CN112366458B - 一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜，包括若干多层超材料单元，所述若干多层超材料单元呈阵列方式排布，且每个所述多层超材料单元包括若干层单层超材料单元，所述若干层单层超材料单元沿法向间隔设置，且每个所述多层超材料单元的所述若干层单层超材料单元两两对称设置，所述多层超材料单元中至少有一层所述单层超材料单元包括介质基板、以及在所述介质基板上相对设置的两个开口谐振环。本发明的基于超材料的低剖面梯度折射率透镜可以通过移相的方式将馈源天线辐射的球面波转换平面波，使能量集中在一个方向上传播，使天线辐射具有窄波束和高增益的特性，同时厚度相比同类透镜更小，便于加工安装。

Description

一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜。

背景技术

现代无线通信技术往往要求天线具有高增益和低副瓣的特性。提升天线增益的方法包括使用阵列天线、反射面天线或透镜天线，而这些传统方法往往存在馈电网络设计复杂、体积大或加工制作成本高等问题，从而难以满足现代无线通信系统的要求。

电磁超材料是由一系列亚波长尺寸单元构成的人工电磁材料，按照一定规律排列可以实现自然媒质难以实现的电磁特性，且具有重量轻、厚度薄、制作方便、电磁参数可调等优点。电磁超材料透镜天线通过调节超材料单元的等效介电常数和磁导率控制波前相位延迟，将馈源天线辐射的球面波或柱面波转换为平面波，提升天线增益。相比其他透镜天线，电磁超材料透镜天线具有体积小、易集成和易成阵的优点，并且可以通过印刷电路板的工艺进行规模生产，具有难以替代的优势。

电磁超材料透镜天线的关键在于超材料透镜的设计，现有超材料透镜的折射率变化范围较小，为了满足相移性能需要的层数较多，同时往往还需要增加匹配层提高其透射性能，这增加了天线剖面厚度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜，包括若干多层超材料单元，所述若干多层超材料单元呈阵列方式排布，且每个所述多层超材料单元包括若干层单层超材料单元，所述若干层单层超材料单元沿法向间隔设置，且每个所述多层超材料单元的所述若干层单层超材料单元两两对称设置，所述多层超材料单元中至少有一层所述单层超材料单元包括介质基板、以及在所述介质基板上相对设置的两个开口谐振环。

在本发明的一个实施例中，每个所述多层超材料单元的所述若干层单层超材料单元按照预设方式呈对称设置，其中，所述预设方式为对称设置的两个单层超材料单元相同。

在本发明的一个实施例中，所述开口谐振环包括开口相对设置的两个相同的微带线，其中一个所述微带线设置于所述介质基板的上表面，另一个所述微带线设置于所述介质基板的下表面，两个所述微带线的一端通过一贯穿所述介质基板的金属过孔相连，两个所述微带线的另一端形成预设开口，且相对设置的两个所述开口谐振环的两个所述预设开口相对设置。

在本发明的一个实施例中，所述微带线包括第一微带线、第二微带线和第三微带线，其中，所述第三微带线的第一端连接所述第一微带线的第一端，所述第三微带线的第二端连接所述第二微带线的第一端，所述第三微带线垂直于所述第一微带线和所述第二微带线，所述第一微带线和所述第二微带线相互平行，且所述第一微带线和所述第二微带线的尺寸相同。

在本发明的一个实施例中，每个所述多层超材料单元的所述若干层单层超材料单元等间距间隔设置。

在本发明的一个实施例中，每个所述多层超材料单元的折射率为：

其中，n(r)是距离所述低剖面梯度折射率透镜中心处为r的多层超材料单元的折射率，n₀是处于所述低剖面梯度折射率透镜中心处的多层超材料单元的折射率，F是所述低剖面梯度折射率透镜到馈源相位中心的距离，T为低剖面梯度折射率透镜的厚度。

在本发明的一个实施例中，所述多层超材料单元的目标函数为：

y＝-mag(S21)-exp(ang(S21)+nkD)^2

其中，mag为模值，ang为辐角函数，exp为指数函数，S21为传输系数，n是折射率，k为波数，D为所述多层超材料单元的厚度。

本发明的有益效果：

本发明的基于超材料的低剖面梯度折射率透镜可以通过移相的方式将馈源天线辐射的球面波转换平面波，使能量集中在一个方向上传播，使天线辐射具有窄波束和高增益的特性，同时厚度相比同类透镜更小，便于加工安装。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜的俯视结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜的正视结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种多层超材料单元的正视结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种单层超材料单元的俯视结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种单层超材料单元的正视结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜的折射率分布图；

图7是本发明实施例提供的一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜透镜天线的辐射场强图；

图8是本发明实施例提供的一种加入低剖面梯度折射率透镜前后的天线E面方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜的俯视结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜的正视结构示意图，图3是本发明实施例提供的一种多层超材料单元的正视结构示意图。本发明实施例提供一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜，该低剖面梯度折射率透镜包括若干多层超材料单元10，所有多层超材料单元10呈阵列方式排布，如呈m行×n列方式排列，例如图1的5×5，且每个多层超材料单元包括若干层单层超材料单元，每个多层超材料单元的所有单层超材料单元沿多层超材料单元法向间隔设置，即沿多层超材料单元的中心轴线间隔设置，例如图3的多层超材料单元共包括有5层单层超材料单元，分别为单层超材料单元31、单层超材料单元32、单层超材料单元33、单层超材料单元34和单层超材料单元35；且每个多层超材料单元的所有单层超材料单元两两对称设置，即在法向方向上，每个多层超材料单元的所有单层超材料单元沿处于所有单层超材料单元的中心面两两对称，如图3中的5层单层超材料单元，单层超材料单元33作为中间层，单层超材料单元31和单层超材料单元35关于单层超材料单元33对称，单层超材料单元32和单层超材料单元34关于单层超材料单元33对称；且每个多层超材料单元中至少有一层单层超材料单元包括介质基板21、以及在介质基板21上相对设置的两个开口谐振环，如图3中的5层单层超材料单元，可以仅单层超材料单元33包括有介质基板21、以及在介质基板21上相对设置的两个开口谐振环，也可以所有单层超材料单元均包括有介质基板21、以及在介质基板21上相对设置的两个开口谐振环。具体形式可以根据所需要的折射率和透射率进行设定，本实施例对此不做具体限定。

进一步地，为满足互易特性，每个多层超材料单元10的所有单层超材料单元按照预设方式呈对称设置，其中，预设方式为对称设置的两个单层超材料单元相同，例如图3中的5层单层超材料单元，单层超材料单元31和单层超材料单元35为结构和尺寸完全相同的单元，单层超材料单元32和单层超材料单元34为结构和尺寸完全相同的单元。

进一步地，每个多层超材料单元10中的所有单层超材料单元两两之间等间距间隔设置。

进一步地，请参见图4和图5，每个开口谐振环包括开口相对设置的两个相同的微带线22，其中一个微带线22设置于介质基板21的上表面，另一个微带线22设置于介质基板21的下表面，且每个开口谐振环的两个微带线22的一端通过一贯穿介质基板21的金属过孔23相连，两个微带线22的另一端形成预设开口24，且相对设置的两个开口谐振环的两个预设开口24相对设置，其中，金属过孔23即由金属制成的贯穿介质基板21的具有通孔的结构，且金属过孔23的外径等于两个微带线22之间的间距距离，预设开口24即为每个开口谐振环的两个微带线22之间的间距所形成的开口。微带线的宽度为图4中的w，厚度为图5中的t，例如微带线的宽度w为0.25mm，厚度t为0.017mm。

例如，介质基板采用Rogers 5880材质，介电常数为0.22，损耗角正切为0.0009，边长为4mm的正方形，厚度为0.25mm。

进一步地，每个微带线22包括第一微带线221、第二微带线222和第三微带线223，其中，第三微带线223的第一端连接第一微带线221的第一端，第三微带线223的第二端连接第二微带线222的第一端，第三微带线221垂直于第一微带线221和第二微带线222，第一微带线221和第二微带线222相互平行，且第一微带线221和第二微带线222的尺寸相同。因此，每个开口谐振环的两个微带线22的第一微带线221的第二端之间通过一金属过孔23相连，两个微带线22的第二微带线222的第二端之间的间距即为预设开口24。

在本实施例中，多个多层超材料单元10在垂直于来波方向的横向(即来波方向的垂直方向)上矩阵形式排列可以构成本实施例的低剖面梯度折射率透镜，因此可以根据折射率计算公式计算得到每个多层超材料单元10的折射率，折射率计算公式为：

其中，n(r)是距离低剖面梯度折射率透镜中心处为r的多层超材料单元的折射率，r为低剖面梯度折射率透镜中心处与多层超材料单元之间的间距，n₀是处于低剖面梯度折射率透镜中心处的多层超材料单元的折射率，一般取多层超材料单元能实现的最大折射率，F是低剖面梯度折射率透镜到馈源相位中心的距离，T为低剖面梯度折射率透镜的厚度。

因此，通过折射率计算公式可以计算低剖面梯度折射率透镜不同位置处需要的多层超材料单元的折射率。

请参见图4，在本实施例中，将开口谐振环的长度记为l、宽度记为d和处于开口谐振环的开口侧的微带线的长度记为c，即第一微带线221和第二微带线222的长度为c，则l、d和c可以作为优化变量。

在本实施例中，每个多层超材料单元中的单层超材料单元的谐振环可以具有不同尺寸谐振环。例如图3所示，为满足互易特性，多层超材料单元中的单层超材料单元关于处于中心层的单层超材料单元33两两对称，也就是处于上次外层的单层超材料单元32和下次外层的单层超材料单元34的结构相同，上最外层的单层超材料单元31和下最外层的单层超材料单元35结构相同，因此处于中心层的单层超材料单元33的优化变量为(l₀，d₀，c₀)，处于次外层的单层超材料单元32和单层超材料单元34的优化变量为(l₁，d₁，c₁)，处于最外层的单层超材料单元31和单层超材料单元35的优化变量为(l₂，d₂，c₂)其中，l₀、l₁、l₂分别代表对应的开口谐振环的长度，d₀、d₁、d₂分别代表对应的开口谐振环的宽度，c₀、c₁、c₂分别代表对应的处于开口谐振环的开口侧的微带线的长度。

因此，可以以折射率和传输系数为优化目标，定义目标函数，该目标函数为：

y＝-mag(S21)-exp(ang(S21)+nkD)^2

其中，mag为模值，ang为辐角函数，exp为指数函数，S21为传输系数，n是折射率，k为波数，D为所述多层超材料单元的厚度。

mag(S21)可以反映透射率，exp(ang(S21)+nkD)^2可以反映折射率，因为通过折射率计算公式可以确定每个多层超材料单元的折射率，因此可以经该折射率作为目标折射率，通过目标函数去优化，通过调整每个多层超材料单元中每个单层超材料单元的l、d和c可以对应得到不同的目标函数，因此在折射率确定时，便可以通过调整l、d、c使y最小，从而得到满足折射率要求的多层超材料单元，此时多层超材料单元的透射率也能满足设计要求。

本实施例，采用基于代理模型的优化算法可以快速完成参数优化，对于不同折射率的优化结果如下，从表中可以看出，控制多层超材料单元的结构参数可实现对来波大范围的移相调节并具有较好的透射性能。

又例如，在本实施例中，照射低剖面梯度折射率透镜的馈源采用喇叭天线，中心频率为15GHz，F取63.5mm，多层超材料单元优化后的最大折射率5.94，透镜厚度5mm，对于一个由27×27个多层超材料单元构成的低剖面梯度折射率透镜，折射率分布如图6所示。

馈源天线增加本实施例的低剖面梯度折射率透镜后的辐射场图如图7所示，可以看出低剖面梯度折射率透镜将馈源天线辐射的球面波转换为平面波。天线辐射的E面方向图如图8所示，加入低剖面梯度折射率透镜前天线的的增益为13.34dB，半功率点波瓣宽度为40°，加入低剖面梯度折射率透镜后增益提高到24.09dB，半功率点波瓣宽度减小到12°，可见本实施例所设计的低剖面梯度折射率透镜可以有效提升天线的辐射性能。

本发明的单层超材料单元由介质基板和两个相对的开口谐振环构成，每个开口谐振环包括两段微带线，它们分为位于介质基板的两侧，其中一端由穿过介质基板的金属过孔相连，另一端不相连形成预设开口结构。本发明将具有不同尺寸谐振环的单层超材料单元沿介质基板表面法线方向依次排列构成多层超材料单元。通过结构优化可以使多层超材料单元在层数较少情况下达到设定的传输系数和折射率。折射率按照一定规律分布的多层超材料单元呈阵列方式排布，由此构成梯度折射率透镜。本发明的基于超材料的低剖面梯度折射率透镜可以通过移相的方式将馈源天线辐射的球面波转换平面波，使能量集中在一个方向上传播，使天线辐射具有窄波束和高增益的特性，同时厚度相比同类透镜更小，便于加工安装。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于超材料的低剖面梯度折射率透镜，其特征在于，包括若干多层超材料单元，所述若干多层超材料单元呈阵列方式排布，且每个所述多层超材料单元包括若干层单层超材料单元，所述若干层单层超材料单元沿法向间隔设置，且每个所述多层超材料单元的所述若干层单层超材料单元两两对称设置，所述多层超材料单元中至少有一层所述单层超材料单元包括介质基板、以及在所述介质基板上相对设置的两个开口谐振环；

每个所述多层超材料单元的所述若干层单层超材料单元按照预设方式呈对称设置，其中，所述预设方式为对称设置的两个单层超材料单元相同；

所述开口谐振环包括开口相对设置的两个相同的微带线，其中一个所述微带线设置于所述介质基板的上表面，另一个所述微带线设置于所述介质基板的下表面，两个所述微带线的一端通过一贯穿所述介质基板的金属过孔相连，两个所述微带线的另一端形成预设开口，且相对设置的两个所述开口谐振环的两个所述预设开口相对设置。

2.根据权利要求1所述的低剖面梯度折射率透镜，其特征在于，所述微带线包括第一微带线、第二微带线和第三微带线，其中，所述第三微带线的第一端连接所述第一微带线的第一端，所述第三微带线的第二端连接所述第二微带线的第一端，所述第三微带线垂直于所述第一微带线和所述第二微带线，所述第一微带线和所述第二微带线相互平行，且所述第一微带线和所述第二微带线的尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的低剖面梯度折射率透镜，其特征在于，每个所述多层超材料单元的所述若干层单层超材料单元等间距间隔设置。

4.根据权利要求1所述的低剖面梯度折射率透镜，其特征在于，每个所述多层超材料单元的折射率为：

其中，n(r)是距离所述低剖面梯度折射率透镜中心处为r的多层超材料单元的折射率，n₀是处于所述低剖面梯度折射率透镜中心处的多层超材料单元的折射率，F是所述低剖面梯度折射率透镜到馈源相位中心的距离，T为低剖面梯度折射率透镜的厚度。

5.根据权利要求4所述的低剖面梯度折射率透镜，其特征在于，所述多层超材料单元的目标函数为：

y＝-mag(S21)-exp(ang(S21)+nkD)^2

其中，mag为模值，ang为辐角函数，exp为指数函数，S21为传输系数，n是折射率，k为波数，D为所述多层超材料单元的厚度。

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