CN109412688A - 微波频段的无衍射相位板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种微波频段的无衍射相位板及其制作方法，无衍射相位板由增透层和连续的二阶轴棱镜结构组成，通过结构的设计，克服了传统阵列聚焦天线、电磁超透镜等电磁波能量聚焦投送距离有限、电磁波传输效率较低的缺陷。实现微波频段的无衍射相位，将传统的轴棱锥结构优化设计为平板结构，减小介质材料损耗，提升电磁波传输效率，拓展电磁能量的聚焦传输距离。

Description

微波频段的无衍射相位板及其制作方法

技术领域

本发明属于微波频段电磁波传输及相位设计技术领域，尤其涉及一种微波频段的无衍射相位板及其制作方法。

背景技术

电磁波作为能量传输的手段，可将电磁能量投送到一定距离下的目标区域，该种能量传输方式在生活、军事、能源和医疗等领域具有重要应用。由于电磁波的波动性，微波在空间传输会产生衍射扩散，随着传输距离的增加，微波弥散损耗较大导致微波能量传输利用效率低。电磁波聚焦传输是电磁波、电磁能操控领域的应用目标，现有的聚焦天线阵列、电磁超透镜均可以产生一定距离下聚束传播，聚束距离有限，集中在近场区域内。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种微波频段的无衍射相位板及其制作方法，在光学轴棱锥设计原理背景下，通过结构设计，克服了传统阵列聚焦天线、电磁超透镜等电磁波能量聚焦投送距离有限、电磁波传输效率较低的缺陷。实现微波频段的无衍射相位，将传统的轴棱锥结构优化设计为平板结构，减小介质材料损耗，提升电磁波传输效率，拓展电磁能量的聚焦传输距离。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

贝塞尔光束具有自由空间传输的无衍射特性，无衍射光束(Diffraction-FreeBeams)，即电磁波沿传播方向电磁场不发生变化。自由空间电磁波标量波动方程为：

其中，E(r,t)为场强，在笛卡尔坐标系中假设电磁波沿z方向传播，E(r,t)可以分解为沿z方向分量与横向分量相乘形式，即可实现场在横向分布不随z变化。方程(1)在z＞0具有特解：

式中，为的函数，在圆对称系统中与无关，将贝塞尔函数恒等式代入可得：

E(r，t)＝A₀J₀(kr)exp[i(βz-ωt)] (3)

其中A₀为常数，且r²＝x²+y²，波矢k为0＜k≤ω/c，J₀(kr)是第一类零阶贝塞尔函数。截面光场分布满足：

I(r，z≥0)＝|E(r，t)｜²＝｜A₀J₀(kr)|² (4)

在z≥0的区域内光场截面分布不发生变化，即贝塞尔波束传输一段距离后仍保持原来光场分布不变，类似于零阶Bessel函数，可以被看作是一个线性平移不变系统的本征函数都具有“不发散”特性，即无衍射波束。

本发明通过将空间高斯分布电磁波转换为贝塞尔无衍射波束，通过光程差设计原理控制相位在近场或远场实现聚焦传输。从高斯波束变为无衍射波束，聚焦深度发生质的变化，具体如下：

高斯波束聚焦传输距离由公式(7)决定：

其中D为发射电磁波的天线的口面直径，λ为电磁波波长。

而对于零阶Bessel波束，其最大传输距离为：

其中D为发射电磁波的天线的口面直径，λ为电磁波波长，α为电磁波垂直于传播方向波矢。通过操控α，可以实现远场无衍射聚焦。

本发明提供一种微波频段的无衍射相位板，包括增透层和连续的等效二阶轴棱镜结构，增透层设置在连续的等效二阶轴棱镜结构的下方，连续二阶轴棱镜口径0﹤R﹤1m，底角γ选取范围为10^-6﹤tanγ﹤0.02，增透层厚度为半波长整数倍。

按上述技术方案，无衍射相位板口径尺寸为2R，连续的等效二阶轴棱镜结构底角值为γ，入射电磁波波长为λ，当入射电磁波为连续波谱时，有效无衍射距离为Z_max＝R/(n-1)γ，其中n代表轴棱镜材料的折射率。

按上述技术方案，无衍射相位板口径尺寸为2R，入射电磁波波长为λ，当入射电磁波为脉冲调制波波谱时，此时经过无衍射相位板可超出传统无衍射区，实现远场的无衍射聚焦传输功能，有效无衍射距离为Z_max>π(2R)²/λ。

按上述技术方案，增透层的面积与连续的等效二阶轴棱镜结构的下表面面积相同。

本发明还提供一种制作权利要求1微波频段的无衍射相位板的方法，包括以下步骤，步骤一，入射电磁波波长为λ，波数为k,介质和真空折射率分别为n₁和n₀，电磁波入射到轴棱镜并通过轴棱镜传播；步骤二，当电磁波在二阶轴棱镜中传播距离为波长整数倍时，相位不发生变化，同时根据传播相位延迟和表面高度h(x)的关系计算，沿横向x轴和传播方向z轴将轴棱锥进行周期性分割，表面高度即为二阶轴棱锥各点处对应波程梯度h(x)＝mλ；步骤三，将轴棱锥上部去除后得到连续的等效二阶轴棱镜结构，连续的等效二阶轴棱镜结构下方设置增透层。

按上述技术方案，无衍射相位板口径尺寸为2R，连续的等效二阶轴棱镜结构底角值为γ，入射电磁波波长为λ，当入射电磁波为连续波谱时，有效无衍射距离为Z_max＝R/(n-1)γ，其中n代表轴棱镜材料的折射率。

按上述技术方案，无衍射相位板口径尺寸为2R，当入射电磁波为脉冲调制波波谱时，此时经过无衍射相位板可超出传统无衍射区，实现远场的无衍射聚焦传输功能，有效无衍射距离为Z_max>π(2R)²/λ。

按上述技术方案，增透层的面积与连续的等效二阶轴棱镜结构的下表面面积相同。

本发明产生的有益效果是：(1)本发明首次在微波频段利用二阶轴棱锥和增透层设计了一种无衍射相位板，实现无衍射近远场聚焦传输方案，相同传输距离下，该方法相对于传统高斯电磁波束能量传输，指定目标区域获得的电磁功率密度可提升10倍以上；(2)本发明结合脉冲调制微波波束设计，可以实现电磁能量远场无衍射聚焦，在远场大幅提升电磁能量功率密度；(3)本发明在微波无线输能、微波定向能武器、雷达和通信、微波遥感、肿瘤治疗等电磁波传输领域都可以产生广泛应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中轴棱锥产生无衍射贝塞尔光束几何示意图；

图2为传统轴棱锥结构本发明实施例中所使用等效二阶轴棱锥结构对比图；

图3为本发明实施例中微波段无衍射相位板截面结构示意图；

图4为本发明实施例中直径1米相位板无衍射传输沿z方向电磁能量分布图；

图5为本发明实施例中无衍射相位板沿z方向电磁能量聚焦传输图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

采用轴棱锥产生贝塞尔光束，如图1所示，一束半径为R的平行光束入射到轴棱锥上，由于光束的折射，在上下两半光束交叠的区域形成贝塞尔光束，Zmax为最大准直距离，及无衍射传输距离，轴棱锥的折射率为n，轴棱锥的底角为γ，入射光与圆锥面法线的夹角为i，出射光线与圆锥面法线夹角为j，出射光线与水平面夹角为θ。根据光束折射定律有：nsini＝sinj，再根据几何关系，可得i＝r,j＝θ+i，最大无衍射距离：

当γ值很小的时候，有sinγ≈tanγ≈γ，无衍射距离近似为：

本发明实施例中，工作在微波频段的低损耗的相位板结构，入射电磁波经过相位板后产生近似零阶贝塞尔波束，从而实现近场或远场的条件下电磁波无衍射聚焦传输。相同传输距离下，该方法相对于传统高斯电磁波束能量传输，指定目标区域获得的电磁功率密度可提升10倍以上。

设计原理如图2所示，设入射电磁波波长为λ，波数为k,介质和真空折射率分别为n₁和n₀。电磁波入射到轴棱镜并通过轴棱镜传播，当电磁波在轴棱镜中传播距离为波长整数倍时，相位不发生变化，同时根据传播相位延迟和表面高度h(x)的关系计算，取一个等效的波程梯度h(x)＝mλ，沿横向x和传播方向z将轴棱锥进行周期性分割，如图2所示，将上图传统的轴棱锥结构上部边框区域去除后得到下图所示结构的等效二阶轴棱镜，电磁波经过两种棱镜后出射电磁波相位分布相同，将传统的轴棱锥结构简化为二阶轴棱锥结构。如图3所示，无衍射相位板由增透层和连续的二阶轴棱镜结构组成，增透层厚度按照一定波长关系设计，具体厚度根据加工精度和强度要求选取合适的值。相位板口径尺寸为2R，二阶轴棱镜底角值为γ，当入射电磁波为连续波谱时，有效无衍射距离为Z_max＝R/(n-1)γ，当入射电磁波为一定规律下的脉冲调制波波谱时，经过无衍射相位板可超出传统无衍射区，实现远场的无衍射聚焦传输功能，Z_max>π(2R)²/λ，有效拓展无衍射聚焦传播距离。

相位板结构相位分布说明：本发明可以用相同尺寸的平板结构实现传统的全息轴棱锥电磁波聚焦效能。无衍射区域电磁场分布依据公式(2)计算得到，连续结构二阶轴棱锥各点处相位延迟与表面高度关系可通过波长及折射率关系计算确定。

无衍射相位板聚焦场分布图举例：按照以上说明设置相位板几何参数关系，如果连续的二阶轴棱锥结构底角精度可以得到0.01-0.05度，口径尺寸R＝0.5m时即可得到200米量级无衍射远距离聚焦传输。计算结果如图4所示，其中z为电磁波传播方向，利用直径为1米相位板可以实现200米量级无衍射，工作波长设置为10GHz(微波其他频段原理相同)。

为进一步说明本发明的创新性及实用性，在30GHz频点对贝塞尔波束无衍射远场性能进行仿真验证说明。图5为利用无衍射相位板进行波束远距离聚焦传输仿真图，通过数据对比可得到贝塞尔无衍射波束相比传统高斯波束聚焦传输距离可以大幅度提升，达到十倍瑞利距离以上。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种微波频段的无衍射相位板，其特征在于，包括增透层和连续的等效二阶轴棱镜结构，增透层设置在连续的等效二阶轴棱镜结构的下方，连续二阶轴棱镜口径0﹤R﹤1m，底角γ选取范围为10^-6﹤tanγ﹤0.02，增透层厚度为半波长整数倍。

2.根据权利要求1所述的微波频段的无衍射相位板，其特征在于，无衍射相位板口径尺寸为2R，连续的等效二阶轴棱镜结构底角值为γ，入射电磁波波长为λ，当入射电磁波为连续波谱时，有效无衍射距离为Z_max＝R/(n-1)γ，其中n代表轴棱镜材料的折射率。

3.根据权利要求1所述的微波频段的无衍射相位板，其特征在于，无衍射相位板口径尺寸为2R，入射电磁波波长为λ，当入射电磁波为脉冲调制波波谱时，有效无衍射距离为Z_max>π(2R)²/λ。

4.根据权利要求1或2或3所述的微波频段的无衍射相位板，其特征在于，增透层的面积与连续的等效二阶轴棱镜结构的下表面面积相同。

5.一种制作权利要求1微波频段的无衍射相位板的方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一，入射电磁波波长为λ，波数为k,介质和真空折射率分别为n₁和n₀，电磁波入射到轴棱镜并通过轴棱镜传播；步骤二，当电磁波在二阶轴棱镜中传播距离为波长整数倍时，相位不发生变化，同时根据传播相位延迟和表面高度h(x)的关系计算，沿横向x轴和传播方向z轴将轴棱锥进行周期性分割，表面高度即为二阶轴棱锥各点处对应波程梯度h(x)＝mλ；步骤三，将轴棱锥上部去除后得到连续的等效二阶轴棱镜结构，连续的等效二阶轴棱镜结构下方设置增透层。

6.根据权利要求5所述的微波频段的无衍射相位板制作方法，其特征在于，无衍射相位板口径尺寸为2R，连续的等效二阶轴棱镜结构底角值为γ，入射电磁波波长为λ，当入射电磁波为连续波谱时，有效无衍射距离为Z_max＝R/(n-1)γ，其中n代表轴棱镜材料的折射率。

7.根据权利要求5所述的微波频段的无衍射相位板制作方法，其特征在于，无衍射相位板口径尺寸为2R，当入射电磁波为脉冲调制波波谱时，有效无衍射距离为Z_max>π(2R)²/λ。

8.根据权利要求5或6或7所述的微波频段的无衍射相位板制作方法，其特征在于，增透层的面积与连续的等效二阶轴棱镜结构的下表面面积相同。