一种基于COMSOL的SPP频域建模研究

西北师范大学物理与电子工程学院 李丙宏 祁云平

螺旋相位板（SPP）是应用于光镊、光通信、量子信息传输、超分辨成像等领域的用于产生涡旋电磁波的装置，它在RFID领域的应用几乎为零。因此本文对几何相差为π / 2的几何结构进行了仿真模拟，得到了比较细致的电场模。

引言：随着现代通信技术及物联网的高速发展，高性能的射频识别（RFID）系统被物联网所广泛吸纳，电磁散射相关的研究逐渐成为业界研究的重点。2017年9月Harting推出了可识别列车的RFID天线。2018年7月Feig推出了一款可跟踪人员及资产等的RFID读取器。可见作为RFID的信息传输的直接参与者——RFID天线所起的作用不容小觑。由于螺旋电磁波携带有轨道角动量而体现出的新的自由度，所以具备超越现有成熟应用的新特点。产生螺旋电磁波的装置，比较常见的就是螺旋相位板（SPP），它可以分为反射型和透射型两种。透射型SPP比较典型，它可产生携带有轨道角动量（OAM）的准贝赛尔波束。

一般情况下，计算机无法直接绘制出模型产生的螺旋电磁波，但我们可以通过模型计算的电场模来与贝塞尔函数的波形作比较。同时也可以参考光学螺旋相位板。

图1

1.建模

建立如图1几何结构：

模型尺寸：外围底面半径r=5mm，实体高h=3mm，单元相差π/2（图1-a）；中间馈电部分：直径1mm；高度2mm（图1-b）。

建立较为理想的几何结构单元，需要考虑以下几个方面：散射性能，排列方式，参数敏感性及计算单元的匹配性。SPP可近似处理为电容和电感复合的等效电路。

SPP使用的材料属性为：

表1

将整个SPP的螺旋面及馈电面设置为完美电导体，中心轴线附近符合傍轴条件。对于边界采用边界模式分析，扩散至全场有：

其中常数与表-1对应。匹配阻抗50Ω。

2.物理场设定及计算

使用电磁波频域（emw），计算过程将几何非线性计算剔除。

图2 完美电导体

图3 散射边界区域

图4 传输线

图5吸收边界

完美电导体如图2，方程为：

散射边界如图3，方程为：

传输线如图4，方程为：

吸收边界如图5，方程为：

基函数模型采用文献[3]的形式，最终输入范围在1--30GHz的随机波频率的电磁波经约束计算后，馈电中心区域的电场模如图6。电场模随频率的变化如图7。

图6

图7

3.结论

该模型可在5GHz--30GHz之间产生有约束的电场模。