本发明属于射频通信，尤其涉及一种生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构及方法。
背景技术：
1、在射频领域内，f.tamburini等人在威尼斯开展了涡旋电磁波的通信实验，证实了轨道角动量是独立于极化、相位、赋值的另一个自由度，能够有效提升通信容量和效率。就此学者展开广泛研究，利用螺旋相位板、反射板天线、均匀圆形阵列和超表面等生成涡旋电磁波，意图利用其内秉的模态正交性进一步提高通信容量，满足当前无线通信的需求，但涡旋电磁波存在相位奇点，其中空特性限制了其在远距离无线通信中的应用，有待进一步研究。
2、文献“ n. kou, s. yu, and l. li, generation of high-order besselvortex beam carrying orbital angular momentum using multilayer amplitude-phasemodulated surfaces in radio frequency domain, applied physics express,vol. 10, no. 1, p. 016701, jan. 2017”使用多层透射超表面同时调控相位和幅度，在14ghz生成了83的无衍射贝塞尔光束。但其幅度和相位不能独立调控，且由于喇叭馈源需要置于最佳焦径比处，天线剖面为17.35。
3、文献“h liu, h. xue, y. liu, q. feng, and l. li, generation ofhighorder bessel orbital angular momentum vortex beam using a single-layerreflective metasurface, ieee accesss, vol. 8, pp. 126 504–126 510, 2020”使用反射超表面在10ghz处实现了36无衍射贝塞尔光束，但剖面同样有11.93之大。
4、文献“y. yang, y. zhu, w. xie, l. bu, y. zang, and x. liu, “high-efficiency ultrathin metasurfaces with simultaneous control of completephase, amplitude, and polarization.” optics express, vol. 31 2, pp. 3134–3142, 2022”选取手性超表面单元实现了幅度和相位的独立调控，单层超表面总剖面高度仅为4.6，但无衍射距离仅达到了37.4。
5、基于以上文献可得，为了进一步利用轨道角动量提供的新自由度提高通信容量急需解决的是其中空问题，与此同时应该将小型化、低剖面纳入考虑范围。
6、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：不能同时对幅度和相位两个物理量进行同时的独立调控，降低了调制电磁波的效率以及生成的模式纯度；由于馈源放置于反射型超表面上方，造成阻塞效应，给幅度和相位补偿带来误差影响；理论上产生无衍射贝塞尔波束需要无限大的天线口径，而现有设计剖面高，不利于小型化设计，且生成带有轨道角动量的贝塞尔波束较短。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构及方法。
2、本发明是这样实现的，一种生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构，包括喇叭馈源、透射型超表面和反射型超表面，喇叭馈源位于最上层，透射性超表面位于喇叭馈源之下，反射性超表面位于最下层，设置在透射性超表面之下。
3、进一步，喇叭馈源为标准14ghz矩形馈源喇叭，辐射球面波，其口径尺寸为28×35mm。
4、进一步，透射型超表面由四层f4bm-2介质板构成，每层高度为1.035mm。介质板之间压合了五层金属贴片，分别是四层雪花型金属贴片和一个蚀刻有雪花状缝隙的金属贴片，透射单元幅度覆盖0-1幅度，且入射角不敏感，用于提高电磁波的透射效率。
5、进一步，反射型超表面单元由开口圆形贴片组成，中间蚀刻有一个开口圆环和耶路撒冷型缝隙，入射角不敏感，用于实现360°的相位覆盖。
6、进一步，根据光线追踪原理，电磁波在透射型超表面和反射型超表面中反射了一次，降低原剖面至一半的高度，从馈源发出的球面电磁波经由下层反射型超表面调整贝塞尔波束所需要的幅度，再通过上层透射型超表面进行相位补偿，将球面波转化为平面波，加之轨道角动量所需的涡旋相位，最终发射出无衍射的贝塞尔波束。
7、进一步，用于调制幅度的超表面各单元满足：
8、，
9、其中，是调制超表面单元的幅度，是第个单元的位置，为喇叭馈源的电场幅度，为n阶贝塞尔函数，为横向波常数。
10、进一步，用于调制相位的超表面主要需要补偿三项：
11、,
12、其中，是调制的超表面相位，是将球面波转换为平面波所需要的补偿相位，是生成oam所需的相位是生成bessel波束所需的相位：
13、,
14、,
15、,
16、其中，是在直角坐标系下将球面波转换为平面波所需要的补偿相位；x和y代表直角坐标系下的坐标；为自由空间的波矢量；为第(i,j)个超表面单元的x坐标；为馈源的x坐标值；为第(i,j)个超表面单元的y坐标；为馈源的y坐标值；为坐标中心的z坐标；为馈源的z坐标值；为超表面单元和馈源的距离；为轨道角动量的模式数；为中心频率的波长；为等效轴棱锥底角；为超表面的焦距。
17、本发明还提供了一种生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构的方法，其特征在于，喇叭馈源、透射型超表面和反射型超表面利用折叠超表面技术生成无衍射贝塞尔波束，喇叭馈源产生初级电磁波，透射型超表面对电磁波进行初步调制，反射型超表面进一步调制电磁波并完成贝塞尔波束的形成，其中喇叭馈源位于最上层，透射型超表面位于喇叭馈源之下，反射型超表面位于最下层，设置在透射型超表面之下。
18、进一步，使用标准14ghz矩形馈源喇叭作为喇叭馈源，辐射球面波，其口径尺寸为28×35mm。
19、进一步，透射型超表面由四层f4bm-2介质板构成，每层高度为1.035mm。介质板之间压合了五层金属贴片，以提高电磁波的透射效率。
20、进一步，反射型超表面采用由开口圆形贴片组成的，其中间蚀刻有一个开口圆环和耶路撒冷型缝隙，以实现360°的相位覆盖。
21、进一步，根据光线追踪原理，电磁波在透射型超表面和反射型超表面两层超表面中反射一次，降低原剖面至一半的高度。从馈源发出的球面电磁波经由下层反射型超表面调整贝塞尔波束所需的幅度，再通过上层透射型超表面进行相位补偿，将球面波转化为平面波，加之轨道角动量所需的涡旋相位，最终发射出无衍射的贝塞尔波束。
22、第一，针对上述现有技术存在的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
23、1. 本发明生成了110长距离无衍射的贝塞尔波束，且整体剖面仅有3.25，一定程度上解决了涡旋电磁波发散角在无线通信中的问题。
24、2. 本发明利用光线追踪原理，电磁波自喇叭馈源发射后，在经由下层超表面反射后，从上层透射型超表面透射而出。两块功能不同的超表面分别通过独立调整相位和幅度构成折叠天线，达到降低剖面的目的。
25、3. 反射型超表面单元能覆盖0-1的幅度，且在调制幅度时，相位较为稳定，波动不超过10°。单元特性在12-15ghz稳定性较好，且有50°的入射角不敏感特性。
26、4. 透射型超表面单元可以覆盖360°的相位，且稳定在0.8幅度以上。单元特性在13-16ghz稳定性较好，且有30°的入射角不敏感特性。
27、5. 本发明天线结构简单，没有复杂馈电结构，使用pcb技术制作，经济适用好。
28、第二，把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
29、1.本发明上层透射型超表面由四层f4bm-2介质板和五层金属贴片构成。两种金属贴片分别是雪花型和蚀刻有雪花缝隙的方形金属贴片。透射单元幅度覆盖0-1，且入射角不敏感。
30、2.本发明下层反射超表面单元由开口圆形贴片组成，中间蚀刻有一个开口圆环和耶路撒冷型缝，相位覆盖360°，入射角不敏感。
31、3.为避免馈源导致的阻塞效应，本发明在上层透射型超表面中心挖去28×35mm的矩形，用于放置喇叭馈源，同时也提高了集成化程度，降低了整体天线剖面。
32、4.本发明的超表面天线也可以用于其他频段。
33、第三，本发明的技术方案利用两块超表面达成了同时且独立控制电磁波幅度和相位的调制，根据光线追踪原理设计的折叠超表面结构天线整体剖面仅有3.25，符合天线小型化的设计要求，有利于天线集成。本发明的技术方案为有效改善涡旋电磁波内秉的相位奇点和发散问题，生成110长距离无衍射的贝塞尔波束。
1.一种生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构，其特征在于，包括喇叭馈源、透射型超表面和反射型超表面，喇叭馈源位于最上层，透射性超表面位于喇叭馈源之下，反射性超表面位于最下层，设置在透射性超表面之下。
2.如权利要求1所述的生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构，其特征在于，喇叭馈源为标准14ghz矩形馈源喇叭，辐射球面波，其口径尺寸为28×35mm。
3.如权利要求1所述的生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构，其特征在于，透射型超表面由四层f4bm-2介质板构成，每层高度为1.035mm，介质板之间压合了五层金属贴片，分别是四层雪花型金属贴片和一个蚀刻有雪花状缝隙的金属贴片，用于提高电磁波的透射效率。
4.如权利要求1所述的生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构，其特征在于，反射型超表面单元由开口圆形贴片组成，中间蚀刻有一个开口圆环和耶路撒冷型缝隙，用于实现360°的相位覆盖。
5.如权利要求1所述的生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构，其特征在于，根据光线追踪原理，电磁波在透射型超表面和反射型超表面两层超表面中反射了一次，降低原剖面至一半的高度，从馈源发出的球面电磁波经由下层反射型超表面调整贝塞尔波束所需要的幅度，再通过上层超表面进行相位补偿，将球面波转化为平面波，加之轨道角动量所需的涡旋相位，最终发射出无衍射的贝塞尔波束。
6.如权利要求1所述的生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构，其特征在于，用于调制幅度的超表面各单元满足：
7.如权利要求1所述的生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构，其特征在于，用于调制相位的超表面主要需要补偿三项：
8.一种生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构的方法，其特征在于，喇叭馈源、透射型超表面和反射型超表面利用折叠超表面技术生成无衍射贝塞尔波束，喇叭馈源产生初级电磁波，透射型超表面对电磁波进行初步调制，反射型超表面进一步调制电磁波并完成贝塞尔波束的形成，其中喇叭馈源位于最上层，透射型超表面位于喇叭馈源之下，反射型超表面位于最下层，设置在透射型超表面之下。
9.如权利要求8所述的生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构的方法，其特征在于，透射型超表面由四层f4bm-2介质板构成，每层高度为1.035mm。介质板之间压合了五层金属贴片，以增强电磁波的透射效率。
10.如权利要求8所述的生成无衍射贝塞尔波束的折叠超表面结构的方法，其特征在于，反射型超表面采用由开口圆形贴片组成，其中间蚀刻有一个开口圆环和耶路撒冷型缝隙，以实现360°的相位覆盖；
