一种产生偏转贝塞尔多波束的宽带透镜及调控方法

1.本发明涉及通信领域，具体涉及一种产生偏转贝塞尔多波束的宽带透镜及调控方法。


背景技术：

2.贝塞尔波束自1987年由durnin提出以来，因其无衍射特性受到了广泛关注。它可以将电磁波的能量集中在某一方向，并在自由空间中传播时保持能量在一定距离不变，具有应用于高速通信、无线能量传输、激光微加工等方面的潜力。
3.在微波毫米波领域，现有生成贝塞尔波束主要有两种常用的方法。一种是设计孔径场类似于贝塞尔函数的天线，例如波导漏波天线或径向缝隙阵列，但是电场在孔径面上形成良好的贝塞尔函数分布特性具有较大难度，且天线结构普遍复杂。另一种是将入射波转换为贝塞尔波束诸如轴棱锥或超表面等结构。但是轴棱锥系统对馈电喇叭，凸透镜，轴棱锥这三器件的相对位置,共轴有较高要求。超表面主要分为反射超表面与透射超表面，透射超表面没有反射超表面馈源遮挡的问题，但是为了实现360
°
相位覆盖往往需要四层及以上的金属层，且频带较窄。
4.现阶段利用超表面形成贝塞尔波束的天线还不多，主要生成单频单波束，对宽带多波束的研究较少。贝塞尔波束可用于无线能量传输，为实现能量的高效使用及灵活性，有必要对贝塞尔多波束进行能量分配，现有文献对此的研究几乎没有。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种产生偏转贝塞尔多波束的宽带透镜及不等功率分配波束的调控方法，该透镜能够工作在宽带，携带有偏转的多贝塞尔波束，且能够实现波束的不等功率分配。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种产生偏转贝塞尔多波束的宽带透镜，包括馈源及n个超表面单元，所述馈源产生球面波照射超表面单元，并在超表面单元的一侧形成多个贝塞尔波束，所述超表面单元相位可调，其包括依次堆叠放置的第一极化栅、第一介质板、极化转化表面、第二介质板及第二极化栅，所述极化转化表面沿y轴镜像对称，实现180度的相位差，通过极化超表面的尺寸变换获得180度相位变换，进一步获得360度的透射相位变化。
8.进一步，所述第一极化栅及第二极化栅均由等间距排布的微带直线构成，第一极化栅中的微带直线与第二极化栅中的微带直线相互正交。
9.进一步，所述极化转化表面包括i型金属贴片和带切角的方形金属贴片，所述i型金属贴片关于第二介质板的中心对称，且沿着第二介质板的一条对角线设置，所述方形金属贴片设置在i型金属贴片的中心，并关于其中心对称。
10.进一步，所述第一介质板及第二介质板完全相同。
11.进一步，所述馈源为喇叭天线或微带天线。
12.进一步，所述i形金属贴片包括两个弧形贴片，所述两个弧形贴片通过条形贴片进行连接。
13.进一步，两个弧形贴片是由以第二介质基板中心点为圆心，外半径为r2、内半径为r1的圆弧结构减去一个矩形构成。
14.进一步，所述矩形长为l1，宽为r2，当矩形的长在0.5～4.3mm之间变化，实现180
°
相位变换。
15.进一步，通过极化超表面的y轴镜像对称变换获得180度相位变换。具体是通过调整两个弧形贴片的长度及与y轴的对称获得相位覆盖360度的调节。
16.一种宽带透镜的调控方法，包括如下步骤：
17.获得产生m个任意偏转的的贝塞尔波束所需的相位值，标记为ph1,ph2……
phm；设置各波束的幅度分配比值s；
18.利用相位加权与格林函数求得电场的分布；
19.根据无衍射波束的特性，选取波束的一个聚焦点进行能量的优化，在保证实现能量的分配前提下效率最大。
20.本发明的有益效果：
21.(1)本发明的辐射单元采用i型与切角的方型微带结构，通过调整i型两侧枝节长度以及单元的y轴对称来调节相位覆盖360度变化，切角的方型贴片的引入提高了透射率，展宽了带宽，辐射单元的相移曲线在在10ghz至18ghz频段范围内内具有相似的特征，表明结构具有宽带特性。
22.(2)本天线可用于产生任意偏折方向的贝塞尔多波束，作为验证，本发明给出了(θ＝30
°
,与θ＝-30
°
,)与(θ＝30
°
,与θ＝-30
°
,)两个贝塞尔多波束实施例。
23.(3)本天线可以进行能量的不等功率分配，本发明给出了θ＝30
°
,与θ＝-30
°
,两个波束分配比为1：0.8的实施例。
24.(4)所述平面透射型贝塞尔波束天线，克服了抛物面天线加工困难，反射型天线馈源遮挡，透射型天线带宽窄的缺点，该天线具有平面化的结构，易于加工和装配。
附图说明
25.图1是本发明结构示意图；
26.图2是本发明超表面单元的结构示意图；
27.图3(a)～图3(c)分别是本发明第一极化栅、极化转化表面及第二极化栅的俯视图；
28.图4(a)是本发明极化转化表面的尺寸变换图；
29.图4(b)是本发明在14ghz频点随着图4(a)尺寸变换的幅度相位示意图；
30.图5是本发明极化转化表面在10ghz至18ghz幅度相位曲线图；
31.图6(a)～图6(c)分别是本发明实施例1所述宽带透镜在14ghz处相位，单元是否镜像及单元尺寸分布图，1表示不镜像，2表示镜像；
32.图7(a)～图7(e)分别是本发明实施例1所述宽带透镜在10ghz、12ghz、14ghz、
16ghz、18ghz的贝塞尔波束电场分布仿真图；
33.图8(a)～图8(c)分别是本发明实施例2在14ghz处相位，单元是否镜像及单元尺寸分布图；
34.图9(a)～图9(e)分别是本发明实施例2所述宽带透镜在10ghz、12ghz、14ghz、16ghz、18ghz的贝塞尔波束电场分布仿真图；
35.图10(a)～图10(c)分别是本发明实施例3在14ghz处相位，单元是否镜像及单元尺寸分布图；
36.图11(a)～图11(e)分别是本发明实施例3所述宽带透镜在10ghz、12ghz、14ghz、16ghz、18ghz的贝塞尔波束电场分布仿真图。
具体实施方式
37.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
38.实施例1
39.如图1-图2所示，一种产生偏转贝塞尔多波束的宽带透镜，包括馈源1及n个超表面单元2，所述n个超表面单元可以构成圆形或矩形阵列排布。所述馈源产生球面波照射超表面单元，并在超表面单元的一侧形成多个贝塞尔波束。本实施例中馈源1位于超表面单元2的左侧一定距离处，产生球面波照射超表面并在超表面右侧形成多个贝塞尔波束3。
40.进一步，所述超表面单元包括由上至下依次堆叠放置的第一极化栅4、第一介质板5、极化转化表面6、第二介质板7及第二极化栅8，所述极化转化表面沿y轴镜像对称，实现180度的相位差，通过极化超表面的尺寸变换获得180度相位变换，进一步获得360度的透射相位变化。
41.所述第一极化栅4及第二极化栅8均由等间距排布的微带直线构成，所述第一极化栅4的微带直线与第二极化栅8的微带直线相互正交。
42.所述极化转化表面是本宽带透镜的辐射单元，极化转化表面沿y轴镜像对称，可以实现180度的相位差，再结合尺寸变换获得180度相位变化，从而获得360度的透射相位变化。
43.具体地，所述极化转化表面包括i型金属贴片和带切角的方形金属贴片，切角的方型贴片的引入提高了透射率，增加了带宽，工作在不同的频率。
44.所述i型金属贴片包括两个弧形贴片，两个弧形贴片通过条形贴片进行连接，所述条形贴片沿着第二介质板的其中一条对角线设置，且关于第二介质板的中心对称。所述方形金属贴片的中心点即第二介质板的的中心点，方形金属贴片关于中心点对称。方形金属贴片的一条对角线与第二介质板的对角线的重合。
45.所述两个弧形贴片的构成如下：
46.以第二介质板的中心点为圆心，作外半径为r2，内半径为r1的圆弧，再由圆弧减去长为l1,宽为r2的矩形贴片，形成的图形绕中心逆时钟旋转45度，可以形成图3(b)所示弧形贴片。
47.进一步，两个弧形贴片关于第二介质板中心对称，其大小尺寸相同。
48.进一步，本实施例中，第一介质板5及第二介质板7的结构尺寸完全相同。两个介质
板的材料均选用介电常数是2.55的f4b，长宽均为5.5mm，高度是2mm。
49.图3(a)、图3(b)及图3(c)所示，本实施例1中各部分的优选尺寸为：
50.p＝5.5mm,r1＝2.1mm,r2＝2.5mm,w＝0.35mm,w1＝1.5mm,g1＝0.3mm,s1＝0.2mm,s2＝0.5mm,t＝0.2mm,l1＝0.5～4.3mm。
51.一种贝塞尔多波束不等功率分配的调控方法，结合格林函数与遗传算法实现相位的加权优化，具体步骤如下：
52.(1)获得产生m个任意偏转的的贝塞尔波束所需的相位值，标记为ph1，ph2……
phm；设置各波束的幅度分配比值s。
53.(2)利用相位加权(3)与格林函数(1)可以求得电场的分布(2)，表达式为
[0054][0055][0056][0057]
其中在(xn，yn，0)处有n个单元构成透射超表面，单元的相位可以用表示。e(x
p
，y
p
，z
p
)定义为由透射阵产生的位于(x
p
，y
p
，z
p
)处的电场。
[0058]
(3)根据无衍射波束的特性以及简化计算，可以选取波束的一个聚焦点进行能量的优化，
[0059]
在保证实现能量的分配前提下效率最大，优化公式如下
[0060]
s.t
[0061]
其中，mag e
p
＝abs(e
opt
(x
p
，y
p
，z
p
))表示加权优化过程中位于(x
p
，y
p
，z
p
)处的电场幅度值。
[0062]
如图4(a)～图4(b)所示，当l1在0.5～4.3mm之间变化，所对应的相移范围大于180
°
，结合单元镜像对称产生180
°
相位差，满足相位360
°
的调节。辐射单元在10～18ghz的相移曲线趋势相同，如图5所示，表明所述单元具有宽带特性。
[0063]
在本实施例中采用32
×
32个超表面单元进行周期性排列，参阅图6(a)，为所需喇叭产生的球面波到平面波需补偿的相位角及需产生θ＝30
°
，与θ＝-30
°
，方向贝塞尔波束所需补偿的相位角的叠加。根据相位与单元尺寸一一对应的原则，参阅图6(b)及图6(c)为所需相位对应的l1尺寸的变化以及单元是否通过y轴镜像(1表示不镜像2表示镜像)。参阅图7(a)～图7(e)所示，本实施例在10ghz～18ghz在θ＝30
°
，与θ＝-30
°
，处产生了贝塞尔波束。
[0064]
实施例2
[0065]
本实施例与实施例1不同之处在于辐射单元所需的补偿相位不同，如图8(a)～图8(c)所示，本实施例2用于产生θ＝30
°
，与θ＝-30
°
，等强度的贝塞尔波束，参阅图9(a)～图9(e)。
[0066]
实施例3
[0067]
本实施例与实施例1的不同之处在于，辐射单元所需补偿相位不同，如图10(a)～图10(c)所示用于产生θ＝30
°
,与θ＝-30
°
,不等强度分布的贝塞尔波束。设置14ghz处贝塞尔波束的幅度分配比为1：0.8，利用遗传算法进行相位加权优化，求得的优化相位叠加球面波到平面波需补偿的相位，获得如图10(a)所示的相位。参阅图11(a)～图11(e),在10ghz至18ghz获得了不等功率分配的贝塞尔波束，在14ghz处，满足幅度分配比为1：0.8。
[0068]
本发明超表面单元由n个呈阵列排布的辐射单元构成，单元包含三层金属和两层介质基板，其中上下两层金属是正交的金属栅，起到极化滤波的作用，中间层为极化转化表面，包括一个i型金属贴片和切角的方型金属贴片，该单元在10ghz至18ghz能够实现高效的极化转化，在线极化电磁波的照射下，该单元在频带范围内能将入射波大部分能量透射至交叉极化方向。
[0069]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。