无衍射波束是基于Maxwell自由空间波动方程的一组特殊解,理论上能在自由空间实现无限远距离能量传送并无任何损耗的理想波束。无衍射波束针对性地解决了现实生活中因处处存在的衍射而造成的能量损耗等问题,并且可突破瑞利距离的限制而进行远距离高效率的能量传输,是目前无线电能传输和通信的研究热点之一。贝塞尔波束是各类无衍射波束中最典型的代表。相较于其他波束而言,贝塞尔波束横向分辨率更好、定向性更好,并且也有较多的较成熟的方法产生实际可用的伪贝塞尔波束,因此在无线电能传输、通信、精准探测及成像等领域具有较强的实际应用价值。由于目前贝塞尔波束的能量效率均有待提高,因此结合新材料、新方法或使用新方法结合成熟工艺等方式来进一步产生效率更高的无衍射贝塞尔波束是本文研究的主要目标。本文面向基于电磁波波前调控的无衍射波束实现理论及技术,主要研究工作内容如下:1)针对利用超表面法产生无衍射波束的可行性,本文设计了两款5.8GHz普通介质无衍射超表面,分别是普通介质透射超表面和普通介质反射超表面。两者的共同点为:一、利用的都是超表面常使用的材料,适合基础性的验证设计;二、采用的方法都为利用无衍射理论中的超表面法产生贝塞尔波束,相比其他方法而言更加简便高效;三、均利用广义斯涅耳定律控制波束的偏向,验证能量传输的任意方向性。不同点在于:前者是透射超表面,具体利用的是广义折射定律,提出了聚焦效率的概念来验证无衍射贝塞尔波束的正确性;后者是反射超表面,具体利用的是广义反射定律,提出了调制效率的概念来验证无衍射贝塞尔波束的正确性。两者分别从透射和反射两大方面验证了利用超表面产生无衍射贝塞尔波束的可行性和普适性,并且后者在前者的基础上改进了单元的性能,为后续深入设计提供了相关依据和参考标准。2)针对无衍射波束在太赫兹频段的广阔应用前景和石墨烯在太赫兹波段的优良特性,在第一点无衍射超表面研究的基础上,本文设计了一款1.52THz石墨烯无衍射超表面。首先研究分析了石墨烯在太赫兹波段的电导率模型,获得了石墨烯在1.52THz的阻抗;接着设计了相应的石墨烯超表面单元,利用双参数调节保证了单元的优良性能,即单元能完整覆盖360°相位的同时具有非常高的幅度;然后建立了相应的石墨烯超表面模型,观测到良好的无衍射成波现象和聚焦特性,其聚焦距离为3358.85um,基本与理论设计一致;最后通过计算获得了先增后减的聚焦效率和约为70%的调制效率,证明了整体设计的可靠性。本设计为未来6G太赫兹通信的发展提供了重要研究内容,并且随着超材料的发展,也将为未来石墨烯、二氧化钒等超材料的无衍射相关研究打下一定的基石。3)针对无衍射理论在现阶段的实际性应用,本文设计了一款5.8GHz无衍射微带阵列天线。考虑到超表面所使用的馈源的放置易受实际操作的影响,不利于加工测试及实际应用,因此使用由SMA直接馈电的微带阵列天线来替代。根据上述研究所依据的超表面法,利用微带线的馈电网枝节长度变化代替超表面的单元尺寸变化来提供生成贝塞尔波束所需相位是本设计的核心思想。整个设计分为三大部分:首先根据微带线贴片的经验公式设计性能良好的贴片单元,然后直接建立8×8贴片阵,通过集总端口根据相位分布直接给每个贴片进行单独馈电,获得聚焦特性良好的无衍射波束,证明利用微带阵列天线代替超表面实现无衍射波束的可行性;接着独立设计馈电网,通过调整馈线的长度来提供不同的相位,并以整个馈电网的回波损耗|S11|<-10dB为评价标准,来保证能量尽可能多地从源端送入天线内;最后综合贴片阵和馈电网,用实际使用的SMA代替集总端口,加工获得最后的实物天线阵,其无衍射聚焦特性良好,整个微带阵列天线的频带为[5.54GHz,6.34GHz],并且在中心频点5.8GHz处的回波损耗|S11|=-17.01dB,整个天线的增益为17.02dB。本设计证明了用微带阵列天线代替超表面进行无衍射应用的可行性及可靠设计方法,并且,借助目前较为成熟的微带线加工工艺,无衍射微带阵列天线在现阶段也将具有较高的实用价值。