CN102882007A - 一种微波平板菲涅尔透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波平板菲涅尔透镜，所述微波平板菲涅尔透镜由至少一个片状基板层叠形成，每个片状基板均包括基材以及附着于基材上的多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，人造微结构置于一个晶格中形成一个单元，所述单元n_i的折射率满足下列公式：

，其中，n_k为凸透镜/凹透镜上对应部位的折射率，r为凸透镜/凹透镜的半径，y_i以超材料垂直方向上的单元距离片状基板中点的距离，d为片状基板之厚度，n_max、n_min分别是片状基板对应于特定频段微波的最大折射率和最小折射率。本发明提供的微波平板菲涅尔透镜可应用于微波阶段。

Description

一种微波平板菲涅尔透镜

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种微波平板菲涅尔透镜。

背景技术

众所周知，菲涅尔透镜(Fresnel lens)多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。对应于凸透镜或凹透镜，菲涅尔透镜分为正菲涅尔透镜以及负菲涅尔透镜。

现有的菲涅尔透镜是光学波段的，不适用微波波段，如用普通材料设计微波菲涅尔透镜表面结构制作困难，因此，人们在探索新的材料来制作菲涅尔透镜。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种简单、易于实现以及制作简单的微波平板菲涅尔透镜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微波平板菲涅尔透镜，所述微波平板菲涅尔透镜由至少一个片状基板层叠形成，每个片状基板均包括基材以及附着于基材上的多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，人造微结构置于一个晶格中形成一个单元，所述单元n_i的折射率满足下列公式：

$n_i=\mathrm{mod}(n_k\×\sqrt{r^2-{y_i}^2}/d,n_{\max }-n_{\min })+n_{\min }$

其中，n_k为凸透镜上对应部位的折射率，r为凸透镜的半径，y_i以超材料垂直方向上的单元距离片状基板中点的长度，d为片状基板之厚度，n_max、n_min分别是片状基板对应于特定频段微波的最大折射率和最小折射率。

在本发明所述的微波平板菲涅尔透镜中，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

在本发明所述的微波平板菲涅尔透镜中，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得所述的折射率n_i。

在本发明所述的微波平板菲涅尔透镜中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

在本发明所述的微波平板菲涅尔透镜中，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。

在本发明所述的微波平板菲涅尔透镜中，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

在本发明所述的微波平板菲涅尔透镜中，所述金属线为铜线或银线。

在本发明所述的微波平板菲涅尔透镜中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线。

在本发明所述的微波平板菲涅尔透镜中，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。

在本发明所述的微波平板菲涅尔透镜中，所述金属线为“工”字型以及“工”字型的衍生型。

实施本发明的微波平板菲涅尔透镜，具有以下有益效果：

1.适用于微波阶段；

2.制作简单、占用空间小、以平板的方式实现现有菲涅尔透镜的功能。

附图说明

图1是本发明菲涅尔透镜现有技术结构方框图；

图2是本发明实施例一种片状基板的结构图；

图3是本发明实施例另一种微波平板菲涅尔透镜的结构图；

图4a/4b是本发明实施例微波平板菲涅尔透镜折射率的示意图；

图5为一个人造微结构的示意图；

图6至图8为图5的衍生图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

请参阅图1a、图1b、在本发明实例现有技术，包括实际凸透镜10、菲涅尔透镜11、实际凹透镜12、菲涅尔透镜13。菲涅尔透镜11为正菲涅尔透镜；菲涅尔透镜13为负菲涅尔透镜。菲涅尔透镜工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面(如：透镜表面)，拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。

另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。正菲涅尔透镜：光线从一侧进入，经过菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点或以平行光射出。焦点在光线的另一侧，并且是有限共轭。负菲涅尔透镜：和正焦菲涅尔透镜刚好相反，焦点和光线在同一侧，通常在其表面进行涂层，作为第一反射面使用。

请参阅图2、图4a及图4b，本发明实施例一，一种微波平板菲涅尔透镜20，微波平板菲涅尔透镜20由一个片状基板形成，该片状基板包括基材1以及附着于基材上的多个人造微结构2，基材1分成多个晶格，人造微结构2置于一个晶格中形成一个单元，所述单元n_i的折射率满足下列公式：

$n_i=\mathrm{mod}(n_k\×\sqrt{r^2-{y_i}^2}/d,n_{\max }-n_{\min })+n_{\min }$

其中，n_k为凸透镜10/凹透镜12上对应部位的折射率，r为凸透镜10/凹透镜12的半径，y_i以片状基板垂直方向上的单元距离片状基板中点的长度，d为片状基板之厚度，n_max、n_min分别是片状基板对应于特定频段微波的最大折射率和最小折射率，该片状基板实际上是一个超材料面板。另，本发明实际上是以现有的凸透镜10/凹透镜12为蓝本制造微波平板菲涅尔透镜20的。

请参阅图3，本发明另一实施例，一种微波平板菲涅尔透镜30。实际应用中，可将多个片状基板层压成一个微波平板菲涅尔透镜30的聚合体，图中只是举例，由于应用的需要，可以四片、五片、六片等微波平板菲涅尔透镜20加以层叠，为了更高的效率，人造微结构2在基材1上形成周期阵列，特别是均匀性周期阵列为佳。

基材1分成若干晶格，“晶格”的概念来自固体物理，这里的“晶格”是指在超材料中每个人造微结构2所占用的尺寸。“晶格”尺寸取决于人造微结构2需要响应的折射率分布，通常人造微结构2的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。

人造微结构2置于晶格形成一个单元，所述单元的折射率在基材1选定的情况下，改变人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排列通过仿真而获得折射率。

超材料可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应。对电场的响应取决于超材料的介电常数ε，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率μ。通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确控制，我们可以实现通过超材料对电磁波的影响。

超材料的电磁参数在空间中的均匀或者非均匀的分布是微波平板菲涅尔透镜20的重要特征之一。电磁参数在空间中的均匀分布为非均匀分布的一种特殊形式，但其具体特性，仍然是由空间中排列的各个单元结构的特性所决定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个微波平板菲涅尔透镜在空间中每一点的电磁特性，这种电磁材料系统将会具有众多奇异特性，对电磁波的传播可以起到特殊的引导作用。

在本发明的超材料中，基材1由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。优选地，选用FR4、F4B、聚四氟乙烯，这类材料电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为人造微结构2附着的基材1是很好的选择。

在本发明的微波平板菲涅尔透镜中，所述的人造微结构2为一具有图案的附着在基材1上的金属线。

在本发明的微波平板菲涅尔透镜中，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材1上。

在本发明的微波平板菲涅尔透镜中，所述金属线为铜线或银线。

如图5所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。在这个实施例中，各向同性的情况为：

第一主线与第二主线长度相同；第一分支与第二分支长度也相同。

当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线的图案还可以为其它的，如图6-图8所示。其中图6-图8为上述图案的衍生，即在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线，依此类推，还可以有很多其它的衍生图案；本发明并不能对此一一列举。图中只是示意，实际上第一主线、第二主线、第一支线及第二支线都是有宽度的。

上述的4个例子都是可影响折射率分布的人造微结构2；另外还有许多可影响折射率分布的人造微结构2，如在许多文献中都被引用到的开口谐振环结构。另外人造微结构2还可以有很多变形图案，金属线还可为“工”字型以及“工”字型的衍生型本发明并不能对此一一列举。

在基材1选定的情况下，可以通过设计人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的折射率分布结果(即：应满足实施例一中所示的公式)，或者说，通过设计人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，即可设计出微波平板菲涅尔透镜20在空间中每一区段最大与最小的折射率，从而决定每一区段的折射率，至于怎么得到人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的折射率排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，首先我们确定需要的折射率分布结果，根据此结果去设计微波平板菲涅尔透镜整体的折射率分布结果，再从整体出发计算出空间中每一点的折射率分布，根据每一点的折射率分布来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的人造微结构，计算折射率分布结果，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的折射率为止，若找到了，则完成了人造微结构2的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的人造微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的折射率分布结果为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的折射率分布结果的人造微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

实施本发明的微波平板菲涅尔透镜，具有以下有益效果：

1.适用于微波阶段；

2.制作简单，占用空间小，以平板的方式实现现有菲涅尔透镜的功能。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种微波平板菲涅尔透镜，其特征在于，所述微波平板菲涅尔透镜由至少一个片状基板层叠形成，每个片状基板均包括基材以及附着于基材上的多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，所述人造微结构置于一个晶格中形成一个单元，所述单元n_i的折射率满足下列公式：

$n_i=\mathrm{mod}(n_k\×\sqrt{r^2-{y_i}^2}/d,n_{\max }-n_{\min })+n_{\min }$

其中，n_k为凸透镜/凹透镜上对应部位的折射率，r为凸透镜/凹透镜的半径，y_i以所述片状基板垂直方向上的单元距离片状基板中点的长度，d为片状基板之厚度，n_max、n_min分别是所述片状基板对应于特定频段微波的最大折射率和最小折射率。

2.根据权利要求1所述的微波平板菲涅尔透镜，其特征在于，所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

3.根据权利要求1所述的微波平板菲涅尔透镜，其特征在于，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得所述的折射率n_i。

4.根据权利要求1所述的微波平板菲涅尔透镜，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

5.根据权利要求1所述的微波平板菲涅尔透镜，其特征在于，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。

6.根据权利要求5所述的微波平板菲涅尔透镜，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

7.根据权利要求5所述的微波平板菲涅尔透镜，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

8.根据权利要求5所述的微波平板菲涅尔透镜，其特征在于，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线。

9.根据权利要求8所述的微波平板菲涅尔透镜，其特征在于，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。

10.根据权利要求5所述的微波平板菲涅尔透镜，其特征在于，所述金属线为“工”字型以及“工”字型的衍生型。

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