机械可重构超表面实现动态多模轨道角动量波束生成及其在通信领域的应用

为解决传统可编程超表面设计复杂、成本高昂的问题，研究人员提出了一种基于机械可重构超表面的动态多模轨道角动量(OAM)波束生成方法。通过精心设计两片超表面的相位分布，仅需调整相对位移即可实现六种OAM模式(l=±1,±2,±3)的动态切换。该工作在21-24 GHz频段实现了高于-3 dB的透射率和全相位调制，为未来OAM通信系统提供了低成本、易操作的解决方案。

　　

在电磁波通信领域，轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)因其携带无限正交模式的理论特性，被视为突破通信容量瓶颈的关键技术。然而现有OAM生成技术面临两难困境：被动超表面虽结构简单但功能固定，可编程超表面虽调控灵活却依赖大量有源器件导致成本居高不下。这一矛盾严重制约了OAM技术在通信、雷达成像等领域的实际应用。

针对这一挑战，国内研究人员在《Materials Today Electronics》发表创新成果，提出基于机械可重构超表面的动态OAM生成方案。该研究通过两片特殊设计的被动超表面相对位移实现模式重构，在21-24 GHz频段成功生成六种OAM模式(l=±1,±2,±3)，平均模式纯度达87.6%。这项工作为动态OAM系统提供了兼具高性能与低成本的新思路。

研究团队主要采用三项关键技术：1) 基于泰勒展开和微分积分运算的相位分布设计方法，建立位移参数d与拓扑电荷l的定量关系(l=d/3p)；2) 四层堆叠的Pancharatnam-Berry(P-B)相位单元设计，通过旋转缺口铜环实现0-2π全相位调控；3) 机械位移精确控制系统，采用9.75 mm间距定位孔实现亚波长级位移精度。

【理论设计与仿真】
通过建立φ(x,y,d)=φ₁
(x,y+d/2)+φ₂
(x,y-d/2)的相位叠加模型，推导出等效相位与位移的微分关系φ≈d·?φ_α
/?y。当两超表面相位分布互为相反数时，系统可实现位移参数d与OAM拓扑电荷l的线性对应(l=±1对应d=±3p)。

【单元设计】
创新设计四层堆叠单元结构(三介质层+四金属层)，采用缺口铜环实现P-B相位调控。仿真显示在21-24 GHz频段透射率高于-3 dB，交叉极化转换效率达-0.3 dB(22 GHz)。通过旋转上层或下层单元可独立调控传输相位，相位响应符合θ_LCP
=2θ_rot
的理论预期。

【数值仿真】
36×30单元阵列仿真显示，位移d从-9p到+9p变化时，可依次生成l=-3至+3的OAM波束。相位分布呈现预期螺旋特征，中心振幅为零，22 GHz时模式纯度达89.8%。宽带特性分析表明，21-24 GHz频段相位响应稳定，验证了设计的频率无关性。

【实验结果】
实测结果与仿真高度吻合，六种OAM模式的平均纯度达81.1%。值得注意的是，两超表面采用完全相同几何图案，仅通过机械位移即实现功能重构，大幅降低加工复杂度。测量中发现的模式纯度降低主要源于非理想平面波前馈和电磁干扰。

该研究突破性地证明，通过精心设计的被动超表面机械重构即可实现动态OAM调控，避免了传统可编程超表面复杂的偏置网络和主动元件需求。这种"机械位移编码"的创新方法，为未来OAM通信系统提供了兼具高性能与低成本的技术路径。特别在毫米波/太赫兹频段，该方案可显著降低系统复杂度和功耗，对推动OAM技术在6G通信、雷达成像等领域的实用化具有重要意义。