本发明属于非衍射天线领域，涉及超表面设计，具体为一种基于超表面的波束偏折非衍射表面波的平面贝塞尔透镜。
背景技术：
非衍射波束，即波束在传播方向上不发生衍射现象。它有许多种类，比如：mathieu波束，bessel波束，vortex波束等等。其中，bessel波束是自由空间波动方程的一种特殊解，它具有主瓣尺寸较小、焦深长、方向性好等良好特性，较其他波束，在能量传输、近场探测和高分辨率成像等领域，具有十分明显的优势。目前，光学、毫米波和微波频段的bessel非衍射波束研究已有一些成果。许多研究者相继提出了bessel非衍射波束产生方法，如环缝法、轴棱锥法、谐振腔法、全息法以及漏波法。这些产生的bessel非衍射波束大多数都沿垂直于天线口径方向传播，波束指向始终保持不变。
超材料具有调控电磁波特性的优点。其中，超表面是超材料的二维形式，具有结构简单和易加工的优点，可应用于非衍射波束的调控。y.b.li,b.g.cai,x.wan等人在文献：“diffraction-freesurfacewavesbymetasurfaces,”opticsletters,vol.39,no.20,pp.5888-91,2014.公开了一种基于二维超表面的非衍射透镜天线。将半麦克斯韦鱼眼透镜透镜与平面平板透镜结合，实现了点源到无衍射表面波的转化。遗憾的是文献实现的无衍射表面波同样只能沿垂直于透镜口径面的方向传播，没有实现无衍射波束的偏折传播。s.liu,a.noor,l.l.du等人在文献“anomalousrefractionandnondiffractivebessel-beamgenerationofterahertzwavesthroughtransmission-typecodingmetasurfaces”中公开了一种基于可编码超表面单元的非衍射波束产生装置。此可编程超表面由三层不同偏转方向的谐振环单元组成的阵列构成。通过改变谐振环的开角和朝向，可产生0～2π的相位差。再通过编排不同的编码序列，实现传输型编码超表面结构，来产生垂直和倾斜的bessel非衍射波束。但是，此可编程超表面单元需要多层结构，结构复杂，且需要额外的馈源，不便于一体化集成。b.cheng,d.-w.liu,j.-w.wu,h.-lli等人在文献“frequencyscanningnon-diffractionbeambymetasurface”,appliedphysicsletters,2017,110,3,031108.提出了产生非衍射波束的超表面反射阵列。此超表面反射阵列可通过改变工作频率，在ku频段产生了不同偏转角度的非衍射波束，实现了非衍射波束不同角度的扫描。但是由于该装置采用喇叭馈源，存在体积庞大，波束容易被遮挡等缺点。
技术实现要素：
本发明提出一种基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，解决现有技术中结构复杂，难以一体化集成的问题。本发明基于超表面结构，提出一种非衍射波束偏转的平面贝塞尔透镜，包括一平面平板透镜和一非对称梯度折射率透镜构成，它们都由不同大小的超表面单元组成。平面平板透镜将点源辐射出的球面波转化为平面波，而非对称梯度折射率透镜用于将平面波按特定的偏折角出射，使通过折射率透镜后形成波束重叠区域(非衍射形成区域)。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，包括接地介质地板6，所述接地介质地板6上方沿贝塞尔波束的正传播方向依次设置有馈源1、平面平板透镜2、非对称梯度折射率透镜3，所述接地介质地板6背面有一金属地；
所述馈源1位于接地介质地板6的横向中心线上，馈源1位于平面平板透镜2的焦距处，贝塞尔波束的正传播方向为x轴正方向，x轴和接地介质地板6的横向中心线重合，垂直于贝塞尔波束的正传播方向为y方向，所述平面平板透镜2、非对称梯度折射率透镜3、第一匹配层4、第二匹配层5都由周期性结构的超表面单元排布成阵列；所述超表面单元阵列在xy平面分布；
平面平板透镜2在xy平面关于x轴上下对称，所述第一匹配层4位于平面平板透镜2左右两侧，用于实现馈源1与平面平板透镜2的阻抗匹配，使馈源1辐射出的球面波能无损耗地进入到平面平板透镜2，并无损耗地从平面平板透镜2射出；
非对称梯度折射率透镜3在xy平面关于x轴上下非对称，非对称梯度折射率透镜3由不同尺寸的超表面单元构成；所述超表面单元尺寸沿y轴正方向递增或递减变化，确保平面波按一定的偏折角出射，形成一个具有某个偏转角度的倾斜非衍射波束；
所述第二匹配层5在非对称梯度折射率透镜3左右两侧，用于实现平面平板透镜2和非对称梯度折射率透镜3的阻抗匹配，使平面平板透镜2出射的平面波无损耗的进入到非对称梯度折射率透镜3，并无损耗地从非对称梯度折射率透镜3射出。
作为优选方式，所述超表面单元是任意尺寸或任意形状的谐振结构。
作为优选方式，所述超表面单元是方形环结构、方形贴片结构、开口单环或双环结构、十字形贴片结构其中的一种。
作为优选方式，所述的接地介质地板6为任意介质材料的介质板。
作为优选方式，平面平板透镜2由大小不同的超表面单元排布成阵列，所述超表面单元尺寸从横向中心线即x轴向y轴正、反方向同时递增或递减变化；平面平板透镜2的超表面单元阵列关于x轴上下对称，确保折射率由平面平板透镜2中心向y轴正反方向相同变化，将点源辐射的球面波转换为平面波。
作为优选方式，所述非对称梯度折射率透镜3由大小不同的超表面单元排布成阵列，所述超表面单元尺寸沿y轴正方向递增或递减变化；非对称梯度折射率透镜3的超表面单元阵列关于x轴上下非对称，确保平面波按一定偏折角出射，一个具有某个偏转角度的倾斜非衍射波束。
作为优选方式，所述第一匹配层4由大小不同的超表面单元排布成阵列，所述超表面单元尺寸由横向中心线即x轴向y轴正、反方向同时递增或递减变化，所述超表面单元阵列关于x轴上下对称，不仅实现阻抗匹配，也用于相位补偿，确保球面波转化为平面波。
作为优选方式，第二匹配层5由大小相同的超表面单元排布成阵列，用于保持平面波的出射偏折角在匹配层传播过程中不发生变化，仅仅实现阻抗匹配。
作为优选方式，第一匹配层4和第二匹配层5的厚度为其中波长的四分之一倍。
作为优选方式，所提出的超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜扩展为三维结构的超材料透镜，实现非衍射波束偏转。三维结构的超材料透镜比如龙伯透镜。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜进行波束调控的方法，具体为：馈源1辐射出的球面波通过平面平板透镜2转换为平面波，由于馈源1辐射出的球面波达到平面平板透镜2中心与到达其边缘存在相位差，所以，此平面平板透镜2为梯度折射率透镜，以补偿球面波到达平面平板透镜2中心与边缘的相差，使得波束在透射过透镜后具有相同的相位，形成平面波；之后，非对称梯度折射率透镜3具有非对称的折射率，使平面波透射过该透镜后具有不同的偏折角出射，形成一个具有一定偏折角度的波束重叠区域即非衍射形成区域，并且非对称梯度折射率透镜3在不同的位置上具有不同的折射率，补偿出射角的相位，确保具有不同偏折角的波束在非衍射区域内同时达到；此外，波在两个透镜界面上会产生反射，为了确保从馈源辐射出的波无损耗地穿过平面贝塞尔透镜，因此在两个透镜之间引入了第一匹配层4和第二匹配层5，匹配层厚度为四分之一波长，第一匹配层为梯度折射率变化的超表面阵列，确保点源辐射出来的球面波转换为平面波；第二匹配层由大小相同尺寸谐振环组成的超表面阵列，确保波在传播过程中不发生改变。本发明的有益效果为：本发明针对现有的具有一定偏转角度的非衍射波束发生装置的不足，本文提出一种基于超表面阵列的实现非衍射表面波波束偏折的平面贝塞尔透镜，它们都由不同大小的超表面单元组成的。平面平板透镜将点源辐射出的球面波转化为平面波，而非对称梯度折射率透镜用于将平面波按特定偏折角出射，使通过非对称梯度折射率透镜后形成波束重叠区域(非衍射形成区域)。本发明采用二维超表面阵列，不仅可以形成非衍射表面波，也可扩展为三维结构的超材料透镜，产生具有一定偏转角的非衍射波束。本发明提出的结构简单，易于一体化集成。
附图说明
图1为本发明所提出的平面贝塞尔透镜原理图。
图2为本发明所提出的平面透镜的整体结构图。
图3为本发明所提出的平面平板透镜产生的平面波示意图。
图4为本发明所提出的平面平板透镜的折射率分布。
图5为本发明所提出的非对称梯度折射率透镜的折射率分布。
图6为本发明所提出的超表面谐振单元结构以及色散曲线图。
图7为本发明所提出的bessel平面透镜所产生的具有一定偏折角度非衍射波束
1为馈源，2为平面平板透镜，3为非对称梯度折射率透镜，4为第一匹配层，5为第二匹配层，6为接地介质地板。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，包括接地介质地板6，所述接地介质地板6上方沿贝塞尔波束的正传播方向依次设置有馈源1、平面平板透镜2、非对称梯度折射率透镜3，所述接地介质地板6背面有一金属地；
所述馈源1位于接地介质地板6的横向中心线上，馈源1位于平面平板透镜2的焦距处，贝塞尔波束的正传播方向为x轴正方向，x轴和接地介质地板6的横向中心线重合，垂直于贝塞尔波束的正传播方向为y方向，所述平面平板透镜2、非对称梯度折射率透镜3、第一匹配层4、第二匹配层5都由周期性结构的超表面单元排布成阵列；所述超表面单元阵列在xy平面分布；
平面平板透镜2在xy平面关于x轴上下对称，平面平板透镜2由不同尺寸的超表面单元构成；所述超表面单元尺寸从横向中心线向外递增或递减变化。所述第一匹配层4位于平面平板透镜2左右两侧，用于实现馈源1与平面平板透镜2的阻抗匹配，使馈源1辐射出的球面波能无损耗地进入到平面平板透镜2，并无损耗地从平面平板透镜2射出；
非对称梯度折射率透镜3在xy平面关于x轴上下非对称，非对称梯度折射率透镜3由不同尺寸的超表面单元构成；所述超表面单元尺寸沿y轴正方向递增或递减变化，确保平面波按一定的偏折角出射，形成一个具有某个偏转角度的倾斜非衍射波束；
所述第二匹配层5在非对称梯度折射率透镜3左右两侧，用于实现平面平板透镜2和非对称梯度折射率透镜3的阻抗匹配，使平面平板透镜2出射的平面波无损耗的进入到非对称梯度折射率透镜3，并无损耗地从非对称梯度折射率透镜3射出。
优选的，所述超表面单元是任意尺寸或任意形状的谐振结构。
进一步优选的，所述超表面单元是方形环结构、方形贴片结构、开口单环或双环结构、十字形贴片结构其中的一种。
优选的，所述的接地介质地板6为任意介质材料的介质板。
优选的，平面平板透镜2由大小不同的超表面单元排布成阵列，所述超表面单元尺寸从横向中心线即x轴向y轴正、反方向同时递增或递减变化；平面平板透镜2的超表面单元阵列关于x轴上下对称，确保折射率由平面平板透镜2中心向y轴正反方向相同变化，将点源辐射的球面波转换为平面波。
优选的，所述非对称梯度折射率透镜3由大小不同的超表面单元排布成阵列，所述超表面单元尺寸沿y轴正方向递增或递减变化；非对称梯度折射率透镜3的超表面单元阵列关于x轴上下非对称，确保平面波按一定偏折角出射，形成一个具有某个偏转角度的倾斜非衍射波束。
优选的，所述第一匹配层4由大小不同的超表面单元排布成阵列，所述超表面单元尺寸由横向中心线即x轴向y轴正、反方向同时递增或递减变化，所述超表面单元阵列关于x轴上下对称，不仅实现阻抗匹配，也用于相位补偿，确保球面波转化为平面波。
优选的，第二匹配层5由大小相同的超表面单元排布成阵列，用于保持平面波的出射偏折角在匹配层传播过程中不发生变化，仅仅实现阻抗匹配。
优选的，第一匹配层4和第二匹配层5的厚度为其中波长的四分之一倍。
优选的，所提出的超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜扩展为三维结构的超材料透镜，实现非衍射波束偏转。
如图1所示，首先，平面平板透镜2将点源转化为平面波的透镜。将点源s放置到平面平板透镜2的焦距处，与平面平板透镜2左侧面的距离为f，平面平板透镜2的厚度为h1，口径为d。在确定该透镜中心处的折射率后，由于点源辐射出的球面波达到平面平板透镜2的中心与其边缘存在相位差，采用梯度折射率透镜实现相位补偿，使点源辐射出的平面波在透射过平面平板透镜2后具有相同的相位，形成平面波，如图3所示。此时，平面平板透镜2的折射率分布，如图4所示。
接着，平面波从平面平板透镜2出射，再经过非对称梯度折射率透镜3，使波束透过非对称梯度折射率透镜3后两侧具有不同的出射角，形成具有一定偏折角度的非衍射波束区域。
非对称梯度折射率透镜3的厚度h2，由a点入射的平面波穿过非对称梯度折射率透镜3后以
整个平面贝塞尔透镜采用金属谐振环组成的超表面阵列。通过调节谐振方形环的尺寸(具有不同的反射相位，如图6所示)，从而获得想要的折射率。为了使点源发射出的波能低损耗地穿过整个平面贝塞尔透镜，则在平面平板透镜2与非对称梯度折射率透镜3的两侧都设置有第一匹配层和第二匹配层。匹配层厚度一般为四分之一波长。第一匹配层为梯度折射率变化的超表面阵列，确保点源辐射出来的球面波能顺利转换为平面波；第二匹配层由大小相同尺寸谐振环组成的超表面阵列，确保波在传播过程中不发生改变。所提出的超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜可扩展为三维结构的超材料透镜，实现非衍射波束偏转。本发明提出的结构简单，易于一体化集成。
本实施例透镜口径d为80mm，非衍射波束偏折角为20°，非衍射距离为66.93mm。h1为28mm，h2为28mm。超表面单元的周期性边长为4mm,采用介电常数为6.15的接地介质板上覆金属方环，环的宽度为0.3mm。整个透镜的工作频率为10ghz。由同轴接头在透镜横向中心线位于平板透镜2的焦距处馈电，通过平面平板透镜，将点源出射的球面波变换为平面波，然后在通过非对称梯度折射率透镜，改变平面波的出射方向，使平面波按一定偏折角度出射。两个不同出射角度的平面波叠加，形成一个具有一定偏折角度的非衍射区域。
从仿真结果可以看到，非衍射波束的偏折角度19.98°，最大无衍射距离为62.36mm，如图7所示。
本实施例还提供一种利用上述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜进行波束调控的方法，具体为：馈源1辐射出的球面波通过平面平板透镜2转换为平面波，由于馈源1辐射出的球面波达到平面平板透镜2中心与到达其边缘存在相位差，此平面平板透镜2为梯度折射率透镜，以补偿球面波到达平面平板透镜2中心与边缘的相差，使得波束在透射过透镜后具有相同的相位，形成平面波；之后，非对称梯度折射率透镜3具有非对称的折射率，使平面波透射过该透镜后具有不同的偏折角出射，形成一个具有一定偏折角度的波束重叠区域即非衍射形成区域，并且非对称梯度折射率透镜3在不同的位置上具有不同的折射率，补偿出射角的相位，确保在非衍射区域内具有不同偏折角的波束同时达到；此外波在两个透镜界面上产生反射，因此在两个透镜之间引入了第一匹配层4和第二匹配层5，匹配层厚度为四分之一波长。第一匹配层为梯度折射率变化的超表面阵列，确保点源辐射出来的球面波能顺利转换为平面波；第二匹配层由大小相同尺寸谐振环组成的超表面阵列，确保波在传播过程中不发生改变。
本发明提出的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，采用平面平板透镜和非对称梯度折射率透镜，将点源辐射出的球面波转化为具有一定偏折角度的非衍射波。本发明提出的结构简单，易于一体化集成。所提出的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜可扩展为三维结构的超材料透镜，实现非衍射波束偏转，可广泛应用于无线输能、近场探测、医疗成像、隐秘通信等领域中。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
1.一种基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，其特征在于包括接地介质地板(6)，所述接地介质地板(6)上方沿贝塞尔波束的正传播方向依次设置有馈源(1)、平面平板透镜(2)、非对称梯度折射率透镜(3)，所述接地介质地板(6)背面有一金属地；
所述馈源(1)位于接地介质地板(6)的横向中心线上，馈源(1)位于平面平板透镜(2)的焦距处，贝塞尔波束的正传播方向为x轴正方向，x轴和接地介质地板(6)的横向中心线重合，垂直于贝塞尔波束的正传播方向为y方向，所述平面平板透镜(2)、非对称梯度折射率透镜(3)、第一匹配层(4)、第二匹配层(5)都由周期性结构的超表面单元排布成阵列；所述超表面单元阵列在xy平面分布；
平面平板透镜(2)在xy平面关于x轴上下对称，所述第一匹配层(4)位于平面平板透镜(2)左右两侧，用于实现馈源(1)与平面平板透镜(2)的阻抗匹配，使馈源(1)辐射出的球面波能无损耗地进入到平面平板透镜(2)，并无损耗地从平面平板透镜(2)射出；
非对称梯度折射率透镜(3)在xy平面关于x轴上下非对称，非对称梯度折射率透镜(3)由不同尺寸的超表面单元构成；所述超表面单元尺寸沿y轴正方向递增或递减变化，确保平面波按一定的偏折角出射，形成一个具有某个偏转角度的倾斜非衍射波束；
所述第二匹配层(5)在非对称梯度折射率透镜(3)左右两侧，用于实现平面平板透镜(2)和非对称梯度折射率透镜(3)的阻抗匹配，使平面平板透镜(2)出射的平面波无损耗的进入到非对称梯度折射率透镜(3)，并无损耗地从非对称梯度折射率透镜(3)射出。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，其特征在于：所述超表面单元是任意尺寸或任意形状的谐振结构。
3.根据权利要求2所述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，其特征在于：所述超表面单元是方形环结构、方形贴片结构、开口单环或双环结构、十字形贴片结构其中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，其特征在于：平面平板透镜(2)由大小不同的超表面单元排布成阵列，所述超表面单元尺寸从横向中心线即x轴向y轴正、反方向同时递增或递减变化；平面平板透镜(2)的超表面单元阵列关于x轴上下对称，确保折射率由平面平板透镜(2)中心向y轴正反方向相同变化，将点源辐射的球面波转换为平面波。
5.根据权利要求1所述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，其特征在于：所述非对称梯度折射率透镜(3)由大小不同的超表面单元排布成阵列，所述超表面单元尺寸沿y轴正方向递增或递减变化；非对称梯度折射率透镜(3)的超表面单元阵列关于x轴上下非对称，确保平面波按一定偏折角出射，形成一个具有某个偏转角度的倾斜非衍射波束。
6.根据权利要求1所述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，其特征在于：所述第一匹配层(4)由大小不同的超表面单元排布成阵列，所述超表面单元尺寸由横向中心线即x轴向y轴正、反方向同时递增或递减变化，所述超表面单元阵列关于x轴上下对称，不仅实现阻抗匹配，也用于相位补偿，确保球面波转化为平面波。
7.根据权利要求1所述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，其特征在于：第二匹配层(5)由大小相同的超表面单元排布成阵列，用于保持平面波的出射偏折角在匹配层传播过程中不发生变化，仅仅实现阻抗匹配。
8.根据权利要求1所述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，其特征在于：第一匹配层(4)和第二匹配层(5)的厚度为其中波长的四分之一倍。
9.根据权利要求1所述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜，其特征在于：所提出的超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜扩展为三维结构的超材料透镜，实现非衍射波束偏转。
10.利用权利要求1至9任意一项所述的基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜进行波束调控的方法，其特征在于：馈源(1)辐射出的球面波通过平面平板透镜(2)转换为平面波，由于馈源(1)辐射出的球面波达到平面平板透镜(2)中心与到达其边缘存在相位差，所以，此平面平板透镜(2为梯度折射率透镜，以补偿球面波到达平面平板透镜(2)中心与边缘的相差，使得波束在透射过透镜后具有相同的相位，形成平面波；之后，非对称梯度折射率透镜(3)具有非对称的折射率，使平面波透射过该透镜后具有不同的偏折角出射，形成一个具有一定偏折角度的波束重叠区域即非衍射形成区域，并且非对称梯度折射率透镜(3)在不同的位置上具有不同的折射率，补偿出射角的相位，确保具有不同偏折角的波束在非衍射区域内同时达到；此外，波在两个透镜界面上会产生反射，为了确保从馈源辐射出的波无损耗地穿过平面贝塞尔透镜，因此在两个透镜之间引入了第一匹配层(4)和第二匹配层(5)，匹配层厚度为四分之一波长，第一匹配层(4)为梯度折射率变化的超表面阵列，确保点源辐射出来的球面波转换为平面波；第二匹配层(5)由大小相同尺寸谐振环组成的超表面阵列，确保波在传播过程中不发生改变。
技术总结