CN104466424B - 一种产生贝塞尔波束的变换透镜 - Google Patents

Abstract

一种产生贝塞尔波束的变换透镜，包括两个外层介质透镜和一个芯层介质透镜，外层介质透镜为低介电常数的介质片，按正方形网格排布有插入相移为0度—90度的移相单元，芯层介质透镜为高介电常数的介质片，按相同的正方形网格排布有插入相移为0度或180度的移相单元，所述的介质变换透镜可以将入射高斯波束变换为贝塞尔波束，且具有变换效率高、转换波束多样化、易于加工安装等优点。

Description

一种产生贝塞尔波束的变换透镜

技术领域

本发明涉及一种透镜，尤其是涉及一种产生贝塞尔波束的变换透镜。

背景技术

贝塞尔波束具有聚束传播特性，能以无衍射的方式传播相当远的距离，在光学领域得到深入研究。随着微波毫米波技术的发展，需要在微波毫米波频段产生能聚束传输的贝塞尔波束。

在光学领域，可以通过环缝法、全息成像等变换产生贝塞尔波束，但这些方法在微波毫米波频段很难实现，且转换效率低。在微波毫米波领域，一种比较简单的变换透镜是轴棱锥透镜，它能将入射高斯波束变换为零阶贝塞尔波束，但轴棱锥透镜的介质层中间部位厚，边缘部位薄，当电磁波穿过介质层时有损耗，轴棱锥透镜中间部位介质厚，损耗大，因此轴棱锥透镜的对电磁波束的转换效率低，同时轴棱锥透镜只有中间厚边缘薄一种厚度分布方式，只能变换产生零阶贝塞尔波束，无法产生其他阶贝塞尔波束。另一种变换透镜是二元衍射透镜，通过控制透镜上不同位置介质的厚度来控制透镜口径面上的相位，在毫米波亚毫米波频段能高效率地将高斯波束变换为贝塞尔波束，但二元衍射透镜通过介质透镜上不同位置介质的厚度来控制透镜口径面上的相位，在透镜口径面相位变化剧烈的位置，会出现介质突然增厚和突然变薄等厚度突变情况，在机械加工时，突然增厚的凸起容易折断，突然变薄的深槽加工刀具难以达到，因此加工难度大，同时二元衍射透镜各个位置介质厚度不等，透镜不是平面结构，使透镜不易平放，安装和保存难度大。因此需要一种转换效率高、转换波束多样化、易于加工安装的介质变换透镜，在微波毫米波频段变换产生贝塞尔波束。

发明内容

技术问题：本发明针对上述在微波毫米波频段现有变换产生贝塞尔波束的透镜的技术不足，提供一种转换效率高、转换波束多样化、易于加工安装的产生贝塞尔波束的介质变换透镜。

技术方案：本发明的产生贝塞尔波束的变换透镜，包括两个外层介质透镜和一个芯层介质透镜，所述的两个外层介质透镜和一个芯层介质透镜均为圆形平面结构，且按外层介质透镜、芯层介质透镜、外层介质透镜的顺序依次共轴并排放置，外层介质透镜的低介电常数小于芯层介质透镜的介电常数，外层介质透镜上设置有按正方形网格排列的移相单元，每个移相单元由4个直径相等的第一圆柱通孔组成，且4个第一圆柱通孔在正方形网格的一个单元内均匀布置，通过设置各移相单元的圆柱通孔直径，分别实现0度-90度的插入相移；芯层介质透镜上按与外层介质透镜上相同的正方形网格排列有移相单元，并通过设置各移相单元的圆柱通孔直径，分别实现0度移相单元和180度移相单元，所述0度移相单元由4个直径相等的第二圆柱通孔组成，且4个第二圆柱通孔在正方形网格的一个单元内均匀布置，所述180度移相单元由4个直径相等的第三圆柱通孔组成，且4个第三圆柱通孔在正方形网格的一个单元内均匀布置。

本发明的优选方案中，外层介质透镜上的移相单元的分布和芯层介质透镜上的0度移相单元和180度移相单元的分布都关于变换透镜的垂直轴呈左右对称，关于变换透镜的水平轴线呈上下对称。

本发明的优选方案中，外层介质透镜上的移相单元的圆柱通孔直径及分布，芯层介质透镜上移相单元的圆柱通孔直径及分布通过遗传算法优化得到，过程如下：

1)将外层介质透镜上第一象限内的移相单元的圆柱通孔直径，从最左下角移相单元开始，按先列变化后行变化的顺序，依次设为D11，D12....，D21，D22....，Dnm，其中n为第一象限内移相单元的行数，m为第一象限内第n行移相单元的列数；

将芯层介质透镜上第一象限内的移相单元的圆柱通孔直径，从最左下角移相单元开始，按先列变化后行变化的顺序，依次设为DC11，DC12...，DC21，DC22...，DCnm，其中n和m的取值与外层介质透镜相同。

2)采用全波电磁仿真软件计算当高斯波束入射时，变换透镜后距离L处的与变化透镜平行的输出圆面S上的电场幅度分布E(r)，其中r为输出圆面S上的点到输出圆面S圆心的距离。

3)取求输出圆面S上的电场幅度分布E(r)与贝塞尔波束场分布的均方差的最小值作为目标函数：

$ObjF=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\[E\left(r_i\right)-E_0{J}_l\left(k_r{r}_i\right)\]}^2}$

其中ObjF为目标函数，N为输出圆面S上的取样点数目，∑为求和符号，r_i为输出圆面S上的取样点直角坐标，E(r_i)为输出圆面S上坐标r_i处的电场幅度分布，E₀为贝塞尔波束场分布的幅度，J_l为l阶贝塞尔函数，l为贝塞尔函数的阶数，k_r为径向传播常数。

4)以D11，D12...，D21，D22...，Dnm以及DC11，DC12...，DC21，DC22...，DCnm为优化变量，外层介质透镜上第一象限内的移相单元的圆柱通孔直径的取值范围和芯层介质透镜上第一象限内的移相单元的圆柱通孔直径的取值范围为约束条件，ObjF为目标函数，采用遗传算法工具箱进行优化，得到外层介质透镜上的移相单元的圆柱通孔直径及分布和芯层介质透镜上的移相单元的圆柱通孔直径及分布的最优解；

所述外层介质透镜上第一象限内的移相单元的圆柱通孔直径的取值范围为：

D11，D12...，D21，D22...，Dnm∈[DMIN，DMAX]

其中DMIN为外层介质透镜上插入相移为0度的移相单元中4个圆柱通孔的直径，DMAX为外层介质透镜上插入相移为90度的移相单元中4个圆柱通孔的直径；

所述芯层介质透镜上的移相单元的圆柱通孔直径的取值范围为：

DC11，DC12...，DC21，DC22...，DCnm∈{DC1,DC2}

其中DC1为芯层介质透镜上插入相移为0度的移相单元中4个圆柱通孔的直径，DC2为芯层介质透镜上插入相移为180度的移相单元中4个圆柱通孔的直径。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

在微波毫米波频段，轴棱锥透镜也可以将高斯波束转换为贝塞尔波束，但轴棱锥透镜中间部位介质层厚，且厚度远大于本发明的变换透镜，当电磁波从空气中入射到空气与介质分界面时，部分电磁波被介质反射，部分电磁波穿过介质层透射。轴棱锥透镜由一种介质组成，在空气与介质分界面上介电常数变化大，由斯涅耳定律，电磁波在分界面的反射也大。同时，电磁波穿过介质时介质对电磁波会有损耗，介质越厚损耗越大，由于轴棱锥透镜中间部位介质厚度远大于本发明的变换透镜，那么电磁波的穿过轴棱锥的透射损耗就大，因此轴棱锥透镜的对电磁波的转换效率低。本发明的变换透镜采用外层介电常数低于芯层介电常数的三明治结构，减小入射和出射表面了空气和外层介质表面介电常数的相对变化，实现电磁波在入射和出射表面的阻抗匹配，降低了入射电磁波的反射，增大透波率，同时，变换透镜的三层介质的总厚度小于轴棱锥透镜，电磁波的介质层中的透射损耗也小，提高了变换透镜对电磁波的变换效率。

同时，轴棱锥透镜只有中间厚边缘薄一种厚度分布方式，只能在透镜输出口径面产生一种相位分布，变换产生零阶贝塞尔波束，无法产生其他阶贝塞尔波束，本发明的变换透镜采用不同直径的圆柱通孔作为插入相移调节单元，结合遗传优化算法，可以设置不同的优化目标函数，从而得到不同的输出口径面相位分布，变换产生多种样式的贝塞尔波束。

二元衍射透镜通过介质透镜上不同位置介质的厚度来控制透镜口径面上的相位，在口径面相位变化剧烈的位置，会出现介质突然增厚和突然变薄的情况，在机械加工时，突然增厚的凸起容易折断，突然变薄的深槽加工刀具难以达到，因此加工难度大，同时二元衍射透镜各个位置厚度不一致，不是平面结构，使透镜不易平放，安装和保存难度大。本发明的变换透镜通过圆柱通孔作为插入相移调节单元，圆柱通孔大小在可加工范围内变换，仅需要通过不同直径的钻孔加工即可，不存在凸起或深槽，容易加工实现，且变换透镜整体为圆形平面结构，比二元衍射透镜的非平面结构更易于安装和保存。

附图说明

图1为本发明变换透镜的侧视图

图2为本发明外层介质透镜的正视图

图3为本发明芯层介质透镜的正视图

图4为本发明外层介质透镜上第一象限内的正方形网格排列示意图

图5为本发明外层介质透镜上移相单元示意图

图6为本发明芯层介质透镜上移相单元示意图，其中图6a为0度移相单元，图6b为180度移相单元

图7为本发明外层介质透镜上移相单元4个圆柱通孔直径与移相单元插入相移关系曲线

图8为利用本发明变换透镜产生贝塞尔波束的光路结构示意图

图中有：外层介质透镜1、芯层介质透镜2、移相单元11、移相单元11中第一圆柱通孔111、112、113、114，移相单元11中第一圆柱通孔111的直径115，0度移相单元21、180度移相单元22、0度移相单元21中第二圆柱通孔211、212、213、214，0度移相单元21中第二圆柱通孔211的直径215、180度移相单元22中第三圆柱通孔221、222、223、224，180度移相单元22中第三圆柱通孔221的直径225。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图，对本发明作详细说明。

本实施例为一个将入射高斯波束变换产生零阶贝塞尔波束的变换透镜，变换透镜为三层结构，如图1。产生贝塞尔波束的变换透镜包括外层介质透镜1和芯层介质透镜2，均是直径为50毫米的圆片，且按外层介质透镜1、芯层介质透镜2、外层介质透镜1的顺序依次共轴并排放置，外层介质透镜1的介电常数为2.2，小于芯层介质透镜2的介电常数6.15，外层介质透镜1的厚度为3.175毫米，外层介质透镜1上设置有边长为1.5毫米的正方形网格，如图4所示，在每个正方形网格内有由4个圆柱通孔组成的移相单元11，移相单元11的4个第一圆柱通孔111，112，113，114在正方形网格的一个单元内均匀布置，即4个第一圆柱通孔111，112，113，114的圆心组成一个边长为0.75毫米的正方形，且与所在正方形网格的各边平行、距离均为0.375毫米。通过设置各个移相单元11的4个第一圆柱通孔111，112，113，114的直径在0.2毫米—0.65毫米，即可实现0度—90度的插入相移，各个移相单元11的4个第一圆柱通孔111，112，113，114的直径D与移相单元引入的插入相移对应关系曲线如图7所示。芯层介质透镜2的厚度为3.175毫米，芯层介质透镜2上按与外层介质透镜1上相同的正方形网格排列有移相单元，通过设置各个移相单元的圆柱通孔直径为0.4毫米或0.65毫米，可以分别实现0度移相单元21和180度移相单元22。0度移相单元21由4个直径均为0.4毫米的第二圆柱通孔211，212，213，214组成，且4个第二圆柱通孔211，212，213，214在正方形网格的一个单元内均匀布置，即4个第二圆柱通孔211，212，213，214的圆心组成一个边长为0.75毫米的正方形，且与所在正方形网格的各边平行、距离均为0.375毫米，如图6a所示。180度移相单元22由4个直径均为0.65毫米的第三圆柱通孔221，222，223，224组成，且4个第三圆柱通孔221，222，223，224在正方形网格的一个单元内均匀布置，即4个第三圆柱通孔221，222，223，224的圆心组成一个边长为0.75毫米的正方形，且与所在正方形网格的各边平行、距离均为0.375毫米，如图6b所示。

将外层介质透镜1上第一象限的183个移相单元的圆柱通孔直径和芯层介质透镜第一象限内的183个移相单元的圆柱通孔直径设为变量，外层介质透镜第一象限的183个移相单元的圆柱通孔直径的取值范围为0.2毫米—0.65毫米，其中移相单元的圆柱通孔直径为0.2毫米时引入的插入相移为0度，移相单元的圆柱通孔直径为0.65毫米时引入的插入相移为90度，芯层介质透镜第一象限内的183个移相单元的圆柱通孔直径的取值为0.4毫米或0.65毫米，其中移相单元21的圆柱通孔直径的取值为0.4毫米，引入的插入相移为0度，移相单元22的圆柱通孔直径为0.65毫米，引入的插入相移为180度，采用全波电磁仿真软件，如HFSS，CST等，计算变换透镜后距离100毫米处与变换透镜平行的输出圆面S上的电场幅度分布E(r)，其中r为输出圆面S上的点到输出圆面S圆心的距离。在输出圆面S上的电场幅度分布E(r)中取732个取样点，以下式为目标函数：

$ObjF=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\[E\left(r_i\right)-E_0{J}_0\left(k_r{r}_i\right)\]}^2}$

其中J₀为零阶贝塞尔函数，N为732，采用的遗传算法工具箱，如GAOT、GATBX、GADS等，优化得到外层介质透镜1上移相单元11的圆柱通孔直径及分布，如图2所示，芯层介质透镜2上移相单元的圆柱通孔直径及分布，如图3所示。

利用上面所设计的变换透镜，在微波毫米波频段变换产生零阶贝塞尔波束的光路如图8所示。将微波毫米波信号从波纹喇叭左侧馈电口馈入，经喇叭辐射产生高斯波束，出射高斯束经凸透镜变换后在凸透镜后聚束，将所设计的产生贝塞尔波束的变换透镜放置于聚束高斯波束束腰处，并使变换透镜与波纹喇叭、凸透镜共轴，在变换透镜后方得到零阶贝塞尔波束。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种产生贝塞尔波束的变换透镜，包括两个外层介质透镜(1)和一个芯层介质透镜(2)，其特征在于，所述外层介质透镜(1)和芯层介质透镜(2)均为圆形平面结构，且按外层介质透镜(1)、芯层介质透镜(2)、外层介质透镜(1)的顺序依次共轴并排放置，外层介质透镜(1)的介电常数小于芯层介质透镜(2)的介质常数，外层介质透镜(1)上设置有按正方形网格排列的移相单元(11)，每个移相单元(11)由4个直径相等的第一圆柱通孔(111，112，113，114)组成，且4个第一圆柱通孔(111，112，113，114)在正方形网格的一个单元内均匀布置，通过设置各移相单元(11)的圆柱通孔直径，分别实现0度—90度的插入相移；所述芯层介质透镜(2)上按与外层介质透镜(1)上相同的正方形网格排列有移相单元，并通过设置各移相单元的圆柱通孔直径，分别实现0度移相单元(21)和180度移相单元(22)，所述0度移相单元(21)由4个直径相等的第二圆柱通孔(211，212，213，214)组成，且4个第二圆柱通孔(211，212，213，214)在正方形网格的一个单元内均匀布置，所述180度移相单元(22)由4个直径相等的第三圆柱通孔(221，222，223，224)组成，且4个第三圆柱通孔(221，222，223，224)在正方形网格的一个单元内均匀布置，所述的外层介质透镜(1)上的移相单元(11)的分布，所述芯层介质透镜(2)上的0度移相单元(21)和180度移相单元(22)的分布都关于变换透镜的垂直轴呈左右对称，关于变换透镜的水平轴线呈上下对称。

2.根据权利要求1所述的产生贝塞尔波束的变换透镜，其特征在于，所述的外层介质透镜(1)上的移相单元(11)的圆柱通孔直径及分布，所述芯层介质透镜(2)上移相单元的圆柱通孔直径及分布通过遗传算法优化得到，过程如下：

1)将外层介质透镜(1)上第一象限内的移相单元的圆柱通孔直径，从最左下角移相单元开始，按先列变化后行变化的顺序，依次设为D11，D12....，D21，D22....，Dnm，其中n为第一象限内移相单元的行数，m为第一象限内第n行移相单元的列数；

将芯层介质透镜(2)上第一象限内的移相单元的圆柱通孔直径，从最左下角移相单元开始，按先列变化后行变化的顺序，依次设为DC11，DC12...，DC21，DC22...，DCnm，其中n和m的取值与外层介质透镜(1)相同；

2)采用全波电磁仿真软件计算当高斯波束入射时，变换透镜后距离L处与变换透镜平行的输出圆面S上的电场幅度分布E(r)，其中r为输出圆面S上的点到输出圆面S圆心的距离；

3)取输出圆面S上的电场幅度分布E(r)与贝塞尔波束场分布的均方差的最小值为目标函数：

$ObjF=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\[E\left(r_i\right)-E_0{J}_l\left(k_r{r}_i\right)\]}^2}$

其中ObjF为目标函数，N为输出圆面S上的取样点数目，∑为求和符号，r_i为输出圆面S上的取样点直角坐标，E(r_i)为输出圆面S上r_i处的电场幅度分布，E₀为贝塞尔波束场分布的幅度，J_l为l阶贝塞尔函数，l为贝塞尔函数的阶数，k_r为径向传播常数；

4)以D11，D12...，D21，D22...，Dnm以及DC11，DC12...，DC21，DC22...，DCnm为优化变量，外层介质透镜(1)上第一象限内的移相单元的圆柱通孔直径的取值范围和芯层介质透镜(2)上第一象限内的移相单元的圆柱通孔直径的取值范围为约束条件，ObjF为目标函数，采用遗传算法工具箱进行优化，得到外层介质透镜(1)上的移相单元(11)的圆柱通孔直径及分布和芯层介质透镜(2)上的移相单元的圆柱通孔直径及分布的最优解；

所述外层介质透镜(1)上第一象限内的移相单元的圆柱通孔直径的取值范围为：

D11，D12...，D21，D22...，Dnm∈[DMIN，DMAX]

其中DMIN为外层介质透镜(1)上插入相移为0度的移相单元中4个圆柱通孔的直径，DMAX为外层介质透镜(1)上插入相移为90度的移相单元中4个圆柱通孔的直径；

所述芯层介质透镜(2)上的移相单元的圆柱通孔直径的取值范围为：

DC11，DC12...，DC21，DC22...，DCnm∈{DC1,DC2}

其中DC1为芯层介质透镜(2)上插入相移为0度的移相单元中4个圆柱通孔的直径，DC2为芯层介质透镜(2)上插入相移为180度的移相单元中4个圆柱通孔的直径。