CN110011063B - 基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁波波束成型领域，具体涉及一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的超材料透镜及方法，现有技术中产生倾斜贝塞尔波的装置结构复杂、不易安装且集成效果差的问题。本发明由m×n个周期性超材料单元构成，每个超材料单元由6层相同的金属层、4层相同的介质基板和3层相同的空气层组成，金属层、介质基板和空气层的尺寸大小相同，其结构由从下而上依次设置的介质基板、金属层、空气层、金属层、介质基板、金属层、空气层、金属层、介质基板、金属层、空气层、介质基板和金属层组成。本发明用于对电磁波的相位进行调节。

Description

基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的方法
技术领域
本发明属于电磁波波束成型领域，具体涉及一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的超材料透镜及方法，用于对电磁波的相位进行调节。
背景技术
贝塞尔波束是具有聚束传播特性，能够以无衍射方式传播相当的一段距离，并且具有主瓣尺寸小、焦深长、方向性好、传输距离远、具有自重建性等良好特点。贝塞尔波在光学领域已有广泛而深入的研究，可以通过环缝法、全息成像法、球面像差透镜等变换方法产生贝塞尔波束，但是这些方法在微波频段产生难度大、转换效率低；近些年来有在微波频段有研究者提出通过使用超材料对电磁波的相位与幅度进行调控来获得这种贝塞尔波束，目前通过超材料调控贝塞尔波束只能根据贝塞尔波束的相位分布进行模拟，现有技术条件下的超材料透镜只能获得垂直发射的贝塞尔波束的相位分布，所以发射的贝塞尔波束只能是垂直的而不能产生其它方向的贝塞尔波束，有时需要斜发射贝塞尔波束来对其它方向的目标进行探测或者输能，传统超材料透镜产生方法需要对发射源的位置进行调整或者需要再加上一个偏移透镜结构使垂直的波束产生偏移，这样使产生斜发射贝塞尔波束的结构复杂、不易加工安装且无法集成。
时间反演电磁学是一门新的电磁学学科分支。这里所谓的时间反演并不是进行时光倒流而是运动的反演，对于电磁波来说，将所接收到的时域电磁信号波形进行反转，如果是单频点的信号则在频域上进行共轭反转，然后再进行发射的过程称为时间反演操作。重新发射的电磁波在传播过程中将会具有回溯现象，即观察这个反演电磁波其空间中任意位置场分布与入射波相同，就好像对入射波的一个回顾一样。
发明内容
针对上述研究的问题，本发明的目的在于提供一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的超材料透镜及方法，解决现有技术中产生倾斜贝塞尔波束的装置结构复杂、不易安装且集成效果差的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的超材料透镜，由m×n个周期性超材料单元构成，每个超材料单元由6层相同的金属层、4层相同的介质基板和3层相同的空气层组成，金属层和介质基板的尺寸大小相同，其结构由从下而上依次设置的介质基板、金属层、空气层、金属层、介质基板、金属层、空气层、金属层、介质基板、金属层、空气层、介质基板和金属层组成。
进一步，所述金属层包括一个含有圆环通孔的正方形金属片。
进一步，所述介质基板大小为7mm×7mm的正方形，厚度为0.8mm，介电常数为2.65；所述正方形金属片的大小为7mm×7mm，厚度为0.035mm，圆环通孔的外圆半径r1＝3.5mm，为了实现相位0度到360度的调节，m×n个周期性超材料单元的内圆半径r2在1mm-3mm之间变化；所述空气层的厚度为4.2mm。
进一步，所述m与n均正整数。
一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的方法，通过时间反演操作获得超材料透镜 m×n个位置相位分布，具体步骤如下：
(1)根据贝塞尔波的电场与磁场分布公式，通过数值模拟一束贝塞尔波束，基于单频率将贝塞尔波束以任意角度斜入射至一个参考平面对这个参考平面的电场进行记录；
(2)将记录得到的电场进行时间反演操作，即通过时间反演操作对电场进行相位共轭操作，得到相位共轭电场；
(3)记录共轭电场对应的相位分布情况后，将相位分布离散化，再对离散化后的相位分布进行等距采样，最后根据等距采样后的相位分布状况进行超材料透镜的相位排布，得到超材料透镜m×n个位置相位分布，即能根据m×n个位置相位分布、确定每一个位置上的超材料单元的正方形金属片的内圆半径，再通过超材料单元构成的超材料透镜产生模拟方向的贝塞尔波束。
本发明同现有技术相比，其有益效果表现在：
1.本发明区别于传统调控中利用电磁波传输过程中积累相位差的方法，本发明利用超材料透镜，超材料透镜中的超材料单元对于电磁波的相位具有0度-360度突变调节的能力并且对于电磁波透射率高，这解决了传统介质料透镜剖面大与效率低的问题。
2.本发明通过时间反演的方法来确定超材料单元的相位分布，这样所生成的超材料可以生成不同的角度出射的贝塞尔波束，本发明中超材料透镜实现了对于垂直入射的平面波到任意方向出射贝塞尔波束的转换。
3.通过将接收平面的电场的离散化的方法，减少了对于平面的相位采样数量，为使用超材料单元提供了可能，并且可以保证回溯波形的精确性，用时间反演实现了近场波束的回溯效果。
4.本发明将时间反演电磁学运用到合成贝塞尔波的方式上，可以通过模拟不同角度贝塞尔波束的入射来形成任意角度的贝塞尔波束，这一方法打破了目前超材料透镜只能根据贝塞尔相位产生与发射面垂直发射的贝塞尔波束这一局限，只通过一个超材料透镜就完成了倾斜贝塞尔波的实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图
图1为本发明-实施例中超材料单元结构的侧视图；
图2为本发明-实施例中超材料单元结构中金属层的正视图；
图3为本发明-实施例中超材料透镜的相位分布图；
图4为本发明-实施例中超材料透镜正视图；
图5为本发明-实施例中超材料单元相位变化与圆环通孔内径大小的关系曲线；
图6为本发明-实施例中超材料透镜产生的贝塞尔波束电场强度纵向截面仿真图。
图中：1-介质基板、2-金属层、3-空气层。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的超材料透镜，由m×n个周期性超材料单元构成，每个超材料单元由6层相同的金属层、4层相同的介质基板和3层相同的空气层组成，金属层和介质基板的尺寸大小相同，其结构由从下而上依次设置的介质基板、金属层、空气层、金属层、介质基板、金属层、空气层、金属层、介质基板、金属层、空气层、介质基板和金属层组成。
所述金属层包括一个含有圆环通孔的正方形金属片。
所述介质基板大小为7mm×7mm的正方形，厚度为0.8mm，介电常数为2.65；所述正方形金属片的大小为7mm×7mm，厚度为0.035mm，圆环通孔的外圆半径r1＝3.5mm，为了实现相位0度到360度的调节，m×n个周期性超材料单元的内圆半径为r2在1mm-3mm之间变化；所述空气层的厚度为4.2mm。
所述m与n均正整数。
实施例：
一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的超材料透镜，包括m×n个周期性排布的超材料单元，m与n均为50(也可为其它数值)。如图1与图2所示，每个超材料单元由6 层相同的金属层、4层相同的介质基板和3层相同的空气层组成，超材料单元中的金属层、介质基板和空气层大小为7mm×7mm，其中介质基板1的介电常数为2.65，介质板厚度为 0.8mm，金属层厚度为0.035mm，空气层的高度为4.2mm，环形通孔的外半径r1为3.5mm，为了能在15GHz实现相位0度到360度的调节，m×n个周期性超材料单元的内圆半径为r2 在1mm-3mm之间变化，其相位对应关系如图5所示。
一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的方法，通过时间反演操作获得超材料透镜 m×n个位置相位分布，具体步骤如下：
(1)根据贝塞尔波的电场与磁场分布公式，通过数值模拟一束贝塞尔波束，基于单频率将贝塞尔波束以任意角度斜入射至一个参考平面对这个参考平面的电场进行记录；
(2)将记录得到的电场进行时间反演操作，即通过时间反演操作对电场进行相位共轭操作，得到相位共轭电场；
(3)记录共轭电场对应的相位分布情况后，将相位分布离散化，再对离散化后的相位分布进行等距采样，最后根据等距采样后的相位分布状况进行超材料透镜的相位排布，得到超材料透镜m×n个位置相位分布，即能根据m×n个位置相位分布、确定每一个位置上的超材料单元的正方形金属片的内圆半径，再通过超材料单元构成的超材料透镜产生模拟方向的贝塞尔波束。
实施例：
这一斜发射贝塞尔波超材料透镜的相位分布通过时间反演的方法进行确定，本实例中，根据贝塞尔波的电场与磁场分布公式，先通过数值模拟一个15GHz的贝塞尔波束，其中，贝塞尔波电场分布公式如下：
Figure BDA0002023633480000041
kρ＝(-0.4-i0.02)k0，
其中，kρ为径向方向上的波数，kz为z方向上的波数，k0为自由空间中的波数，Ex为x方向电场强度，E0为设定的电场强度值，ρ为半径大小，J0O为0阶贝塞尔函数，发射面大小为250mm*250mm；
基于单频率15GHz，贝塞尔波束以20度的角度斜入射参考平面，我们设置参考平面的大小为350mm*350mm，对这个参考平面的电场进行记录，将记录得到的电场
Figure BDA0002023633480000042
进行时间反演操作；参考平面的大小为350mm*350mm这是为了可以尽可能多的收集信息用来进行时间反演(时间反演操作就是对于其电场
Figure BDA0002023633480000043
进行相位共轭操作，得到相位共轭电场
Figure BDA0002023633480000044
保证信息的完整性。
根据时间反演得到的电场对应分布
Figure BDA0002023633480000051
计算得到每一个离散点对应的相位信息，即获得了这个面每一个位置的相位分布信息，将50×50个超材料单元按照反演后的相位分布进行排布，即得到超材料透镜的相位分布，如图3所示，并通过每一个相位与正方形金属片的内圆半径的对应关系确定每一个位置的正方形金属片的内圆半径，由此即可完成超材料透镜的设计，其正视图如图4所示。
用平面波对这个设计完成的超材料透镜进行照射，如图6所示为采用本发明产生的贝塞尔波束电场强度纵截图，由图中可见这束电磁波会呈现一个倾斜角为20度的贝塞尔波束，并且传播过程中将保持贝塞尔波束特点。
通过以上这种方法我们创新性产生了一个斜发射20度的贝塞尔波束，并且具有良好的无衍射特性，打破了目前超材料透镜只能发射与透镜表面垂直的贝塞尔波这一局限。
当然，本方法还可通过数值模拟一个15GHz的贝塞尔波束，从其它角度斜入射参考平面来设计超材料透镜，再通过超材料单元构成的超材料透镜产生模拟方向的贝塞尔波束；或通过数值模拟一个其它单频率的贝塞尔波束，再从0度到180度选一个所需的入射角度来设计超材料透镜，从而实现基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的方法。
以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的方法，基于超材料透镜，其特征在于：所述超材料透镜由m×n个周期性超材料单元构成，每个超材料单元由6层相同的金属层、4层相同的介质基板和3层相同的空气层组成，金属层和介质基板的尺寸大小相同，其结构由从下而上依次设置的介质基板、金属层、空气层、金属层、介质基板、金属层、空气层、金属层、介质基板、金属层、空气层、介质基板和金属层组成；所述金属层包括一个含有圆环通孔的正方形金属片；
基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的方法通过时间反演操作获得超材料透镜m×n个位置相位分布，具体步骤如下：
⑴根据贝塞尔波的电场与磁场分布公式，通过数值模拟一束贝塞尔波束，基于单频率将贝塞尔波束以任意角度斜入射至一个参考平面对这个参考平面的电场进行记录；
⑵将记录得到的电场进行时间反演操作，即通过时间反演操作对电场进行相位共轭操作，得到相位共轭电场；
⑶记录共轭电场对应的相位分布情况后，将相位分布离散化，再对离散化后的相位分布进行等距采样，最后根据等距采样后的相位分布状况进行超材料透镜的相位排布，得到超材料透镜m×n个位置相位分布，即能根据m×n个位置相位分布、确定每一个位置上的超材料单元的正方形金属片的内圆半径，再通过超材料单元构成的超材料透镜产生模拟方向的贝塞尔波束。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的方法，其特征在于：所述介质基板大小为7mm×7mm的正方形，厚度为0.8mm，介电常数为2.65；所述正方形金属片的大小为7mm×7mm，厚度为0.035mm，圆环通孔的外圆半径r1＝3.5mm，为了实现相位0度到360度的调节，m×n个周期性超材料单元的内圆半径r2在1mm-3mm之间变化；所述空气层的厚度为4.2mm。
3.根据权利要求2所述的一种基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的方法，其特征在于，所述m与n均正整数。
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