[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

说明书

基于相控阵的电磁能远场无衍射传输系统设计方法，包括如下步骤：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；由于电磁场从高斯波束变为无衍射波束，聚焦深度、聚焦位置发生质变化；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。本发明首次在微波频段利用相控阵实现无衍射远场聚焦传输方案，在天线口径尺寸不变背景下，通过控制天线口面相位，极大拓展电磁能量的远场聚焦传输距离，相对于传统高斯电磁波束能量传输距离提升10倍以上；由于可以实现电磁能量远场无衍射聚焦，有望在远场将电磁能量功率密度提升两个数量级。

技术领域

本发明属于微波频段高功率电磁输能系统设计领域，具体涉及一种基于相控阵的电磁能远场无衍射传输系统设计方法。

背景技术

无线电能传输技术包括非辐射式的近场耦合和辐射式远场传输两大类。基于电磁谐振耦合的近场无线输电，由于近场本身为波长量级，只能进行近距离的电能传输(2米左右)；基于微波传输的无线输电方式属于远场传输，具有远距离无线输能的优势，传输距离可达几十米甚至数千米量级。但是目前传统高斯电磁波无线输电技术依然存在传输距离不够大的瓶颈，而天线阵列化是现代微波或射频系统发展的一个趋势。阵列化可以降低单个阵元发射机的发射功率，发射机易用固态电路实现；阵列化可以提升天线发射增益，降低波束宽度，形成高功率密度窄波束；阵列天线可以形成快速电扫描波束，实现发射方向的快速切换。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于相控阵的电磁能远场无衍射传输系统设计方法，在天线口径尺寸不变背景下，通过控制天线口面相位，极大拓展电磁能量的远场聚焦传输距离；实现电磁能量远场无衍射聚焦。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于相控阵的电磁能远场无衍射传输系统设计方法，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(Diffraction-FreeBeams)，无衍射波束的电磁波沿传播方向电磁场不发生变化；

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。

按上述方案，所述步骤S1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：