CN104282999A - 基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜 - Google Patents

基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜 Download PDF

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Abstract

一种基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜，其由15层圆形介质薄层沿径向等间距排列而成，每层上周期分布着“I”型金属结构单元。越远离透镜中心的薄层上附着的“I”型结构尺寸越小，其等效的介质常数也就越小。最外层的等效介电常数近似为1，等效磁导率也近似为1，达到匹配空气层的目的。变形龙伯透镜较传统龙伯透镜的变化在于馈源的位置，变形龙伯透镜在其内部有一圆形轨道供馈源在其上做移动。馈源产生的柱面波通过透镜的作用，以平面波的形式出射。随着馈源在轨道上的运动，平面波的出射方向随之发生改变，从而实现了波束的宽角度扫描。本发明具有设计加工简单，实现柱面波到平面波的转换，在雷达，天线等领域有广阔的应有前景。

Description

基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜
技术领域
本发明涉及一种用于微波频段的变形龙伯透镜，属于透镜天线和新型人工电磁材料领域。 
背景技术
本发明中的新型人工电磁材料(Metamaterials)是电磁学中新兴的研究领域，其基础是等效媒质理论，由一系列设计的结构单元在亚波长尺度上按照一定规律排列构成。通过精心设计单元结构和尺寸大小，可以得到所需要的等效介电常数和磁导率。经过近些年的发展，新型人工电磁材料得到了长足的发展，在隐身、天线工程等方面都有广泛的应用。基于新型人工电磁材料的龙伯透镜是利用新型人工电磁单元结构等效介电常数的方便可控实现，来达到介质材料等效折射率的预期分布，从而实现电磁波的传播方式的可控。但是，这种龙伯透镜的馈源必须放置在透镜的外部或者边缘上，这不利于工程应用中器件的集中设计。而通过对透镜内部折射率分布的调整，可以将馈源放置在透镜的内部。所以本发明具有很高的工程应用价值。 
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜。这种变形龙伯透镜可以在一定的频带内实现将柱面波入射变为平面波出射，馈源在预定圆周轨道上的灵活移动可以使平面波的出射方向灵活变化。基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜由附着金属单元结构的介质基片构成，具有易于加工、制作成本低、重量轻、灵活性高等特点。可用于电磁波的定向辐射，天线的宽角度扫面等方面，具有很高的实用价值。 
技术方案：在传统龙伯透镜的设计理念上，通过改变透镜介质的折射率分布，将馈源的位置从透镜的外部变为透镜的内部，并且给馈源预留一个圆周轨道使其能在轨道上移动，继而实现柱面波到平面波的转换以及波束的宽角度扫描。采取的技术方案为： 
该变形龙伯透镜的馈源放置在透镜的内部，馈源在固定圆周上移动实现宽角度的波束定向扫描；该变形龙伯透镜由15层有金属结构附着的介质薄层组成，从俯视的角度看，15个介质薄层被弯曲成15个同心圆，每层介质薄层上周期排列着非谐振的金属“I”型结构，“I”型金属结构由2条横向的和1条竖向的金属条构成，所有金属条的宽度和长度分别相等；同一层介质基片上的“I”型结构拥有完全一样的尺寸，而不同介质基片上的“I”型结构有着不同的尺寸，也就是金属条的长度各不一样；将线型馈源放置在设定好的圆周轨道上，由其产生的柱面波通过透镜的作用变为平面波出射，在圆周轨道上移动馈源，平面波出射的角度随之改变，达到宽角度波束扫描的效果。 
利用所述的“I”型非谐振单元的周期排列，加上其在径向上尺寸的渐变分布，以实现渐变折射率分布，进而控制波的传播。 
工作频率为9.2-11.1GHz之间变化。 
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势： 
1.本发明制作简单，加工方便。利用现有的PCB加工技术即可实现样品的加工。传统介质透镜加工需较为复杂的程序，且价格昂贵。 
2.本发明具有宽角度扫描特性，在一定带宽内通过移动馈源便可以实现波束的扫描。在雷达、扫描天线等领域有广阔的应有前景。 
3.本发明同时具备便携、重量轻、容易集成等优点。 
附图说明
图1是变形龙伯透镜电磁波传播示意图。 
图2(a)、(b)是构成变形龙伯透镜的第5层(由内向外)介质基片。 
图3是“I”型结构单元示意图(a)正视图，(b)侧视图，(c)有效介电常数εz随频率的变化曲线。 
图4是等效折射率随可调尺寸w的变化曲线。 
图5是10GHz下变形龙伯透镜在不同条件下电场分布的仿真结果(a)折射率连续分布，(b)折射率离散分布，(c)馈源移动45°。 
图6是变形龙伯透镜近场的测试结果(a)9.2GHz，(b)10.5GHz。 
附图标记 
1-介质基片；2-金属“I”型结构。 
具体实施方式
本发明的基于新型人工电磁材料(Metamaterials)的变形龙伯透镜，相比传统二维龙伯透镜，它的馈源可以放置在透镜的内部，并且馈源在固定圆周上移动可以实现宽角度的波速定向扫描。该变形龙伯透镜由15层有金属结构附着的介质薄层组成，用俯视的角度看，15个介质薄层被弯曲成15个同心圆。每层介质薄片上周期排列着非谐振的金属“I”型结构，“I”型金属结构由2条横向的和1条竖向的金属条构成，全部金属条的宽度和长度分别相等。同一层介质基片上的“I”型结构拥有完全一样的尺寸，而不同介质基片上的“I”型结构有着不同的尺寸，也就是金属条的长度各不一样。将线型馈源放置在设定好的圆形轨道上，由其产生的柱面波通过透镜的作用变为平面波出射。在圆形轨道上移动馈源，平面波的出射的角度随之改变，达到宽角度波束扫描的效果。 
优选的，所述的基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜，利用所述的“I”型非谐振单元的周期排列，加上其在径向上尺寸的渐变分布，可以实现渐变折射率分布，进而控制波的传播。 
优选的，新型人工电磁材料的引入，使透镜的设计变得灵活，同时设计出来的透镜较传统介质透镜更轻便。 
优选的，变形龙伯透镜的工作频率可以在9.2到11.1GHz之间变化。 
本发明所提出的基于新型电磁材料的变形龙伯透镜由亚波长尺寸的“I”型结构单元按一定的排列构成，整个透镜由15层绕成同心圆的介质薄片组成。单层上排列的“I”型结构的尺寸完全一样，不同层间的“I”型结构越靠近圆心尺寸越大。设计要完成的电磁波的控制效果由图1给出，透镜内部的馈源发射柱面波，通过透镜的作用变为平面波出射。图2(a)为变形龙伯透镜的俯视图，图2(b)为正视图。单个“I”型结构单元采取的技术方案如下：在覆铜介质基板1上表面刻蚀出由两横向金属条和一条纵向金属条组成的“I”字结构2，横向和纵向的金属条拥有相同的长度和宽度。介质基板下表面不加金属背板。图3(a)为单元结构的正视图，图3(b)为单元结构的侧视图。根据等效媒质理论，当外部电场垂直照射到单元结构上时，由于电响应的缘故，不同尺寸的金属单元尺寸在同一频率下可以获得不同的等效介电常数，相近的磁导率以及不同的等效折射率。图3(c)所示为某一单元结构的等效介电常数随频率的变化曲线。本发明主要考虑对电磁波相位的控制，所以常用折射率来描述介质的性质。 
本发明所提出的基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜，样品单层介质薄层纵向有三个周期单元，横向周期单元个数由介质薄层所处透镜的位置决定，越远离透镜中心的 介质薄层上排列着越多的横向周期单元。单元周期大小为3.333mm，相邻介质薄层的间隔相应的也为3.333mm。上述提到的“I”型结构的尺寸决定了介质的等效特性，本发明为了使设计尽量简单，只对“I”型结构的金属条长度进行调控来调控介质的电磁特性。如图4所示，给出了在10GHz频率下金属条长度w与介质的等效折射率的关系曲线，等效折射率随w的增大呈指数增长。 
在设计样品时，由于等效媒质理论的引入，一个单元结构空间等效为同一种电磁特性的材料，所以整个透镜的折射率分布并不是连续的，而理想的龙伯透镜的折射率分布应该是连续的，为了克服不连续带来的层与层之间的失配和不必要的散射，我们对每一层的“I”型结构尺寸也就是金属条的长度进行了优化处理，使不连续带来的影响降到最低。 
本发明所提出的基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜，馈源所在圆周轨道被设置在了二分之一半径的位置上，线馈源在圆周轨道上移动，出射平面波出射方向随之相应变化，实现波束的宽角度扫描。为了验证变形龙伯透镜对电磁波的调控作用，我们进行了准确的电磁模拟仿真，仿真结果如图所示：图5(a)为折射率连续分布时的结果，柱面波通过透镜的作用变为平面波出射，效果十分理想；图5(b)为将透镜离散为15个不同介质区域时的结果，可以看出虽然柱面波同样变为平面波出射，但出现了更多的散射，部分能量被消耗了；图5(c)为将馈源在圆形轨道上移动45°后的结果，证明了透镜波束扫描的功能。图6(a)，图6(b)为实验结果，分别是在9.2GHz和10.5GHz下测得的结果。实验中，将一同轴线放入透镜的馈源轨道作为柱面波的辐射源。实验结果表明该设计拥有一定的工作带宽，测量结果与仿真结果基本一致。验证了本发明的电磁波控制作用。 
本发明已经结合着仅限定数量的实施例被详细地描述出，可以容易理解的是，本发明并不限制于所公开的实施例中。更加地，本发明可以修改合并任何数量的前述未提及到的变形、改变、替换或等同组件，但这些与本发明的精神和范围是相称的。另外，本发明的各种实施例已经被描述出，可以理解的是，本发明的各个方面可仅包括所描述实施例的一部分。由此，本发明并不由前述描述所限制，但仅由所附加的权利要求的范围限制。 

Claims (3)

1.一种基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜，其特征在于该变形龙伯透镜的馈源放置在透镜的内部，馈源在固定圆周上移动实现宽角度的波束定向扫描；该变形龙伯透镜由15层有金属结构附着的介质薄层组成，从俯视的角度看，15个介质薄层被弯曲成15个同心圆，每层介质薄层上周期排列着非谐振的金属“I”型结构，“I”型金属结构由2条横向的和1条竖向的金属条构成，所有金属条的宽度和长度分别相等；同一层介质基片上的“I”型结构拥有完全一样的尺寸，而不同介质基片上的“I”型结构有着不同的尺寸，也就是金属条的长度各不一样；将线型馈源放置在设定好的圆周轨道上，由其产生的柱面波通过透镜的作用变为平面波出射，在圆周轨道上移动馈源，平面波出射的角度随之改变，达到宽角度波束扫描的效果。
2.如权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜，其特征在于利用所述的“I”型非谐振单元的周期排列，加上其在径向上尺寸的渐变分布，以实现渐变折射率分布，进而控制波的传播。
3.如权利要求1或2所述的基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜，其特征在于工作频率为9.2-11.1GHz之间变化。
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