CN103515713B - 一种基于光学变换的超表面透镜天线及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学变换的超表面透镜及其制造方法，所述基于光学变换的超表面透镜包括介质基板，设置在所述介质基板上的馈源和透镜主体，所述透镜主体的折射率分布由龙伯透镜的折射率分布经光学变换后形成。所述基于光学变换的超表面透镜的制造方法，包括如下步骤：采用光学变换将龙伯透镜的折射率分布变换为透镜主体的折射率分布；按照透镜主体的折射率分布在介质基板上集成U型结构单元和馈源。发明的透镜具有传统龙伯透镜的定向辐射的效果，同时变换后的透镜具有拉平的聚焦面，有利于更好地馈电和集成化。

Description

一种基于光学变换的超表面透镜天线及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种基于新型人工电磁材料的表面等离激元透镜，可用于微波，毫米波和太赫兹领域。
背景技术
如图1所示，现有的龙伯透镜被置于一个矩形区域中，其中龙伯透镜的一部分在矩形外部，龙伯透镜具有的弧形聚焦面不利于馈电和集成化，另一方面传统的球形龙伯透镜也存在着高损耗和较难制作的问题。
发明内容
发明目的：本发明要提供一种基于光学变换的超表面透镜天线及其制造方法，将光学变换引入到表面波的调控中；把现有龙伯透镜的弧形聚焦面拉平，以便于更好的馈电和集成化。
技术方案：一种基于光学变换的超表面透镜，包括介质基板，设置在所述介质基板上的馈源和透镜主体，所述透镜主体的折射率分布由龙伯透镜的折射率分布经光学变换后形成。
所述透镜主体由行列排布的U型结构单元组成。所述透镜主体成轴对称，沿对称轴或平行于对称轴的方向，U型结构单元的槽深从远离所述馈源处向靠近所述馈源处逐渐加深，沿垂直所述对称轴的方向，U型结构单元的槽深从远离所述对称轴处向靠近所述对称轴处逐渐加深。所述馈源由3个正反vivaldi天线组成。
一种基于光学变换的超表面透镜的制造方法，包括如下步骤：采用光学变换将龙伯透镜的折射率分布变换为透镜主体的折射率分布；按照透镜主体的折射率分布在介质基板上集成U型结构单元和馈源。当需要调节或改变透镜主体的折射率分布时，改变至少部分U型结构单元的槽深或改变U型结构单元的槽深分布。
有益效果：本发明的透镜具有传统龙伯透镜的定向辐射的效果，同时变换后的透镜具有拉平的聚焦面，有利于更好地馈电和集成化；本发明将电磁波以表面波的方式束缚在表面，使得透镜的剖面压缩到亚波长区域，因而减小了体积，相应的损耗降低而且便于制作；另外，本发明可以通过缩放尺寸使其应用在不同频段。
附图说明
图1为现有技术的折射率分布；
图2是本发明的结构示意图；
图3 是本发明的折射率分布图；
图4是本发明U型结构单元的槽深的分布图；
图5是本发明的透镜馈源的结构图；
图6是本发明的U型结构单元的结构示意图；
图7是本发明数值方法仿真的二维色散曲线；
图8 a至图8f为透镜在8GHz时的近场仿真与测试的对比图；
图9a至图9f为透镜在9GHz时的近场仿真与测试的对比图；
图10a至图10f为透镜在10GHz时的近场仿真与测试的对比图；
图11是本发明的透镜在8GHz时的远场测试结果图；
图12是本发明的透镜在9GHz时的远场测试结果图；
图13是本发明的透镜在10GHz时的远场测试结果图。
具体实施方式
结合图2至图11进一步描述本发明的超表面透镜。如图2所示，本发明基于光学变换的超表面透镜主要由馈源2和透镜主体3组成，透镜主体集成在介质基板1上。馈源2由三个正反vivald天线组成，透镜主体由离散分布的金属的U型结构单元构成。U型结构单元的分布是由龙伯透镜的分布经过光学变换后演变而来，这种分布使得龙伯透镜的弧形聚焦面被拉平成平面，因而当用不同的正反vivaldi天线激励透镜时，透镜所支持的表面波沿不同的方向定向辐射。
透镜主体的折射率的调控是通过U型结构的槽深来控制的。具体地，镜主体成轴对称，沿对称轴或平行于对称轴的方向，U型结构单元的槽深从远离所述馈源处向靠近所述馈源处逐渐加深，沿垂直所述对称轴的方向，U型结构单元的槽深从远离所述对称轴处向靠近所述对称轴处逐渐加深。本发明用光学变换将传统龙伯透镜的弧形聚焦面拉平，更便于馈电以及系统的深度集成。本发明基于超表面制作的龙伯透镜将电磁波以表面波的方式束缚在表面，使得透镜的剖面压缩到亚波长区域，因而体积减小，相应的损耗降低而且便于制作。
制造上述基于光学变换的超表面透镜的方法包括如下步骤：采用光学变换将龙伯透镜的折射率分布变换为透镜主体的折射率分布；按照透镜主体的折射率分布在介质基板上集成U型结构单元和馈源。当需要调节或改变透镜主体的折射率分布时，改变至少部分U型结构单元的槽深或改变U型结构单元的槽深分布。
具体地，利用金属的U型结构单元来组成透镜主体，用数值方法确定U型结构单元的色散特性，最终得到表面折射率；对传统的龙伯透镜的折射率分布进行光学变换，然后按照光学变换后的折射率分布来排列结构单元，折射率的调控是通过控制U型结构单元的槽深来控制的。如图7所示的数值方法仿真的二维色散曲线，尽管曲线不是呈各向同性的圆形，但次单元结构的各向异性是比较弱的，因而在设计中近视作为各向同向处理，并按照单元结构在透镜中的放置方式取ky作为单元结构的传播波数，从而得到单元结构的表面折射率。
如图3所示，该图显示了光学变换之后的折射率分布，可以看到传统龙伯透镜的弧形聚焦面被拉平。图4显示了在光学变换后的区域中每个U型单元的槽的深度。不同的槽深对应不同的表面折射率，其中外周的白色的部分由于其表面折射率接近空气的折射率因而可以直接被空气代替。图5显示了馈源的结构图，整个馈源由3个正反vivaldi天线构成。如图6所示的U型结构单元，其具体尺寸. Py=4.6mm, Px=3.4mm, dy=4mm, dx=3mm, w=1.5mm, h 从 1mm 到 2.8mm。需要说明的是，根据工作频段不同，技术人员可以对上述结构参数进行调整。
图8a至图8f显示了8GHz时透镜的近场与仿真结果的对比，可以看到，当激励不同的vivaldi天线时，透镜所支持的表面波沿不同的方向定向辐射，仿真和测试有着良好的吻合度。
图9a至图9f显示了9GHz时透镜的近场与仿真结果的对比，可以看到，当激励不同的vivaldi天线时，透镜所支持的表面波沿不同的方向定向辐射，仿真和测试有着良好的吻合度。
图10a至图10f显示了10GHz时透镜的近场与仿真结果的对比，可以看到，当激励不同的vivaldi天线时，透镜所支持的表面波沿不同的方向定向辐射，仿真和测试有着良好的吻合度。
图11、图12和图13分别显示了8GHz、9GHz、10GHz时透镜的远场测试结果，可以看到，当激励不同的vivaldi天线时，透镜的主瓣指向不同的方向，表明这种表面波透镜天线可以实现定向波束在一定范围内的扫描。需要说明的是，本发明中的透镜根据工作频段不同，可采用不同加工工艺实现。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光学变换的超表面透镜，包括介质基板，其特征在于，还包括设置在所述介质基板上的馈源和透镜主体，所述透镜主体的折射率分布由龙伯透镜的折射率分布经光学变换后形成；
所述透镜主体由行列排布的U型结构单元组成；
所述透镜主体成轴对称，沿对称轴或平行于对称轴的方向，U型结构单元的槽深从远离所述馈源处向靠近所述馈源处逐渐加深，沿垂直所述对称轴的方向，U型结构单元的槽深从远离所述对称轴处向靠近所述对称轴处逐渐加深。
2.如权利要求1所述的基于光学变换的超表面透镜，其特征在于，所述馈源由3个正反vivaldi天线组成。
3.一种基于光学变换的超表面透镜的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：采用光学变换将龙伯透镜的折射率分布变换为透镜主体的折射率分布；按照透镜主体的折射率分布在介质基板上集成U型结构单元和馈源；
当需要调节或改变透镜主体的折射率分布时，改变至少部分U型结构单元的槽深或改变U型结构单元的槽深分布。
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