон наносятся покрытия 2, 3, представляющие собою радиопрозрачные слои из высокорезистивной пленки и выполняющие функции электродов для приложения управляющего напряжения, т.е. управления диэлектрической проницаемостью разных областей активного слоя. С первой стороны, радиопрозрачный слой 2 разделен на гальванически развязанные электроды с помощью зазоров, выполненных в виде концентрических окружностей M, M, M с разными радиусами и в виде прямых, проходящих через центр сегнетоэлектрической пластины 1. Таким образом можно выделить три группы электродов, лежащих внутри окружности с радиусом М и двух колец, ограниченных окружностями с радиусами М и М, а также Ми М. Причем каждая из трех групп электродов состоит из шести электродов одинаковой площади. На второй стороне сегнетоэлектрической пластины 1 наносится сплошной радиопрозрачный слой 3, формирующий электрод, который должен играть роль заземления. Приложение электрического потенциала к любому из электродов слоя 2приводит к формированию электрического поля E внутри области активного слоя 1, находящейся под этим электродом, и, как следствие, изменению диэлектрической постоянной активного слоя 1 в этой области. Все это приводит к тому, что фаза электромагнитной волны, при прохождении сквозь данную область сегнетоэлектрической пластины 1 будет меняться на некую величину θ, зависящую от величины E следующим образом(1):
где d – это толщина сегнетоэлектрического слоя 1,  – диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрического активного слоя,  – длина волны в свободном пространстве на рабочей частоте.
1
1
1
2
2
3
Рассмотрим принцип формирования волны с ненулевым ОУМ на области апертуры заявляемого устройства, ограниченной окружностью M. Для преобразования плоского фронта электромагнитной волны, проходящей через эту область апертуры, в спиральный, соответствующий волне с ненулевым ОУМ, необходимо обеспечить такое распределение электрического потенциала на электродах, чтобы величина θ была постоянной вдоль радиуса в границах каждой секции электродов, и дискретно менялась. При это θ должна иметь линейную зависимость от азимутального угла, кратную величине топологического заряда. То есть изменение θ для моды с величиной топологического заряда l=±1 будет соответствовать 360 при прохождении полного угла. Для формирования волны с ненулевым ОУМ и топологическим зарядом l=±n (где n – целое число) необходимо добиться изменения величины θ по азимуту от 0 до n 360 при прохождении полного угла. Знак топологического заряда определяет направление изменения θ (по часовой или против часовой стрелке). В заявляемом изобретении каждая из трех групп электродов, лежащих внутри окружности с радиусом М и двух колец, ограниченных окружностями с радиусами М и М, а также М и М, может быть использована для преобразования плоского фронта электромагнитной волны, проходящей сквозь сегнетоэлектрическую пластину 1, в спиральный фронт волны с ненулевым ОУМ и своим топологическим зарядом. Количество волн ОУМ с различными топологическими зарядами, которое может сформировать заявляемая конструкция устройства равно количеству групп электродов, в случае конструкции, представленной на фиг. 1, оно равно трем. Количество электродов в каждой группе электродов определяет максимальный топологический заряд электромагнитной волны с ненулевым ОУМ, которая может быть сформирована устройством, т. е. , где N – число управляющих электродов для отдельной группы электродов с минимальным значением 3. На фиг. 1 количество электродов в каждой из трех групп электродов составляет шесть, следовательно, можно формировать только моды ±1, ±2.
x
1-
x
3
76
20
4
В практической реализации заявляемой конструкции для формирования электромагнитных волн с ненулевыми ОУМ элемент 1 может изготовляться с использованием традиционной технологии для керамики (например, изготовление керамических материалов из твердого раствора BaSrTiO (BSTO) c диэлектрической проницаемостью . Радиопрозрачные электроды 2, 3 должны быть изготовлены из материалов, кремнийсодержащего резистивного твердого раствора Si-Ti-Ce, с использованием технологических процессов для формирования тонких пленок, например, магнетронного распыления. Для создания зазоров на радиопрозрачном покрытии 2, формирующих дискретно-периодические электроды на первой стороне сегнетоэлектрической пластины 1, может использоваться процесс фотолитографии или лазерной абляции. Для согласования импеданса сегнетоэлектрической пластины 1 и свободного пространства используется линейный диэлектрик 4.1 и 4.2.
Устройство может быть использовано в области телекоммуникационных технологий для повышения информационной емкости беспроводных сетей миллиметрового диапазона длин волн, в частности таких как, абонентские сети типа точка-точка.