CN102769208B - 梯度折射率介质透镜及梯度折射率介质透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种梯度折射率介质透镜及梯度折射率介质透镜天线。其中，呈半圆柱形的梯度折射率介质透镜的折射率分布满足：，呈半球形的梯度折射率介质透镜的折射率分布满足：。半圆柱形/半球形梯度折射率介质透镜的折射率都是根据变换光学的原理，采用共形变换计算得到，折射率大于1，并且分布规律，实现方便，工作频带宽，既可单独用于成像，也可增加反射面用于通信、雷达等领域，或配合其它器件构成天线系统。本发明的梯度折射率介质透镜天线以所述半圆柱形/半球形梯度折射率介质透镜为主体，因而具有良好的方向性。

Description

梯度折射率介质透镜及梯度折射率介质透镜天线

技术领域

本发明涉及介质透镜领域，特别涉及一种梯度折射率介质透镜及梯度折射率介质透镜天线。

背景技术

天线是定向发射电磁波的重要器件，常见的天线有反射面天线、喇叭天线、透镜天线等。其中，反射面天线结构简单，但馈源位于口径面前方，会对天线的辐射造成一定遮挡；喇叭天线的方向图易于控制，但在使用时往往需要校正相位，并且受限于无线电波或微波频段；透镜天线的方向图较好，但有时较为笨重，例如经典的龙伯透镜天线，其主体结构为完整的圆柱体或球体透镜。

变换光学理论是英国物理学家Pendry及其合作者以及另一位物理学家Leonhardt在2006年同时提出的一种设计具有特殊性质的电磁材料或电磁器件以便控制电磁波传播行为的方法。变换光学的实施方式一般通过设计空间坐标变换来实现，目前已应用于电磁隐身等领域的研究。也有一些学者和研究人员提出了根据变换光学的原理设计天线的方法，但是一般的空间变换会引起电磁参数的非均匀性及各向异性，使得材料难以实现(参见文献：“Planarfocusing antenna design by using coordinate transformation technology，”Applied PhysicsLetters 91，253509，2007)。虽然，应用共形变换的方法可以实现各向同性的电磁参数，但一般限于二维结构，并且结构中往往含有折射率小于1的区域，带来不可避免的色散，使得天线难以在宽频带工作(参见文献：“Designing optical elements from isotropic materials by usingtransformation optics，”Physical Review A 81，033837，2010)。

迄今为止，尚没有应用变换光学和共形变换理论实现材料为各向同性、能够宽带工作的天线的实例。

发明内容

本发明的目的在于提供一种折射率大于1的梯度折射率介质透镜。

本发明的另一目的在于实现具有良好方向性的梯度折射率介质透镜天线。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供一种梯度折射率介质透镜，呈半圆柱形状，其折射率分布满足：n＝k·f(s)/[x²+(a+y)²]，其中f(s)是关于变量s的任意函数，s＝(x²+y²+a²)/[x²+(a+y)²]，x为梯度折射率介质透镜内一点到其主轴面的距离，该主轴面为该半圆柱形状的梯度折射率介质透镜的轴心线所在的平面，且与矩形表面垂直，y为梯度折射率介质透镜内一点到该梯度折射率介质透镜矩形表面的距离，a为该梯度折射率介质透镜的半径，k基于该梯度折射率介质透镜的材料在任意常数中进行选择，以保证该梯度折射率介质透镜的折射率大于1。

本发明还提供一种梯度折射率介质透镜，呈半球形状，其折射率分布满足：

n＝k·g(t)/[x²+z²+(a+y)²]，其中g(t)是关于变量t  的任意函数，t＝(x²+y²+z²+a²)/[x²+z²+(a+y)²]，y为梯度折射率介质透镜内一点到梯度折射率介质透镜圆形表面的距离，x、z分别为梯度折射率介质透镜内一点与其主轴线间的距离在圆形表面所在平面的两个坐标方向的投影，所述主轴线为所述圆形表面的圆心与该半球形状的梯度折射率介质透镜的顶点的连线，a为梯度折射率介质透镜的半径，k基于该梯度折射率介质透镜的材料在任意常数中进行选择，以保证该梯度折射率介质透镜的折射率大于1。

本发明还提供一种基于变换光学和共形变换理论的梯度折射率介质透镜天线，包括：前述呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜；贴于所述呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜的半圆柱形表面的半圆柱形反射器件；与所述半圆柱形反射器件连接且位于所述半圆柱形反射器件顶部的第一馈源或第一馈电波导，其中，所述呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜的母线的长度与所述第一馈源或第一馈电波导的宽度相同。

本发明还提供一种基于变换光学和共形变换理论的梯度折射率介质透镜天线，包括：前述呈半球形状的梯度折射率介质透镜；贴于所述呈半球形状的梯度折射率介质透镜半球形表面的半球形反射器件；以及与所述半球形反射器件连接且位于所述半球形反射器件顶点的第二馈源或第二馈电波导。

综上所述，本发明的半圆柱形/半球形梯度折射率介质透镜的折射率根据变换光学的原理，采用共形变换计算得到，其折射率大于1，并且分布规律，实现方便，工作频带宽；既可单独用于成像，也可增加反射面用于通信、雷达等领域，或配合其它器件构成天线系统。而本发明的梯度折射率介质透镜天线以前述半圆柱形/半球形梯度折射率介质透镜为主体，因而具有良好的方向性。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的梯度折射率介质透镜示意图。

图2为图1所示的梯度折射率介质透镜的折射率分布示意图。

图3为基于图1所示的梯度折射率介质透镜所形成的梯度折射率介质透镜天线示意图。

图4为图3所示的梯度折射率介质透镜天线收发的电磁波或声波的传播路径示意图。

图5为图3所示的梯度折射率介质透镜天线用于发射电磁能量时的电场分布仿真结果示意图。

图6为图3所示的梯度折射率介质透镜天线用于发射电磁能量时的远场方向图的仿真结果示意图。

图7为另一个优选实施例的梯度折射率介质透镜示意图。

图8为基于图7所示的梯度折射率介质透镜所形成的梯度折射率介质透镜天线剖视图。

具体实施方式

实施例一：

图1示出了本发明一个优选实施例的梯度折射率介质透镜示意图。所述梯度折射率介质透镜呈半圆柱形状，所述梯度折射率介质透镜的折射率分布满足：

n＝k·f(s)/[x²+(a+y)²]，

其中，f(s)是关于变量s的任意函数，s＝(x²+y²+a²)/[x²+(a+y)²]，x为梯度折射率介质透镜内一点到其主轴面的距离，该主轴面为该半圆柱形状的梯度折射率介质透镜的轴心线所在的平面，且与矩形表面垂直，y为梯度折射率介质透镜内一点到该梯度折射率介质透镜矩形表面的距离，a为该梯度折射率介质透镜的半径，k基于该梯度折射率介质透镜的材料在任意常数中进行选择，以保证该梯度折射率介质透镜的折射率大于1。

其中，所述梯度折射率介质透镜可采用分层结构的正常介质、梯度折射率材料或人工材料等来形成。

再请参见图2，其为参数取f(s)＝1，k＝4，a＝1m所对应的梯度折射率介质透镜的折射率示意图。由图可见，该梯度折射率介质透镜的折射率处处大于1。

基于上述半圆柱形状的梯度折射率介质透镜，可形成相应的梯度折射率介质透镜天线。具体如图3所示，其为梯度折射率介质透镜天线的示意图。所述梯度折射率介质透镜天线包括：半圆柱形状的梯度折射率介质透镜3、半圆柱形反射器件2以及第一馈源或第一馈电波导1。其中，所述半圆柱形反射器件2的材质可为金属导体，其贴于所述呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜3的半圆柱形表面；所述第一馈源或第一馈电波导1与所述半圆柱形反射器件2连接，其位于所述半圆柱形反射器件2的顶部，其宽度与所述呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜3的母线的长度相同。梯度折射率介质透镜3的半径a作为折射率分布的参数之一，可根据工程需要来确定，至少应是工作波长的数倍，满足几何光学的成立条件；参数k也可根据具体实现的材料进行选择，以保证透镜的折射率大于1，能够宽频带工作。

其中，当所述梯度折射率介质透镜天线用于发射或接收电磁波或电磁能量，诸如无线电波、微波及可见光等时，呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜3的材料包括但不限于：分层结构的正常介质、梯度折射率材料、人工电磁材料及光子晶体等；当所述梯度折射率介质透镜天线用于发射或接收声波时，呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜3的材料包括但不限于：人工声材料及声子晶体等。

上述梯度折射率介质透镜天线收发的电磁波或声波的传播路径如图4所示，当用作发射天线时，顶部的第一馈源1发射的电磁波(或声波)将沿着图中实线的轨迹在梯度折射率介质透镜3中传播，并在离开天线的口径面之后沿主轴方向继续平行出射。反之，当用作接收天线时，垂直于天线口径面入射的电磁波(或声波)将沿着实线的轨迹汇聚于梯度折射率介质透镜3的顶点。

以下将通过仿真结果来详细说明梯度折射率介质透镜天线的性能。

请参见图5，其为梯度折射率介质透镜天线用于发射电磁能量时的电场分布仿真结果示意图。其中，电场方向垂直于纸面，该梯度折射率介质透镜天线包括的梯度折射率介质透镜的参数为：f(s)＝1，k＝4，a＝1m，图5中的子图(a)及子图(b)分别是在1.0GHz和2.5GHz工作频率下的电场分布图，其中黑色实线表示电磁能量传播的方向，由图5可见，该梯度折射率介质透镜天线具有良好的方向性。根据光路可逆原理，显然，该梯度折射率介质透镜天线对于垂直入射的电磁能量也具有良好的接收性能。

再请参见图6，其为梯度折射率介质透镜天线用于发射电磁能量时远场方向图的仿真结果示意图。采用的仿真条件与图5相同，即：梯度折射率介质透镜天线包括的梯度折射率介质透镜的参数为：f(s)＝1，k＝4，a＝1m，图6中虚线和实线分别是1.0GHz和2.5GHz时的远场方向图。从图6中可以看出，该梯度折射率介质透镜天线具有良好的方向性，并且随着工作频率的增大而改善。

实施例二：

图7示出了本发明另一优选实施例的梯度折射率介质透镜示意图。所述梯度折射率介质透镜呈半球形状，其折射率分布满足：

n＝k·g(t)/[x²+z²+(a+y)²]，

其中g(t)是关于变量t的任意函数，t＝(x²+y²+z²+a²)/[x²+z²+(a+y)²]，y为梯度折射率介质透镜内一点到梯度折射率介质透镜圆形表面的距离，x、z分别为梯度折射率介质透镜内一点与其主轴线间的距离在圆形表面所在平面的两个坐标方向的投影，所述主轴线为所述圆形表面的圆心与该半球形状的梯度折射率介质透镜的顶点的连线，a为梯度折射率介质透镜的半径，k基于该梯度折射率介质透镜的材料在任意常数中进行选择，以保证该梯度折射率介质透镜的折射率大于1。

其中，所述梯度折射率介质透镜的材质包括但不限于：分层结构的正常介质、梯度折射率材料及人工材料等等。

当所述梯度折射率介质透镜的参数取f(t)＝1，k＝4，a＝1m时，相应的梯度折射率介质透镜的折射率示意图与图3相同，在此不再重述。

同样，基于上述半球形状的梯度折射率介质透镜，可形成相应的梯度折射率介质透镜天线。具体如图8所示，其为梯度折射率介质透镜天线的剖视图。所述梯度折射率介质透镜天线包括：半球形状的梯度折射率介质透镜3’、半球形反射器件2’以及第二馈源或第二馈电波导1’。其中，所述半球形反射器件2’的材质可为金属导体，其贴于所述呈半球形状的梯度折射率介质透镜3’的半球形表面；所述第二馈源或第二馈电波导1’与所述半球形反射器件2’连接，其位于所述第二半球形反射器件2’的顶点。梯度折射率介质透镜3’的半径a作为折射率分布的参数之一，可根据工程需要来确定，至少应是工作波长的数倍，满足几何光学的成立条件；参数k也可根据具体实现的材料进行选择，以保证透镜的折射率大于1，能够宽频带工作。

其中，当所述梯度折射率介质透镜天线用于发射或接收电磁波或电磁能量，诸如无线电波、微波及可见光时，呈半球形状的梯度折射率介质透镜3’的材料包括但不限于：分层结构的正常介质、梯度折射率材料、人工电磁材料及光子晶体等；当所述梯度折射率介质透镜天线用于发射或接收声波时，呈半球形状的梯度折射率介质透镜3’的材料包括但不限于：人工声材料及声子晶体等。

当参数取f(t)＝1，k＝4，a＝1m所对应的半球形梯度折射率介质透镜天线用于发射电磁能量时，1.0GHz和2.5GHz工作频率下的场分布在通过天线对称轴的平面上与图5相同，根据旋转对称性可知该半球形梯度折射率介质透镜天线也具有良好的方向性，其方向图与图6相似，在此不再赘述。

综上所述，本发明的半圆柱形/半球形梯度折射率介质透镜的折射率根据变换光学的原理，采用共形变换计算得到，方法简单，其折射率大于1，并且分布规律，实现方便，工作频带宽；此外，其既可单独用于成像等领域，也可配合反射面等器件使用，适用性广。而本发明的梯度折射率介质透镜天线可实现电磁波或声波的方向性发射和接收，并应用于通信、雷达、射电天文等领域，其优点包括：(1).主体仅有一个半圆柱形或半球形梯度折射率介质透镜，结构简单；(2).具有良好的方向性；(3).可用于能量的发射、接收或收发共用；(4).半圆柱形或半球形梯度折射率介质透镜的折射率大于1，并且分布规律，实现方便，工作频带宽；(5).整体结构易于旋转，适用性广。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (4)

1.一种基于变换光学和共形变换理论的梯度折射率介质透镜天线，其特征在于包括：

呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜，其折射率分布满足：

n＝k·f(s)/[x²+(a+y)²]，其中f(s)是关于变量s的任意函数,s＝(x²+y²+a²)/[x²+(a+y)²],x为梯度折射率介质透镜内一点到其主轴面的距离，该主轴面为该半圆柱形状的梯度折射率介质透镜的轴心线所在的平面，且与矩形表面垂直，y为梯度折射率介质透镜内一点到该梯度折射率介质透镜矩形表面的距离，a为梯度折射率介质透镜的半径，k基于该梯度折射率介质透镜的材料在任意常数中进行选择，以保证该梯度折射率介质透镜的折射率大于1；

贴于所述呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜半圆柱形表面的半圆柱形反射器件；与所述半圆柱形反射器件连接且位于所述半圆柱形反射器件顶部的第一馈源或第一馈电波导，其中，所述呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜的母线的长度与所述第一馈源或第一馈电波导的宽度相同。

2.如权利要求1所述的基于变换光学和共形变换理论的梯度折射率介质透镜天线，其特征在于：当所述梯度折射率介质透镜天线用于发射或接收电磁波或电磁能量时，呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜的材料包括：分层结构的正常介质、梯度折射率材料、人工电磁材料及光子晶体。

3.如权利要求2所述的基于变换光学和共形变换理论的梯度折射率介质透镜天线，其特征在于：所述电磁波或电磁能量包括：无线电波、微波及可见光。

4.如权利要求1所述的基于变换光学和共形变换理论的梯度折射率介质透镜天线，其特征在于：当所述梯度折射率介质透镜天线用于发射或接收声波时，呈半圆柱形状的梯度折射率介质透镜的材料包括：人工声材料及声子晶体。