CN110518364A - 基于无通孔单一结构的超表面聚焦透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无通孔单一结构的超表面聚焦透镜，包括M×N个透镜单元，所述透镜单元按照方形栅格分布周期性排列，每个透镜单元包括介质板、设置在介质板两面的金属层，所述金属层包括设置在介质板中心的正方形金属层模块、平行于正方形金属层模块四条边设置的四个第一矩形金属层模块以及四个第二矩形金属层模块，所述正方形金属层模块沿对角线开槽，且槽底距正方形金属层模块设定距离，所述四个第二矩形金属层模块分别设置在正方形金属层模块槽内。本发明只使用了一种单元结构，结构简单，具有在传输系数大于‑3dB条件下，超过360°的相位响应。
Description
技术领域
本发明属于平面透镜技术，具体为一种基于无通孔单一结构的超表面聚焦透镜。
背景技术
超表面聚焦透镜是由拓扑结构相似的透射型频率选择表面单元构成的，通过对阵列上每个单元进行相位补偿，在阵列的另一侧产生所需要的辐射波束。由于其体积小、重量轻、结构简单、制作成本低、高增益等众多优点，已经在无线通信系统和微波成像系统中获得了广泛的应用。
这种透镜的实现方式关键就在于透镜单元的设计，传统的聚焦透镜通常采用介质板层数至少在两层以上的多层频率选择结构作为阵列单元，通过改变阵列上每个多层频率选择结构的尺寸或旋转角度大小来补偿各个单元之间的相位差别，从而在阵列的另一侧形成同相的高增益波束。或是采用单层频率选择结构作为阵列单元，但聚焦透镜单元往往多于两种结构，通过改变这几种结构的尺寸来补偿各个单元之间的相位差。此外，有的单元结构还需要在介质板上打通孔等才能实现相位差的补偿。
现有的聚焦透镜的每个透镜单元大多需要多层介质板，或者介质板需要打通孔，甚至有的聚焦透镜需要使用不止一种单元结构，使得所需要的聚焦透镜更为复杂，实现困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无通孔单一结构的超表面聚焦透镜。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于无通孔单一结构的超表面聚焦透镜，包括M×N个透镜单元，所述透镜单元按照方形栅格分布周期性排列，每个透镜单元包括介质板、设置在介质板两面的金属层，所述金属层包括设置在介质板中心的正方形金属层模块、平行于正方形金属层模块四条边设置的四个第一矩形金属层模块以及四个第二矩形金属层模块，所述正方形金属层模块沿对角线开槽，且槽底距正方形金属层模块设定距离，所述四个第二矩形金属层模块分别设置在正方形金属层模块槽内。
优选地，所述透镜单元均按照调节正方形金属层边长的方式对电磁波进行相位补偿，使整个聚焦透镜沿横轴方向和纵轴方向的透射相位范围覆盖360°范围，其中每个透镜单元满足的相位为：
θi＝tan-1(ri/f)
式中，ri是入射点到透镜中心的距离，θi为射径与主轴的夹角，f为透镜的焦距，λ0为入射波在空气中的波长。
优选地，正方形金属层模块开槽的槽宽为0.3mm，槽底距离介质板两对角线交点0.395mm，第二矩形金属层模块的长度为2.5mm，宽为0.2mm，最近宽边距离介质板两对角线交点0.5mm，第一金属层模块的长度为3.4mm，宽为0.2mm，与介质板对角线相距2.3mm。
优选地，透镜单元结构介质板相对介电常数εr＝2.55，磁导率μ＝1，介质板边长6.5mm，厚度1.575mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明透镜单元只采用了一种结构，改变透镜单元的正方形金属层边长实现覆盖360°范围的相位补偿，且在不同的相移条件下传输系数均大于-3dB；本发明能够实现好的聚焦效果，同时结构简单，实现方便。
附图说明
图1为本发明中透镜单元的侧视结构示意图。
图2为本发明中透镜单元的俯视结构示意图。
图3为本发明中透镜单元主视图。
图4为本发明中透镜单元左视图。
图5为本发明中透镜单元的传输系数与正方形金属层边长的关系。
图6为本发明所述聚焦透镜的单元结构的相位响应与正方形金属层边长的关系。
图7为实施例1的主视图。
图8为实施例1的侧视图。
图9为实施例1在24GHz经过平行波激励透射后在聚焦平面YOZ面的功率谱密度分布图。
图10为实施例1在24GHz经过平行波激励透射后在聚焦平面XOY面的功率谱密度分布图。
具体实施方式
一种基于无通孔单一结构的超表面聚焦透镜，包括M×N个透镜单元，所述透镜单元包括介质板、设置在介质板两面的金属层，所述金属层包括设置在介质板中心的正方形金属层模块1、平行于正方形金属层模块1四条边设置的四个第一矩形金属层模块4以及四个第二矩形金属层模块3，所述正方形金属层模块1 沿对角线开槽，且槽底距正方形金属层模块1设定距离，所述四个第二矩形金属层模块3分别设置在正方形金属层模块1槽内。
进一步的实施例中，所述透镜单元均按照调节正方形金属层边长的方式对电磁波进行相位补偿，使整个聚焦透镜沿横轴方向和纵轴方向的透射相位范围覆盖 360°范围，其中每个透镜单元满足的相位为：
θi＝tan-1(ri/f)
式中，ri是入射点到透镜中心的距离，θi为射径与主轴的夹角，f为透镜的焦距，λ0为入射波在空气中的波长。所述透镜单元在电磁波从一侧透射到另一侧时，可以在传输系数大于-3dB的情况下，实现360°范围内不同角度的相位补偿。所述聚焦透镜，根据透镜单元在阵列中所处的位置，确定每个位置需要补偿的相位值，进而得到每个透镜单元的正方形金属层边长值。每个位置均根据需要补偿对应的相位值，整个聚焦透镜实现电磁波透射时的聚焦。
进一步的实施例中，正方形金属层模块1开槽的槽宽为0.3mm，槽底距离介质板两对角线交点0.395mm，第二矩形金属层模块3的长度为2.5mm，宽为0.2mm，最近宽边距离介质板两对角线交点0.5mm，第一金属层模块4的长度为3.4mm，宽为0.2mm，与介质板对角线相距2.3mm。
进一步的实施例中，透镜单元结构介质板相对介电常数εr＝2.55，磁导率μ＝1，介质板边长6.5mm，厚度1.575mm。某些实施例中，介质板为立方体，上下表面均为正方形，正方形的边长为6.5mm，立方体的厚度为1.575mm。
本发明仅由一种单元结构组成，同时每个单元结构中仅有一层介质板，并且无需打孔，根据需要利用该单元结构组成不同规格的聚焦透镜。
实施例
如图1所示，透镜单元每个金属层结构如图2所示，金属层的材质均为PEC。介质板的相对介电常数εr＝2.55，磁导率μ＝1。
图3给出了透镜单元的尺寸信息，正方形金属层边长L的取值是不固定的，第二矩形金属层模块长度Q＝2.5mm，宽度I＝0.2mm，第一矩形金属层模块长度A＝3.4mm，宽度B＝0.2mm，正方形金属层开槽的槽宽E＝0.3mm，正方形金属层对角线上的两个槽底相距U＝0.79mm，两个第二矩形金属层相距 V＝1mm，介质板的边长W＝6.5mm，两个第一矩形金属层沿介质板对角线的距离M＝4.6mm。在图4中，介质板厚度T＝1.575mm，介质板上下金属层的厚度S＝0.035mm。
图5和图6表示透射单元在24GHz的工作频率下，不同正方形金属层边长取值情况下对应的特性曲线，其中横轴均表示正方形金属层边长，单位为毫米，变化范围为0.4mm到2.2mm。图5中纵轴表示传输系数，单位为分贝，当正方形金属层边长L取值在0.4到1.1及1.4到2.2之间时，传输系数均在-1dB以上，L 取值在1.1到1.4之间时传输系数降低但也保持在-3dB以上。图6中纵轴表示相位响应，单位为度，随着L的增大，相位逐渐减小，大约从74°减小到-286°，相位差达到360°。综合图5图6可知，透射单元结构在传输系数均大于-3dB的情况下，相位响应实现360°范围覆盖。
图7给出了一种由本上述透镜单元结构组成的示例性聚焦透镜，规格为 19×19，该阵列中共使用361个单元结构，图8为其侧视图。本实施例的361 个透射单元以0.54个波长为间距按照方形栅格分布周期排列而成，每一个位置透镜单元所需的相位补偿值是确定的，相位补偿值由公式计算得出：
θi＝tan-1(ri/f)
式中，ri是入射点到透镜中心的距离，射径与主轴的夹角是θi，透镜的焦距是f，入射波在空气中的波长是λ0。
根据相位补偿值，以及图6所示正方形金属层边长与相位响应的关系曲线，可以确定每一位置的金属十字边长。阵列按照调节正方形金属层边长的方式对不同位置的电磁波进行相位补偿，使得整个透镜能够实现电磁波透射时的聚焦。
通过仿真实验检验图7给出的本发明的聚焦效果，使用平行波激励在一侧垂直照射该透镜，观察其另一侧的功率谱密度分布，如图9、10所示，容易看出，本发明能够实现较好的聚焦效果。
Claims (4)
1.一种基于无通孔单一结构的超表面聚焦透镜，其特征在于，包括M×N个透镜单元，所述透镜单元按照方形栅格分布周期性排列，每个透镜单元包括介质板、设置在介质板两面的金属层，所述金属层包括设置在介质板中心的正方形金属层模块(1)、平行于正方形金属层模块(1)四条边设置的四个第一矩形金属层模块(4)以及四个第二矩形金属层模块(3)，所述正方形金属层模块(1)沿对角线开槽，且槽底距正方形金属层模块(1)设定距离，所述四个第二矩形金属层模块(3)分别设置在正方形金属层模块(1)槽内。
2.根据权利要求1所述的基于无通孔单一结构的超表面聚焦透镜，其特征在于，所述透镜单元均按照调节正方形金属层边长的方式对电磁波进行相位补偿，使整个聚焦透镜沿横轴方向和纵轴方向的透射相位范围覆盖360°范围，其中每个透镜单元满足的相位为：
θi＝tan-1(ri/f)
式中，ri是入射点到透镜中心的距离，θi为射径与主轴的夹角，f为透镜的焦距，λ0为入射波在空气中的波长。
3.根据权利要求1所述的基于无通孔单一结构的超表面聚焦透镜，其特征在于，正方形金属层模块(1)开槽的槽宽为0.3mm，槽底距离介质板两对角线交点0.395mm，第二矩形金属层模块(3)的长度为2.5mm，宽为0.2mm，最近宽边距离介质板两对角线交点0.5mm，第一金属层模块(4)的长度为3.4mm，宽为0.2mm，与介质板对角线相距2.3mm。
4.根据权利要求1所述的基于无通孔单一结构的超表面聚焦透镜，其特征在于，透镜单元结构介质板相对介电常数εr＝2.55，磁导率μ＝1，介质板边长6.5mm，厚度1.575mm。
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