[發(fā)明專利]一種產(chǎn)生貝塞爾波束的變換透鏡

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410836112.0
• 申請(qǐng)日: 2014-12-29
• 公開（公告）號(hào): CN104466424A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孟洪福;李騰;竇文斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01Q15/08
• 分類號(hào): H01Q15/08
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務(wù)所 32250
• 代理人: 王斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種透鏡，尤其是涉及一種產(chǎn)生貝塞爾波束的變換透鏡。

背景技術(shù)

貝塞爾波束具有聚束傳播特性，能以無(wú)衍射的方式傳播相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，在光學(xué)領(lǐng)域得到深入研究。隨著微波毫米波技術(shù)的發(fā)展，需要在微波毫米波頻段產(chǎn)生能聚束傳輸?shù)呢惾麪柌ㄊ?/p>

在光學(xué)領(lǐng)域，可以通過環(huán)縫法、全息成像等變換產(chǎn)生貝塞爾波束，但這些方法在微波毫米波頻段很難實(shí)現(xiàn)，且轉(zhuǎn)換效率低。在微波毫米波領(lǐng)域，一種比較簡(jiǎn)單的變換透鏡是軸棱錐透鏡，它能將入射高斯波束變換為零階貝塞爾波束，但軸棱錐透鏡的介質(zhì)層中間部位厚，邊緣部位薄，當(dāng)電磁波穿過介質(zhì)層時(shí)有損耗，軸棱錐透鏡中間部位介質(zhì)厚，損耗大，因此軸棱錐透鏡的對(duì)電磁波束的轉(zhuǎn)換效率低，同時(shí)軸棱錐透鏡只有中間厚邊緣薄一種厚度分布方式，只能變換產(chǎn)生零階貝塞爾波束，無(wú)法產(chǎn)生其他階貝塞爾波束。另一種變換透鏡是二元衍射透鏡，通過控制透鏡上不同位置介質(zhì)的厚度來(lái)控制透鏡口徑面上的相位，在毫米波亞毫米波頻段能高效率地將高斯波束變換為貝塞爾波束，但二元衍射透鏡通過介質(zhì)透鏡上不同位置介質(zhì)的厚度來(lái)控制透鏡口徑面上的相位，在透鏡口徑面相位變化劇烈的位置，會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)突然增厚和突然變薄等厚度突變情況，在機(jī)械加工時(shí)，突然增厚的凸起容易折斷，突然變薄的深槽加工刀具難以達(dá)到，因此加工難度大，同時(shí)二元衍射透鏡各個(gè)位置介質(zhì)厚度不等，透鏡不是平面結(jié)構(gòu)，使透鏡不易平放，安裝和保存難度大。因此需要一種轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)換波束多樣化、易于加工安裝的介質(zhì)變換透鏡，在微波毫米波頻段變換產(chǎn)生貝塞爾波束。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明針對(duì)上述在微波毫米波頻段現(xiàn)有變換產(chǎn)生貝塞爾波束的透鏡的技術(shù)不足，提供一種轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)換波束多樣化、易于加工安裝的產(chǎn)生貝塞爾波束的介質(zhì)變換透鏡。

技術(shù)方案：本發(fā)明的產(chǎn)生貝塞爾波束的變換透鏡，包括兩個(gè)外層介質(zhì)透鏡和一個(gè)芯層介質(zhì)透鏡，所述的兩個(gè)外層介質(zhì)透鏡和一個(gè)芯層介質(zhì)透鏡均為圓形平面結(jié)構(gòu)，且按外層介質(zhì)透鏡、芯層介質(zhì)透鏡、外層介質(zhì)透鏡的順序依次共軸并排放置，外層介質(zhì)透鏡的低介電常數(shù)小于芯層介質(zhì)透鏡的介電常數(shù)，外層介質(zhì)透鏡上設(shè)置有按正方形網(wǎng)格排列的移相單元，每個(gè)移相單元由4個(gè)直徑相等的圓柱通孔組成，且4個(gè)圓柱通孔在正方形網(wǎng)格的一個(gè)單元內(nèi)均勻布置，通過設(shè)置各移相單元的圓柱通孔直徑，分別實(shí)現(xiàn)0度-90度的插入相移；芯層介質(zhì)透鏡上按與外層介質(zhì)透鏡上相同的正方形網(wǎng)格排列有移相單元，并通過設(shè)置各移相單元的圓柱通孔直徑，分別實(shí)現(xiàn)0度移相單元和180度移相單元，所述0度移相單元由4個(gè)直徑相等的圓柱通孔組成，且4個(gè)圓柱通孔在正方形網(wǎng)格的一個(gè)單元內(nèi)均勻布置，所述180度移相單元由4個(gè)直徑相等的圓柱通孔組成，且4個(gè)圓柱通孔在正方形網(wǎng)格的一個(gè)單元內(nèi)均勻布置。

本發(fā)明的優(yōu)選方案中，外層介質(zhì)透鏡上的移相單元的分布和芯層介質(zhì)透鏡上的0度移相單元和180度移相單元的分布都關(guān)于變換透鏡的垂直軸呈左右對(duì)稱，關(guān)于變換透鏡的水平軸線呈上下對(duì)稱。

本發(fā)明的優(yōu)選方案中，外層介質(zhì)透鏡上的移相單元的圓柱通孔直徑及分布，芯層介質(zhì)透鏡上移相單元的圓柱通孔直徑及分布通過遺傳算法優(yōu)化得到，過程如下：

1)將外層介質(zhì)透鏡上第一象限內(nèi)的移相單元的圓柱通孔直徑，從最左下角移相單元開始，按先列變化后行變化的順序，依次設(shè)為D11，D12....，D21，D22....，Dnm，其中n為第一象限內(nèi)移相單元的行數(shù)，m為第一象限內(nèi)第n行移相單元的列數(shù)；

將芯層介質(zhì)透鏡上第一象限內(nèi)的移相單元的圓柱通孔直徑，從最左下角移相單元開始，按先列變化后行變化的順序，依次設(shè)為DC11，DC12...，DC21，DC22...，DCnm，其中n和m的取值與外層介質(zhì)透鏡相同。

2)采用全波電磁仿真軟件計(jì)算當(dāng)高斯波束入射時(shí)，變換透鏡后距離L處的與變化透鏡平行的輸出圓面S上的電場(chǎng)幅度分布E(r)，其中r為輸出圓面S上的點(diǎn)到輸出圓面S圓心的距離。

3)取求輸出圓面S上的電場(chǎng)幅度分布E(r)與貝塞爾波束場(chǎng)分布的均方差的最小值作為目標(biāo)函數(shù)：