CN113394565B - 一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜及其单元排布设计方法 - Google Patents

一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜及其单元排布设计方法 Download PDF

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    • H01Q15/0046—Theoretical analysis and design methods of such selective devices

Abstract

本发明公开一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜的移相量设计方法。每个单元包括四层金属层(1)与三层空气层(2)，所述四层金属层(1)与三层空气层(2)间隔排列组成，所述金属层(1)包括四个矩形金属缝隙(4)与四个正方形金属缝隙(3)，四个所述矩形金属缝隙(4)分别设置在金属层(1)的边长位置，四个所述正方形金属缝隙(3)分别设置在金属层(1)的四个顶角位置，所述矩形金属缝隙(4)与正方形金属缝隙(3)间隔设置，每个所述矩形金属缝隙(4)向内延伸中心竖线或中心横线，所述金属层结构为中心旋转对称结构。用以解决全金属超材料透镜耐高温和机械稳定性的问题。

Description

一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜及其单元排布设 计方法
技术领域
本发明属于微波器件工程技术领域，具体涉及一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜及其单元排布设计方法。
背景技术
微波透镜在医疗和卫星通信等多种场景中具有重要价值。医疗方面，聚束透镜可以将电磁波束聚焦，在肿瘤的微波热疗中具有方向性好，热效率大，增益高等特点；在卫星通信方面，微波透镜可以接受多个卫星信号，极大提高天线性能。然而，传统的透镜存在体积较大，成本昂贵等问题，因此，具有低剖面，结构紧凑，成本低廉特点的超材料透镜得到了广泛应用。
现有超材料透镜一般采用PCB工艺以介质基板为基底材料进行加工(以下简称介质超材料透镜)，但这类介质超材料透镜无法在高温、高压以及高机械强度下正常工作。譬如在航空航天领域，器件通常需要在几百度的高温下使用。在这种情况下，介质超材料透镜会产生变形、融化等问题，以至于无法正常应用。介质超材料透镜无法在恶劣环境条件下工作，严重限制其实际应用场景。
发明内容
本发明提供一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜及其单元排布设计方法，用以解决全金属超材料透镜耐高温和机械稳定性的问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜，所述全金属超材料透镜由多个阵列单元组成，具有不同移相量的阵列单元按照预先设计好的移相量分布规律在XOY平面上进行排列；
每个单元包括完全相同的四层金属层1与三层空气层2，所述四层金属层1与三层空气层2间隔排列组成，每层所述金属层1包括四个矩形金属缝隙4与四个正方形金属缝隙3，四个所述矩形金属缝隙4分别设置在金属层1的边长位置，四个所述正方形金属缝隙3分别设置在金属层1的四个顶角位置，所述矩形金属缝隙4与正方形金属缝隙3间隔设置，每个所述矩形金属缝隙4向内延伸中心竖线或中心横线，所述金属层结构为中心旋转对称结构。
进一步的，所述金属层1的外形轮廓长度均为d，其取值范围为0.16λ0～0.2λ0，其中λ0为最低工作频率电磁波在自由空间中波长；
所述金属层1的厚度为h，取值范围是0.005λ0～0.01λ0；
所述空气层2厚度为s，取值范围为0.05λ0～0.65λ0。
进一步的，所述矩形金属缝隙4与正方形金属缝隙3之间宽度为w2，，w2取值在0.0025λ0～0.01λ0，一条直线上的两个正方形金属缝隙3内侧竖线之间的距离是a，a取值在0～0.18λ0之间；所述中心竖线或中心横线的宽度是w1，w1取值在0.0025λ0～0.01λ0，一条直线上的两个正方形金属缝隙3外侧竖线之间的距离是d1，d1取值在0.15λ0～0.19λ0。
进一步的，所述全金属超材料透镜由K种阵列单元构成，K种阵列单元的金属层1具有不同的缝隙长度，在1.590GHz时的移相量依次相差约360/K度；所述K种阵列单元都包括一条直线上的两个正方形金属缝隙3内侧竖线之间的距离a，但a的取值不同,其中K取值为2，3，4……；
所述每个单元的金属层1材料为电导率为1.1×106S/m的不锈钢材料。
一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜的单元排布设计方法，所述单元排布设计方法具体为根据公式(1)计算全金属超材料透镜单元所需要的移相量分布规律；
Figure BDA0003089411290000021
设定全金属超材料透镜的几何中心为坐标原点(0,0),
Figure BDA0003089411290000022
指的是位于XOY平面的全金属超材料透镜上坐标为(x,y)的单元的移相量；λ0指的是中心工作频率1.59GHz的电磁波在空气中的波长；fd是全金属超材料透镜的设计焦距；
Figure BDA0003089411290000023
表示从喇叭天线射出的电磁波照射到全金属超材料透镜上坐标为x,y单元时的相位；
得到移相量分布规律，并根据具体需求得到K种具有不同移相量的阵列单元，K的取值范围为2，3，4……，进而得到一个由N×N阵列单元构成的具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜，N的取值范围为15-60。
进一步的，所述全金属超材料透镜外形轮廓长度均为A，其中A为3.2λ0～10λ0。
进一步的，所述得到移相量分布规律，并根据K种具有不同移相量的阵列单元具体为，得到阵列单元移相量分布规律，每个单元相对于中心单元的移相量之差称为相对移相量，将相对相移量在[(n-1)*360/K,n*360/K]区间的阵列单元，统一用相对移相量量为360*(n-1)/K的单元代替，n＝1,2,3,…K；根据新的阵列单元相对移相量分布规律，在确定中心单元移相量基础上，得到一个由N×N阵列单元构成的具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜。
进一步的，所述全金属超材料透镜由6种不同移向量的阵列单元构成20×20的阵列，6种不同移向量的阵列单元具体为：
所述a＝25mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
所述a＝22.2mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
所述a＝20.4mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
所述a＝18.95mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
所述a＝17.75mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
所述a＝16.8mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm。
本发明的有益效果是：
本发明与以往透镜的阵列单元相比，具有如下显著优势：首先阵列单元自身实现小型化，以最低工作频点1.561GHz对应波长λ0为例，单元边长仅占0.182λ0，阵列单元的小型化可以有效提升透镜阵列性能；其次单元剖面最小结构尺寸为3mm，自身具有较好的力学鲁棒性。此外，通过合理布阵单元，组成单元个数为20×20的全金属超材料透镜。该透镜可以将来自馈源喇叭天线的电磁波有效汇聚到阵列另外一端离阵列面500mm处，并在1.561GHz，1.575GHz，1.595GHz，1.616GHz四个频点上，获得3dB焦斑直径小于200mm的焦斑。
附图说明
图1是本发明的阵列单元结构图，其中，(a)俯视图；(b)侧视图。
图2是本发明的全金属超材料透镜结构图，其中，(a)俯视图；(b)侧视图。
图3是本发明的设计实例中六种阵列单元的透射系数数值仿真结果图。
图4是本发明的设计实例中六种阵列单元的相移特性曲线数值仿真结果图。
图5是本发明的设计实例在1.561GHz时电磁波汇聚侧距离透镜500mm平面上的电场幅度分布图。
图6是本发明的设计实例在1.575GHz时电磁波汇聚测距离透镜500mm平面上的电场幅度分布图。
图7是本发明的设计实例在1.595GHz时电磁波汇聚测距离透镜500mm平面上的电场幅度分布图。
图8：是本发明的设计实例在1.59GHz时电磁波汇聚测距离透镜500mm平面上的电场幅度分布图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜，所述全金属超材料透镜由多个阵列单元组成，具有不同移相量的阵列单元按照预先设计好的移相量分布规律在XOY平面上进行排列；
每个单元包括完全相同的四层金属层1与三层空气层2，所述四层金属层1与三层空气层2间隔排列组成，每层所述金属层1包括四个矩形金属缝隙4与四个正方形金属缝隙3，四个所述矩形金属缝隙4分别设置在金属层1的边长位置，四个所述正方形金属缝隙3分别设置在金属层1的四个顶角位置，所述矩形金属缝隙4与正方形金属缝隙3间隔设置，每个所述矩形金属缝隙4向内延伸中心竖线或中心横线，所述金属层结构为中心旋转对称结构。
进一步的，所述金属层1的外形轮廓长度均为d，其取值范围为0.16λ0～0.2λ0，其中λ0为最低工作频率电磁波在自由空间中波长；
所述金属层1的厚度为h，取值范围是0.005λ0～0.01λ0；
所述空气层2厚度为s，取值范围为0.05λ0～0.65λ0。
进一步的，所述矩形金属缝隙4与正方形金属缝隙3之间宽度为w2，，w2取值在0.0025λ0～0.01λ0，一条直线上的两个正方形金属缝隙3内侧竖线之间的距离是a，a取值在0～0.18λ0之间；所述中心竖线或中心横线的宽度是w1，w1取值在0.0025λ0～0.01λ0，一条直线上的两个正方形金属缝隙3外侧竖线之间的距离是d1，d1取值在0.15λ0～0.19λ0。
所述每个单元均由六种阵列单元构成，六种阵列单元的金属层1具有不同的缝隙长度，在1.590GHz时的移相量依次相差约60度；所述六种阵列单元都包括一条直线上的两个正方形金属缝隙3内侧竖线之间的距离a，但a的取值不同；
所述每个单元的金属层1材料为电导率为1.1×106S/m的不锈钢材料。
一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜的单元排布设计方法，所述单元排布设计方法具体为根据公式(1)计算全金属超材料透镜单元所需要的移相量分布规律；
Figure BDA0003089411290000051
设定全金属超材料透镜的几何中心为坐标原点(0,0),
Figure BDA0003089411290000052
指的是位于XOY平面的全金属超材料透镜上坐标为(x,y)的单元的移相量；λ0指的是中心工作频率1.59GHz的电磁波在空气中的波长；fd是全金属超材料透镜的设计焦距；
Figure BDA0003089411290000053
表示从喇叭天线射出的电磁波照射到全金属超材料透镜上坐标为x,y单元时的相位；
得到移相量分布规律，并根据具有不同移相量的阵列单元，得到一个由20×20阵列单元构成的具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜。
进一步的，所述全金属超材料透镜外形轮廓长度均为A，其中A为3.2λ0～10λ0。
进一步的，所述得到移相量分布规律，并根据前述六种具有不同移相量的阵列单元具体为，得到阵列单元移相量分布规律，每个单元相对于中心单元的移相量之差称为相对移相量，将相对相移量在[(n-1)*60,n*60)区间的阵列单元，统一用相对移相量量为60*n-1的单元代替，n＝1,2,3,4,5,6；根据新的阵列单元相对移相量分布规律，在确定中心单元移相量基础上，得到一个由20×20阵列单元构成的具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜。
进一步的，所述全金属超材料透镜由6种不同移向量的阵列单元构成20×20的阵列，6种不同移向量的阵列单元具体为，所述a＝25mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
所述a＝22.2mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
所述a＝20.4mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
所述a＝18.95mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
所述a＝17.75mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
所述a＝16.8mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm。
如图1所示的基于矩形缝隙的全金属结构单元(以下简称阵列单元)在XOY平面上排布而成。如图1所示，阵列单元由四层外形轮廓尺寸相同并且刻有相同图案的金属层和三层空气夹层构成，黄色部分表示金属，白色部分表示空气。如图1(a)所示，阵列单元的金属层外形轮廓为正方形，金属层上的图案为中心旋转对称结构，这种旋转对称的图案将使阵列单元以及由阵列单元周期全金属超材料透镜具有双极化特性，即对于x方向极化的入射波以及y方向极化的入射波都能够表现出相同的电磁响应。阵列单元在x和y方向的外形轮廓长度均为d，其取值范围为0.16λ0～0.2λ0，其中λ0为自由空间波长。可以看到，阵列单元在x和y方向的外形轮廓长度d远小于半个自由空间波长，这将使该阵列单元以及由该阵列单元组成的全金属超材料透镜对于入射电磁波表现出角度稳定性，即对于与z轴呈不同角度入射的电磁波都能表现出一致的电磁响应。阵列单元金属层图案中正方形金属结构用a表示，a取值在0～3d/4之间。调整a的大小可以使电磁波沿z方向穿透阵列单元时具有不同的移相量延迟。阵列单元金属层图案中各部分缝隙宽度和金属宽度分别用w1-w2表示，wi(i＝1，2)取值是0.5mm～4mm。全金属超材料透镜整体外形轮廓尺寸为700mm×700mm×158mm。为了验证该全金属超材料透镜的近场汇聚功能，一个喇叭天线被放置在该全金属超材料透镜正前方539mm处。电磁波将从该喇叭天线射出，照射并穿透该全金属超材料透镜，并最终在全金属超材料透镜的另一侧实现汇聚。图5-图8给出了上述条件下位于全金属超材料透镜另一侧且距离全金属超材料透镜500mm平面上的电场分布的数值仿真结果。图5-图8分别对应于不同的观测频率。从图中可以明显地看到焦斑图样，这表明电磁波在此处发生了汇聚，证明了该全金属超材料透镜具备宽频带的近场汇聚功能。
表1：六种单元结构参数
Figure BDA0003089411290000061
Figure BDA0003089411290000071
表2：焦斑尺寸
工作频率 x轴3dB焦斑直径 y轴3dB焦斑直径
1.561GHz 171mm 189mm
1.575GHz 173mm 182mm
1.595GHZ 167mm 178mm
1.616GHz 171mm 173mm

Claims (8)

1.一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜，其特征在于，所述全金属超材料透镜由多个阵列单元组成，具有不同移相量的阵列单元按照预先设计好的移相量分布规律在XOY平面上进行排列；
每个单元包括完全相同的四层金属层(1)与三层空气层(2)，所述四层金属层(1)与三层空气层(2)间隔排列组成，每层所述金属层(1)包括四个矩形金属缝隙(4)与四个正方形金属缝隙(3)，四个所述矩形金属缝隙(4)分别设置在金属层(1)的边长位置，四个所述正方形金属缝隙(3)分别设置在金属层(1)的四个顶角位置，所述矩形金属缝隙(4)与正方形金属缝隙(3)间隔设置，所述金属层结构为中心旋转对称结构，每个所述矩形金属缝隙(4)向内延伸中心竖线或中心横线交汇于旋转对称中心处。
2.根据权利要求1所述一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜，其特征在于，所述金属层(1)的外形轮廓长度均为d，其取值范围为0.16λ0～0.2λ0，其中λ0为最低工作频率电磁波在自由空间中波长；
所述金属层(1)的厚度为h，取值范围是0.005λ0～0.01λ0；
所述空气层(2)厚度为s，取值范围为0.05λ0～0.65λ0。
3.根据权利要求1所述一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜，其特征在于，所述矩形金属缝隙(4)与正方形金属缝隙(3)之间宽度为w2，w2取值在0.0025λ0～0.01λ0，一条直线上的两个正方形金属缝隙(3)内侧竖线之间的距离是a，a取值在0～0.18λ0之间；所述中心竖线或中心横线的宽度是w1，w1取值在0.0025λ0～0.01λ0，一条直线上的两个正方形金属缝隙(3)外侧竖线之间的距离是d1，d1取值在0.15λ0～0.19λ0。
4.根据权利要求1所述一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜，其特征在于，所述全金属超材料透镜由K种阵列单元构成，K种阵列单元的金属层(1)具有不同的缝隙长度，在1.590GHz时的移相量依次相差360/K度；所述K种阵列单元都包括一条直线上的两个正方形金属缝隙(3)内侧竖线之间的距离a，但a的取值不同,其中K取值为2，3，4……；
所述每个单元的金属层(1)材料为电导率为1.1×106S/m的不锈钢材料。
5.根据权利要求1-4任一所述一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜的单元排布设计方法，其特征在于，所述单元排布设计方法具体为根据公式(1)计算全金属超材料透镜单元所需要的移相量分布规律；
Figure FDA0003739036520000021
设定全金属超材料透镜的几何中心为坐标原点(0,0),
Figure FDA0003739036520000022
指的是位于XOY平面的全金属超材料透镜上坐标为(x,y)的单元的移相量；λ0指的是中心工作频率1.59GHz的电磁波在空气中的波长；fd是全金属超材料透镜的设计焦距；
Figure FDA0003739036520000023
表示从喇叭天线射出的电磁波照射到全金属超材料透镜上坐标为(x,y)单元时的相位；
得到移相量分布规律，并根据具体需求得到K种具有不同移相量的阵列单元，K的取值范围为2，3，4……，进而得到一个由N×N阵列单元构成的具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜，N的取值范围为15-60。
6.根据权利要求5所述一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜的单元排布设计方法，其特征在于，所述全金属超材料透镜外形轮廓长度均为A，其中A为3.2λ0～10λ0。
7.根据权利要求5所述一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜的单元排布设计方法，其特征在于，所述得到移相量分布规律，并根据K种具有不同移相量的阵列单元具体为，得到阵列单元移相量分布规律，每个单元相对于中心单元的移相量之差称为相对移相量，将相对相移量在[(n-1)*360/K,n*360/K]区间的阵列单元，统一用相对移相量为360*(n-1)/K的单元代替，n＝1,2,3,…K；根据新的阵列单元相对移相量分布规律，在确定中心单元移相量基础上，得到一个由N×N阵列单元构成的具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜。
8.根据权利要求7所述一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜的单元排布设计方法，其特征在于，所述全金属超材料透镜由6种不同移向量的阵列单元构成20×20的阵列，6种不同移向量的阵列单元具体为：
a＝25mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
a＝22.2mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
a＝20.4mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
a＝18.95mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
a＝17.75mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
a＝16.8mm时，d＝35mm，d1＝34mm，w1＝1mm，w2＝0.5mm；
其中，a为一条直线上的两个正方形金属缝隙(3)内侧竖线之间的距离，d为所述金属层(1)的外形轮廓长度，d1为一条直线上的两个正方形金属缝隙(3)外侧竖线之间的距离，w1为中心竖线或中心横线的宽度，w2为矩形金属缝隙(4)与正方形金属缝隙(3)之间宽度。
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