CN109216854A - 一种介质填充的开口谐振环单元及平面微波透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种介质填充的开口谐振环单元，包括：金属片和非金属介质；金属片上开设有两段弧形槽，两段弧形槽的圆心相同，且以圆心为中心呈中心对称分布；非金属介质填充于两段弧形槽内。该开口谐振环单元利用了金属和非金属介质材料的各自优势，兼具低损耗和高透射传输的优点，能够有效增大单元结构的等效折射率，增强单元结构对入射电磁波的调控。本发明还提供了一种平面微波透镜，该透镜基于介质填充的开口谐振环单元，只由一层超材料结构组成，厚度薄、体积小，结构更为简单，对垂直入射的极化电磁波具有宽带宽、高透射的优势。

Description

一种介质填充的开口谐振环单元及平面微波透镜

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种介质填充的开口谐振环单元及平面微波透镜。

背景技术

超材料(Metamaterials)，又称左手材料，或者人工电磁材料，是一类自然界中不曾存在的特殊材料，通常是由亚波长的周期单元结构经过特殊排列而组成。超材料按照其对电磁波的响应可以分为三大类，即等效介电常数为负的超材料、等效磁导率为负的超材料和等效介电常数和磁导率同时为负的超材料。等效介电常数为负的超材料以周期性金属棒为例，其对电磁波的响应在等效频率附近发生改变。等效磁导率为负的超材料以开口谐振环为代表，而等效介电常数和磁导率均为负的超材料，即双负超材料(ε<0，μ<0)通常是以上两种单负超材料的组合。超材料对电磁波的响应通常由单元的形状、结构参数或者排列形状所决定。其中，现有的开口谐振环多为全金属构成的一对(四层)同心亚波长开口环结构，其结构较为复杂，且等效折射率较小，不易调控入射的电磁波，适用带宽较窄。

超表面(Metasurface)，即平面超材料，为研究新型平面化的器件和系统提供了新思路。超表面相比于常规超材料，具有平面化、轻材质、低损耗等优点，其对电磁波的操控通过表面相位突变实现。目前，超表面在微波、太赫兹以及光学波段都得到大量研究，在完美吸收器、调制器、天线、棱镜等方面具有广阔的应用。在众多应用中，聚焦透镜是一类常用的器件，而现有的超表面聚焦透镜存在损耗高、透射率低，且结构复杂，制作困难的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术中开口谐振环单元结构较复杂，且等效折射率小，适用带宽窄的问题，以及，平面聚焦透镜损耗高、透射低以及频带窄的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种介质填充的开口谐振环单元，包括：

金属片，所述金属片上开设有两段弧形槽，两段所述弧形槽的圆心相同，且以圆心为中心呈中心对称分布；

非金属介质，所述非金属介质填充于两段所述弧形槽内。

优选地，所述金属片为正方形，其边长为p，厚度为h，边长p和厚度h均小于所述开口谐振环单元工作频率对应的波长λ。

优选地，两个所述弧形槽的内半径为r，宽度为w，弧度为α，其中，r+w<p/2，p/6<w<r，140°<α<180°。

优选地，所述非金属介质的介电常数ε范围为2.1～11.9，对应所述开口谐振环单元工作频带为10～20GHz。

优选地，所述非金属介质的材质为玻璃、特氟龙或陶瓷。

优选地，所述金属片的材质为铜、铁或金。

本发明还提供了一种平面微波透镜，包括多个如上述任一项所述的介质填充的开口谐振环单元，多个所述开口谐振环单元铺设于同一平面，相邻所述开口谐振环单元的金属片连接，组成平面微波透镜；

多个所述开口谐振环单元相对于所述平面微波透镜的中心呈中心对称分布，且离中心越远，所述开口谐振环单元的弧形槽内半径和外半径越小，宽度保持不变。

优选地，所述多个所述开口谐振环单元以方形阵列形式铺设于同一平面，阵列的中心为所述平面微波透镜的中心，从所述平面微波透镜的中心至边缘，相邻两个所述开口谐振环单元圆心之间距离不变。

优选地，以阵列中心为x-y平面坐标的原点，各个所述弧形槽的内半径r与距离原点的远近关系为：r(x,y)＝a*sqrt(x^2+y^2)+b，其中，a和b为设定系数，(x,y)为该弧形槽的圆心坐标。。

优选地，每一个所述开口谐振环单元的等效折射率随坐标位置呈抛物线梯度变化。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种介质填充的开口谐振环单元，该开口谐振环单元利用了金属和非金属介质材料的各自优势，兼具低损耗和高透射传输的优点，能够有效增大单元结构的等效折射率，增强单元结构对入射电磁波的调控，为设计单层梯度折射率渐变的超薄平面透镜提供新的途径。

本发明还提供了一种平面微波透镜，该透镜基于介质填充的开口谐振环单元，只由一层超材料结构组成，厚度薄、体积小，具有平面化和小型化的优势；并且与现有微波透镜相比，结构更为简单，同时在很宽的频带内具有很高的透射率，对垂直入射的极化电磁波具有宽带宽、高透射的优势。

附图说明

图1是本发明实施例一中介质填充的开口谐振环单元结构示意图；

图2是本发明实施例二中介质填充的开口谐振环单元透射反射示意图；

图3是本发明实施例二中介质填充的开口谐振环单元透射系数随频率变化曲线图；

图4是本发明实施例三中平面微波透镜结构示意图(x-y平面)；

图5是本发明实施例三中平面微波透镜聚焦示意图(x-z平面)；

图6是本发明实施例四中平面微波透镜对15GHz入射平面波聚焦结果图；

图7是本发明实施例四中平面微波透镜对不同频率电磁波聚焦电场8随空间分布图(x＝0)。

图中：1：金属片；2：非金属介质；3：弧形槽；4：平面微波透镜；5：微波源；6：入射电磁波；7：透射电磁波；8：聚焦电场。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的一种介质填充的开口谐振环单元，包括：金属片1和非金属介质2，其中，金属片1上开设有两段弧形槽3，两段弧形槽3的圆心相同，内、外半径以及宽度均相同，且以圆心为中心呈中心对称分布。非金属介质2填充于两段弧形槽3内，填充满弧形槽3，非金属介质2的结构尺寸与弧形槽3相同。即，沿x-y平面分布，沿z向具有一定厚度的金属片1内有两段对称的弧形槽3和弧形槽3内的介质结构，弧形槽3相对于中心对称，同时两段弧形槽3内填满非金属介质，如图1所示，灰色区域材质为金属，条纹区域材质为非金属介质材料。填充非金属介质可进一步增大对入射电磁波的调控自由度，且可以增大单元结构的等效折射率。填充的非金属介质一般选择低损耗的材料，介电常数可根据所需的工作频率进行选择，当介电常数较大时则工作频率较小，当介电常数较小时则工作频率较大。

本发明提供的开口谐振环单元为对称的单环双开口谐振环结构，相比于之前的双环双开口的四层金属谐振环，结构设计更为简单；同时，弧形槽3内填充非金属介质，进一步增大对电磁波幅度和相位的调控。该开口谐振环单元利用金属和非金属介质材料的各自优势，能同时兼具高透射传输和低损耗的优点。

优选地，金属片1为正方形，边长为p，设金属片1为沿x-y平面分布的贴片，其沿z方向厚度为h，金属片1的边长p小于开口谐振环单元工作频率对应的波长λ，即p<λ，为亚波长的周期单元结构。厚度h远小于波长λ，即h<<λ，与波长λ相差至少两个数量级，为波长λ的几百分之一，厚度很薄。

优选地，如图1所示，设两个弧形槽3的内半径为r，宽度为w，弧形槽3对应弧度为α，其中，弧形槽3的半径r<p/2，宽度w<p/2，且r+w<p/2。本发明的开口谐振环单元采用大弧度的弧形槽3填充介质，弧形槽3的弧度140°<α<180°，同时弧形槽3的宽度w较大，p/6<w<r。宽度w和弧度α的具体数值可用于调控入射电磁波的幅度和相位，一般来说宽度w越大(或者弧度α越大)，则特定频率(即工作频率)入射电磁波透过率越大。本发明的开口谐振环单元的弧形槽3结构数据可保证垂直入射电磁波的透射率具有很高的透射率，同时弧形槽3内填充非金属介质，使得开口谐振环单元结构的等效折射率增大，对透射电磁波的传输相位的改变能够进一步增大，增强单元结构对入射电磁波的调控，为设计单层梯度折射率渐变的超薄平面透镜提供新的途径。

随着非金属介质2介电常数的增大对应工作频率越小，在给定其他结构参数的情况下，优选地，非金属介质2的介电常数ε范围为2.1～11.9，对应所述开口谐振环单元工作频带为10～20GHz。进一步优选地，非金属介质2的材质为低损耗材料，例如玻璃、特氟龙或陶瓷等。

优选地，金属片1的材质选择为高导电率的导体材料，如铜、金、铁等。

本发明的开口谐振环单元在选定结构参数的情况下，对沿-z向垂直入射的特定激化电磁波在很宽的频带内具有很高的透射率，同时在填充介质的情况下对透射电磁波的相位具有很大的改变。在微波波段，常见的金属如铜、铁类似于理想导体，对电磁波的反射类似于镜面反射，通过特定宽度和特定角度的弧形槽能够显著增大电磁波的透过率，借助介质填充能够有效调节传输带宽，同时也增大对透射电磁波的相位控制。因此，本发明提供的介质填充的开口谐振环单元对垂直入射的极化电磁波具有宽带宽透射的优势。

实施例二

本实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例中，介质填充的开口谐振环单元厚度为h＝0.1mm，边长为p＝11.5mm，弧形槽3内半径为r＝3mm，对应弧度α＝150°，宽度w＝2.25mm。金属片1采用铜片，填充的非金属介质2介电常数ε＝5.4。如图2所示，由负z向传输的激化电磁波入射到开口谐振环单元表面产生反射波和透射波，入射电场沿x向分布。

图3为本实施例中介质填充的开口谐振环单元透射系数随频率变化曲线图。通过有限积分算法计算上述给定开口谐振环单元结构的透射系数(传输系数)，结果显示在11-19GHz的带宽内，透射率在80％及以上，在中心频率15GHz处透过率则达到100％，对于11-19GHz的电磁波具有很高的透射。调整以上弧形槽3的结构参数以及填充的非金属介质2的介电常数，透射和反射系数随频率也相应改变。

实施例三

如图4和图5所示，本发明实施例提供的一种平面微波透镜，包括多个如上述任一实施例所述的介质填充的开口谐振环单元，多个开口谐振环单元铺设于同一平面，多个开口谐振环单元厚度相同，且均沿x-y平面分布，任意两个相邻开口谐振环单元的金属片1的相邻边连接，组成一个整体的平面微波透镜，优选地，组成平面微波透镜的各个开口谐振环相邻单元之间无空隙。多个开口谐振环单元相对于平面微波透镜的中心呈中心对称分布，且离中心越远，开口谐振环单元的弧形槽3的内半径和外半径越小，内半径和外半径同时变化，但每一个开口谐振环的宽度均保持不变。微波透镜的每一个单元结构通过改变弧形槽3的半径对不同位置的入射电磁波透射相位进行补偿从而实现入射电磁波的聚焦。

在一个优选的实施方式中，多个开口谐振环单元以方形阵列形式铺设同一平面，阵列的中心即为平面微波透镜的中心，且从平面微波透镜的中心至边缘，各个开口谐振环单元的边长p相等，相邻两个开口谐振环圆心之间距离不变。

优选地，各个弧形槽3的内半径的变化与距离中心处的远近符合近似平方根的关系，即：以阵列中心为x-y平面坐标的原点，r(x,y)＝a*sqrt(x^2+y^2)+b，(x,y)为开口谐振环单元中弧形槽3圆心所在的坐标。a和b为设定系数，a与工作波长有关，a越大则工作波长越短；b与入射电磁波相位有关。实际使用时可根据需要设定a与b的数值。

进一步优选地，从平面微波透镜中心到边缘，每一个开口谐振环单元的等效折射率随坐标位置呈抛物线梯度变化。在传输通带内，开口谐振环单元结构的等效折射率与各个弧形槽3的内半径呈线性变化关系，可表述为：n＝c*r+d，c和d为常数。c和d的大小与填充的非金属介质的介电常数相关，介电常数越大，则单元等效折射率越大，c和d也越大，反之亦然。

实际应用时，考虑到设计与加工的难度，优选地，如图4所示，方形阵列中，各个开口谐振环单元的弧形槽3构成的开口朝向沿同一直线方向，以图4中的平面微波透镜为例，各个开口谐振环单元的两段弧形槽3分别朝向+y和-y方向，两段弧形槽3构成的开口朝向均沿均x轴方向。

考虑到透镜的外边缘形状对透镜性能影响较小，优选地，各个开口谐振环单元以方形阵列形式排列后，平面微波透镜的外轮廓可裁剪或填充为圆形，此处的裁剪指的是裁剪掉部分最外围各个开口谐振环单元的部分金属片1，填充指的是以与金属片1相同材质金属填充最外围各个开口谐振环单元金属片1边缘构成的外轮廓，方便加工。

在另一个实施方式中，多个开口谐振环单元以圆周阵列的形式铺设同一平面，也可实现聚焦，相邻单元距离仍不变，从平面微波透镜的中心至边缘，内半径的变化与距离中心处的远近符合近似平方根的关系。

本发明提供的平面微波透镜为单层梯度折射率渐变的超薄透镜，工作在Ku波段。利用该平面微波透镜对透射平面电磁波进行聚焦，如图5所示，在距离平面微波透镜4距离f₂处有一发射电磁波的微波源5，微波源5发射沿负z向传输的平面极化电磁波，极化电磁波的电场沿x方向，为了使得微波源5发射的电磁波到达微波透镜时为同相位的平面波，应保证f₂>10λ，因此入射电磁波6具有相同的初始相位。当入射电磁波6到达平面微波透镜4时，不同位置处具有不同半径的介质填充的开口谐振环单元，能对不同位置的入射电磁波6相位进行相应的补偿。离中心位置越远，补偿的相位越大，而介质填充的开口谐振环金属单元结构的半径则越小。当入射电磁波6透过平面微波透镜4以后，透射电磁波7在距离微波透镜f₁处聚焦，即透射电磁波7经过平面微波透镜4之后在F焦点处聚焦，形成聚焦电场8。聚焦位置f₁与电磁波入射频率以及平面微波透镜4的阵列尺寸有关系，在阵列尺寸以及单元结构参数给定的情况下，在一定范围内f₁随着入射电磁波6频率的增大而增大。

本发明的介质填充平面超薄透镜的另一个特点是能对宽频带的微波进行聚焦，通过介质填充的开口谐振环单元使得传输带宽得到展宽，能够增大结构对垂直入射电磁波相位的改变，在一定频率范围内使得不同频率的入射波聚焦在相同的位置。

如图5所示，本实施例提供的平面微波透镜只由一层超材料结构组成，厚度薄，具有平面化和小型化的优势，且与现有微波透镜相比，结构更为简单，同时具有宽带宽的优势。

实施例四

如图6和图7所示，本实施例四与实施例三基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例中，开口谐振环单元厚度为h＝0.1mm，边长为p＝11.5mm，弧形槽3对应弧度α＝150°，宽度w＝2.25mm。平面微波透镜的横向宽度为11p。当然，在其他实施例中可根据金属片结构尺寸和填充的非金属介质介电常数大小调整阵列单元的规模大小。

阵列中心位于x-y平面坐标的原点。相邻单元结构的周期为p，即相邻两个开口谐振环圆心之间距离为p，多个开口谐振环单元相对于阵列中心呈中心对称分布。平面微波透镜沿z向的厚度为h为波长λ的1/200。整个阵列的内半径范围为1.56mm<r<3.2mm。

在本实施例中，微波源发射电磁波中心频率为15GHz(电磁波范围为11-19GHz)，微波源距离微波透镜f₂大于10λ，λ为中心频率波长(开口谐振环单元工作频率对应的波长)，入射电磁波的极化沿x方向。平面微波透镜放置在x-y平面。不同位置的透射电磁波经过平面微波透镜之后汇聚在焦点F处，其距离f₁＝4λ。图6是15GHz入射平面波的聚焦能量的空间分布图，由下往上入射的平面波经过设计的平面微波透镜实现电磁能量的空间聚焦。

在本实施例中，由于介质填充的开口谐振环单元结构对电磁波的宽带透射率，因此基于该单元结构的平面微波透镜也能对垂直入射电磁波进行宽带聚焦。图7给出了14-19GHz的不同频率电磁波聚焦电场随空间分布(x＝0)。可以看到随着频率的增大，聚焦位置的距离也相应增大，在15-18GHz范围内，聚焦位置几乎没有改变。

本发明设计的基于介质填充的谐振环结构的平面微波透镜采用单层结构，具有结构设计简单、轻材质和小型化的优点。通过11-19GHz宽带宽电磁波入射到平面超薄透镜，在距离f₁＝4λ附近的位置处都能进行很好的聚焦，显示了本发明的基于介质填充的谐振环结构的平面超薄透镜具有宽带宽聚焦的优势。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种介质填充的开口谐振环单元，其特征在于，包括：

金属片，所述金属片上开设有两段弧形槽，两段所述弧形槽的圆心相同，且以圆心为中心呈中心对称分布；

非金属介质，所述非金属介质填充于两段所述弧形槽内。

2.根据权利要求1所述的介质填充的开口谐振环单元，其特征在于：所述金属片为正方形，其边长为p，厚度为h，边长p和厚度h均小于所述开口谐振环单元工作频率对应的波长λ。

3.根据权利要求2所述的介质填充的开口谐振环单元，其特征在于：两个所述弧形槽的内半径为r，宽度为w，弧度为α，其中，r+w<p/2，p/6<w<r，140°<α<180°。

4.根据权利要求1所述的介质填充的开口谐振环单元，其特征在于：所述非金属介质的介电常数ε范围为2.1～11.9，对应所述开口谐振环单元工作频带为10～20GHz。

5.根据权利要求1所述的介质填充的开口谐振环单元，其特征在于：所述非金属介质的材质为玻璃、特氟龙或陶瓷。

6.根据权利要求1所述的介质填充的开口谐振环单元，其特征在于：所述金属片的材质为铜、铁或金。

7.一种平面微波透镜，其特征在于：包括多个如权利要求1-6任一项所述的介质填充的开口谐振环单元，多个所述开口谐振环单元铺设于同一平面，相邻所述开口谐振环单元的金属片连接，组成平面微波透镜；

多个所述开口谐振环单元相对于所述平面微波透镜的中心呈中心对称分布，且离中心越远，所述开口谐振环单元的弧形槽内半径和外半径越小，宽度保持不变。

8.根据权利要求7所述的平面微波透镜，其特征在于：多个所述开口谐振环单元以方形阵列形式铺设于同一平面，阵列的中心为所述平面微波透镜的中心，从所述平面微波透镜的中心至边缘，相邻两个所述开口谐振环单元圆心之间距离不变。

9.根据权利要求8所述的平面微波透镜，其特征在于：以阵列中心为x-y平面坐标的原点，各个所述弧形槽的内半径r与距离原点的远近关系为：r(x,y)＝a*sqrt(x^2+y^2)+b，其中，a和b为设定系数，(x,y)为该弧形槽的圆心坐标。

10.根据权利要求9所述的平面微波透镜，其特征在于：每一个所述开口谐振环单元的等效折射率随坐标位置呈抛物线梯度变化。