CN109037959A - 一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜 - Google Patents

一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜，包括喇叭馈源、在馈源上方的双层超材料；其中，每层超材料包含介质薄膜以及在介质薄膜正面印刷的非周期性排列的金属谐振单元。利用超材料对入射电磁波的电磁响应可以人工调制的优势，通过优化算法得到在一定频段内满足消色差聚焦时所需要的相位分布，再根据该相位分布利用不同结构的金属谐振单元改变入射的宽带电磁波的响应从而实现宽带连续消色差聚焦。本发明采用了轻量化的薄膜超材料结构，所述天线具有结构简单，口径大，厚度小，质量轻、工作带宽大，成本低等优势。多层超材料上的金属谐振单元分布通过优化算法得到，其计算过程程序化、代码化，有益于大规模的推广。

Description

一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁 透镜
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜。
背景技术
传统的微波透镜有介质减速透镜天线和金属加速透镜天线，其优点是方向图好，加工简单，缺点是效率低、结构复杂、体积庞大、隐蔽性差、造价高昂。
近年来，科研人员可以通过超材料调节相位来得到与传统微波天线类似的辐射特性。将这种超材料制作于薄膜材料上的优势在于重量轻，体积小，结构简单，加工成本低并且便于收藏与展开，无复杂的馈电网络，损耗小，效率较高。但由于金属谐振单元响应带宽窄，不同频率存在传输色散影响等原因，传统的微波透镜的有效带宽较窄、效率低、口径小。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一类基于广义折返射定律的新的单元结构和相位排布方式，设计了一类超大口径轻量化消色差平面电磁透镜，该类天线在微波段连续频段内能将外界入射的圆极化电磁波透射到馈源处或将馈源的辐射波透射到空间中，其工作带宽比(有效工作带宽/工作带宽中间频率)>4％。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜，所述透镜包括馈源、位于馈源上方的N层超材料构成；其中，每层超材料层包括介质薄膜以及非周期排布于介质薄膜上的多种金属谐振单元。该类金属谐振单元在不同的结构参数下对入射电磁波有不同的响应，可以通过选择适当的金属谐振单元结构使得该层超材料对电磁波具有宏观响应。通过利用优化算法得到在一定频段内满足消色差聚焦时所需要的相位分布，再根据该相位分布结合不同结构的金属谐振单元改变入射的宽带电磁波的响应从而实现宽带连续消色差聚焦。
进一步地，所述金属谐振单元为双层同心圆形金属环或椭圆金属环中的一种或多种，环的宽度w的取值范围为0.1mm≦w≦1mm。
进一步地，所述环形金属环在一个周期内的数目为一、二或三个，其周期p的取值为5mm≦p≦13mm。
进一步地，N层超材料中N的取值为1,2,3,4或5。
进一步地，所述介质薄膜的材料为高分子材料、相变材料，其厚度的取值范围为100nm≦h≦50000nm。
进一步地，所述金属谐振单元所用材料为金、银、铜、铝和铬等，其厚度的取值范围为100nm≦h≦35000nm。
进一步地，所述馈源为喇叭馈源，所述馈源中轴线位于所述多层超材料中心下方；所述多层超材料能将外界入射的宽带电磁波聚焦到所述馈源处。
本发明结果的有益效果在于：
本发明结构采用新的超材料结构和相位排布方式，所述透镜具有结构简单，口径大，工作带宽大，成本低等优势。本发明所用的薄膜材料具有轻量化，可折叠等优点，在航空航天领域有明显的优势。本发明所述多层超材料上的金属谐振单元分布通过优化算法得到，其计算过程程序化、代码化，有益于大规模的推广。
附图说明
图1为本发明的超材料金属谐振单元结构示意图。
图2为本发明的结构示意图，其中，图2(a)为所述大口径平面消色差电磁透镜侧视图，图2(b)为所述多层超材料的正视图；图中1为馈源，2为超材料。
图3为本发明的所涉及的聚焦过程示意图；图中1为馈源，2为超材料，3为超材料层上的任意一个金属谐振单元。
图4为周期为9.5mm时的金属谐振单元在11-13GHz频段内结构的极化转换率与对应的相位响应，其中，图4(a)为金属谐振单元旋转角度改变的情况下对应的S11参数，S11参数的平方即为极化转换效率；图4(b)为金属谐振单元旋转角度改变的情况下对应的相位参数。
图5为全模仿真下的x-z面的电场分布，其中，图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)、图5(e)和图5(f)分别对应11.7GHz、11.8GHz、11.9GHz、12.0GHz、12.1GHz和12.2GHz时的x-z面的电场分布。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1所示，图1为超材料金属谐振单元结构示意图，每个金属谐振单元包含介质薄膜以及在介质薄膜正面印刷的含有非周期排列的金属环。实际中金属环可以为圆形金属环或椭圆金属环中的一种或多种。在本发明中，所述金属谐振单元在不同的结构参数下对入射电磁波有不同的响应，可以通过选择适当的金属谐振单元结构使得该层超材料对电磁波具有宏观响应。本发明中，介质薄膜可以选用高分子材料相变材料等。
本发明中，利用上述超材料原理，通过优化算法得到在一定频段内满足消色差聚焦时所需要的相位分布，再根据该相位分布利用不同结构的金属谐振单元改变入射的宽带电磁波的响应从而实现宽带连续消色差聚焦。
如图2所示，图2为本发明大口径平面消色差电磁透镜示意图。图2中，所述电磁透镜包括多层超材料2和馈源1。本发明中，馈源1的开口端正对超材料中心。超材料2可以将馈源发出的电磁波转化为平面电磁波辐射出去或将外界入射的平面电磁波聚焦到馈源处。
常规的电磁透镜相位的设计只针对一个中心频点，即只考虑在中心频率处的理想相位分布与金属谐振单元在该频率处的相位分布，因此所得到的电磁透镜的工作频段窄。本发明考虑了在所设计的工作带宽中的所有频率以及金属谐振单元在这些频率处的响应，利用优化算法得到了能够实现宽带消色差聚焦的最优排布。
为了深入理解大口径平面消色差电磁透镜的设计原理，下面将结合消色差原理和具体实施例来介绍本发明。
首先，介绍所述大口径平面消色差电磁透镜的消色差原理。如图3所示，理想的聚焦相位分布为：
其中λ为波长，r为金属谐振单元距该层超材料中心的距离，f为馈源距所述多层超材料的距离，C为可调相位；改变C的值对整体的聚焦效果没有影响。基于这一原理，对于不同波长的电磁波，可以优化得到不同的C值，在此情况下虽然各波长的聚焦相位数值不同，但聚焦效果均为理想聚焦效果。本发明就基于这种消色差原理，通过改变金属谐振单元的结构，利用电磁仿真软件得到在不同结构下金属谐振单元的响应，通过大量计算建立金属谐振单元结构与其响应的数据库。再结合该数据库利用优化程序得到不同波长下的聚焦相位，从而实现在不同波长下的消色差聚焦效果。
实施例1
本实施例针对频率在11.7-12.2GHz设计了基于两层超材料的口径为800mm的平面消色差电磁透镜的整体模型。采用喇叭天线作为馈源，辐射口径为800mm×800mm，喇叭口距超材料400mm。每层超材料的介质薄膜厚度为小于100μm对电磁波的相应可以忽略不计。金属谐振单元的周期p为9.5mm，金属环的宽度为w1＝0.2mm，w2＝0.25，厚度为100nm,缝隙宽度g1＝g2＝0.7mm。所采用的金属谐振单元为双层金属环。两层超材料间为厚度为d＝3.5的空气层。通过调节金属环整体的旋转角度以及内外环之间相对的旋转角度，得到了333组不同的金属谐振单元以及对应的333组不同的响应。在本实施例中，建立了数据量为333组的金属谐振单元以及对应的电磁响应的数据库，设计的平面消色差电磁透镜的超材料层中的金属谐振单元从该数据库中选取。
如图4所示，该结构在所设计的频段内(11.7-12.2GHz)有50％的极划转换效率，这意味着该结构的能量利用率高，并且其相位响应在所设计的频段内存在连续的非线性变化，我们从333组数据中选出了6组数据，表明其具有360°相位调控功能。其余用于所述超材料的所有金属谐振单元都具有极高的能量利用率与宽带的相位调制能力。
图5给出了整体模型在全模仿真情况下x-z面的电场分布。仿真中采用平面波垂直入射到所述超材料表面，从图5可以看出，反射电场会聚于距离超材料中心400mm处，即所述馈源处。图5中虽然只给出了在11.7GHz、11.8GHz、11.9GHz、12.0GHz、12.1GHz和12.2GHz时的电场，但由于金属谐振单元相位响应的连续性，在实际情况下的11.7-12.2GHz宽频范围内，反射电场都将聚焦于馈源处，实现了消色差聚焦的目的。
以上设计过程、实施例及仿真结果很好地验证了本发明。
因此，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，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。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 (6)

1.一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜，其特征在于：包括馈源、位于馈源上方的N层超材料构成；其中，每层超材料层包括介质薄膜以及非周期排布于介质薄膜上的金属谐振单元；金属谐振单元在不同的结构参数下对入射电磁波有不同的响应，可以通过选择适当的金属谐振单元结构使得该层超材料对电磁波具有宏观响应；通过利用优化算法得到在一定频段内满足消色差聚焦时所需要的相位分布，再根据该相位分布结合不同结构的金属谐振单元改变入射的宽带电磁波的响应从而实现宽带连续消色差聚焦。
2.根据权利要求1所述的一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜，其特征在于：所述金属谐振单元为双层同心圆形金属环或椭圆金属环中的一种或多种，环的宽度w的取值范围为0.1mm≦w≦1mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜，其特征在于：所述环形金属环在一个周期内的数目为一、二或三个，其周期p的取值为5mm≦p≦13mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜，其特征在于：N层超材料中N的取值为1,2,3,4或5。
5.根据权利要求1所述的一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜，其特征在于：所述介质薄膜的材料为高分子材料、相变材料，其厚度的取值范围为100nm≦h≦50000nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于广义折返射定律的超大口径轻量化消色差平面电磁透镜，其特征在于：所述金属谐振单元所用材料为金、银、铜、铝和铬等，其厚度的取值范围为100nm≦h≦35000nm。
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