[发明专利]基于相控阵的电磁能远场无衍射传输系统设计方法

权利要求书

1.基于相控阵的电磁能远场无衍射传输系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将空间高斯分布电磁场从高斯波束转换为无衍射波束，无衍射波束的电磁波沿传播方向电磁场不发生变化，具体为：

i)首先确定电磁波的标量波动方程：

式(1)中，为哈密顿算子，E(r,t)为场强，r为场点，t为时间，表示光速，ε₀表示自由空间的介电常数，μ₀表示自由空间的磁导率；

ii)然后在笛卡尔坐标系中假设电磁波沿z方向传播，如果场强E(r,t)分离为沿z方向分量与横向分量相乘形式，即实现场强在横向分量不随沿z方向分量变化；

以Bessel光束为例分析，利用Bessel函数展开，式(1)中场强E(r,t)写为：

E(r,t)＝2πAJ₀(αρ)exp(i(βz_e-ωt)) (2)

式(2)中，J₀为零阶Bessel函数，A为待定系数，α为电磁波沿横向传播系数，β为电磁波沿z向传播系数，ρ为电磁波横向距离长度，z_e为电磁波沿z方向长度，ω为角频率；

S2、由于电磁场从高斯波束变为无衍射波束，聚焦深度发生质变化：

高斯波束聚焦传输距离Z_gauss由下式决定：

其中Z_gauss-max为高斯波束聚焦最远传输距离，D为天线口面直径，λ为电磁波波长；

设无衍射波束为零阶Bessel波束，Bessel波束最大传输距离Z_Bessel-max为：

其中α为电磁波沿横向传播系数；

S3、基于相控阵的天线口面，组成无衍射天线区域，通过控制天线口面相位，在电磁能量的远场实现电磁能聚焦传输，其中，无衍射天线区域的相控阵分为传统无衍射区(D＜d₁)与消逝场放大区(d₁≤D＜d₂)，其中d₁为传统无衍射区最大直径，d₂为实际天线外形直径；在传统无衍射区(D＜d₁)中实现无衍射聚焦传输；在消逝场放大区(d₁≤D＜d₂)中，通过变换光学控制每个发射单元的天线口面相位φ＝f(x_e,y_e)将虚拟天线区域(d₂≤D＜d₃)中本来以消逝场形式存在的电磁场变换为传播场，最终将等效天线尺寸大小由d₂外推至d₃，d₃为相位操控天线的等效直径，即用实际天线外形直径为d₂的天线实现等效直径为d₃的天线聚焦效能，等效为增加了天线的等效口径；

每个发射单元的天线口面相位设置依据远场电磁场分布计算公式得到

式中，φ为天线口面相位，x_e、y_e分别为电磁波沿x、y方向长度。