CN117317612A - 一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法 - Google Patents

一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及微波工程技术和超表面技术领域，特别涉及一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法。其中，该龙伯透镜包括多层金属超表面层和多层介质层，所述金属超表面层和所述介质层沿厚度方向依次交替设置，且所述金属超表面层的层数大于所述介质层的层数；每个金属超表面层均由若干个金属薄层单元组成，每个金属薄层单元表面上均刻蚀有左右对称的双开口谐振环。本方案，不仅能够实现对平面波入射的聚焦，而且在大角度斜入射下该透镜也能够对电磁波进行高效率聚焦；因此，本发明实施例中的龙伯透镜具有结构简单、厚度较薄易于平面共形的优点，并且其宽角度聚焦位置随入射角度一一对应，具有聚焦角度范围广的优势。

Description

一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法
技术领域
本发明涉及微波工程技术和超表面技术领域，特别涉及一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法。
背景技术
龙伯透镜是一种广泛应用的聚焦装置，其一般由相对介电常数渐变的不均匀介质构成，可以将不同方向的入射电磁波聚焦到球体的另一端；因其具有优异的宽角度聚焦性能，其广泛应用于宽角度扫描天线、微波成像与探测和后向散射增强等领域。
相关技术中，龙伯透镜的体积相对庞大、结构笨重，并且需要多层折射率渐变的介质层拼接而成，加工流程繁琐和加工成本较高，难以实现平面共形设计。尽管平面龙伯透镜能够减小整个球体的尺寸厚度，但是其聚焦原理还是基于入射电磁波沿着多层介质层的相位累积，其依赖于频率和角域相对固定，在需要灵活改变聚焦性能的场合无法应用。
因此，基于上述问题，有必要提供一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法。
发明内容
为了解决相关技术中龙伯透镜的体积庞大、结构笨重，并且难以实现宽角度聚焦的问题，本发明实施例提供了一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于超表面的龙伯透镜，包括多层金属超表面层和多层介质层，所述金属超表面层和所述介质层沿厚度方向依次交替设置，且所述金属超表面层的层数大于所述介质层的层数；
每个金属超表面层均由若干个金属薄层单元组成，每个金属薄层单元表面上均刻蚀有左右对称的双开口谐振环。
优选地，所述金属超表面层为金属铜或金属铁，所述介质层为空气介质层。
优选地，所述金属超表面层的层数为3层，所述介质层的层数为2层。
优选地，所述金属超表面层的厚度为0.05～0.07mm，所述介质层的厚度为5～7mm，所述金属超表面层和所述介质层的总厚度不超过工作频率对应的波长。
优选地，所述双开口谐振环包括左右对称设置的两段弧形孔，两段弧形孔的圆心相同，且以圆心为中心呈对称分布。
优选地，所述弧形孔的弧度为150～180°。
优选地，每个金属薄层单元通过透射相位梯度渐变结构周期排列组成所述金属超表面层，其中，透射相位分布满足以下分布：
式中，φ(i)表示坐标位置(i)上的金属薄层单元结构的透射相位，F表示龙伯透镜垂直入射的聚焦位置，x(i)表示金属薄层单元在坐标系下(i，0)的实际坐标大小。
优选地，所述金属薄层单元的排列周期为10～11.5mm。
第二方面，本发明实施例还提供了一种上述第一方面任一项所述的基于超表面的龙伯透镜的制备方法，该制备方法包括：
在每个金属薄层单元上刻蚀左右对称的双开口谐振环，得到金属超表面层；
将多个金属超表面层和多个介质层依次交替设置，并保证所述金属超表面位于所述介质层的上下表面，得到所述龙伯透镜。
本发明与现有技术相比，至少存在如下有益效果：
本发明实施例提供了一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法，通过将龙伯透镜设计为多层沿厚度方向依次交替的金属超表面层和介质层，并通过在金属超表面层上刻蚀左右对称的双开口谐振环，如此，不仅能够实现对平面波入射的聚焦，而且在大角度斜入射下该透镜也能够对电磁波进行高效率聚焦；因此，本发明实施例中的龙伯透镜具有结构简单、厚度较薄易于平面共形的优点，并且其宽角度聚焦位置随入射角度一一对应，具有聚焦角度范围广的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种基于超表面的龙伯透镜的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的金属超表面层上的双开口谐振环结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种基于超表面的龙伯透镜的聚焦示意图；
图4是本发明一实施例提供的现有技术中的龙伯透镜的聚焦示意图；
图5是本发明一实施例提供的基于超表面的龙伯透镜在不同入射角度下的聚焦位置分布图；
100-金属超表面层；200-介质层。
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。
如前所述，并结合图1所示，传统的龙伯透镜的一般采用多层折射率渐变的圆形球壳拼接而成，对于不同入射角度θi的平面波能够在其背面的圆形曲面上实现聚焦，由于其工作原理是基于入射电磁波沿空间相位的累积效应，因此该透镜器件的厚度r＝2R(R为龙伯透镜的半径)一般很大，高达工作波长的几倍或数十倍，难以在小型化和集成化的场合应用。由于整个球体采用多层介质拼接而成，其电磁波的透过率也十分有限，而自然界存在的介质的种类有限，其材料的介电常数难以满足灵活调控的需求，并且龙伯透镜的整个聚焦位置和焦平面随着入射角度固定，调控范围十分有限。为了减小整个龙伯透镜球体的尺寸厚度，虽然可以考虑采用超表面结构将透镜设计平面超薄透镜，然而，相关技术中，基于超表面设计的平面超薄透镜设计均是在垂直入射的情况下，不仅电磁波的透过率较低，并且其聚焦范围十分有限，难以实现宽角度聚焦。
因此，为了解决上述技术问题，如图2和图3所示，本发明实施例提供了一种基于超表面的龙伯透镜，包括多层金属超表面层100和多层介质层200，所述金属超表面层和所述介质层沿厚度方向依次交替设置，且所述金属超表面100层的层数大于所述介质层200的层数；
每个金属超表面层100均由若干个金属薄层单元组成，每个金属薄层单元表面上均刻蚀有左右对称的双开口谐振环。
本发明实施例中，如图2所示，通过将龙伯透镜设计为多层沿厚度方向依次交替的金属超表面层和介质层，采用多层金属超表面层模拟传统的三维全介质型龙伯透镜，并通过在金属超表面层上刻蚀左右对称的双开口谐振环，如此，不仅能够实现对平面波入射的强聚焦，而且在大角度斜入射下该透镜也能够对电磁波进行高效率聚焦，该透镜能够在其背后连续曲面的位置实现超宽角度范围(±60°)内的强聚焦；并且，本发明实施例中金属超表面层和介质层的总厚度不超过工作频率对应的微波波长，因此，本发明实施例中的龙伯透镜具有结构简单、低剖面、轻材质、加工成型简单且易于平面共形的优点，并且其宽角度聚焦位置随入射角度一一对应，具有聚焦角度范围广的优势。同时，本发明实施例中基于超表面的龙伯透镜，相比于传统的全介质型龙伯透镜的折射效应，其色散特性一般为衍射型，且可灵活和任意控制。
本发明实施例中的龙伯透镜是基于超表面平面设计实现，由多层金属超表面结构堆叠排列而成，其原理是基于周期金属单元结构对相位的跳变和几何结构的衍射效应实现，最终器件的厚度较小，具有超薄型的优势，设计和排布简单。对于垂直入射θi＝0°的电磁波，其聚焦位置在透镜背面的F位置处，由图3中可以看出，随着入射电磁波角度θi的增大，其垂直聚焦位置Oi离透镜的距离越来越小，因此可知，电磁波的入射角度与其聚焦位置的关系是单向映射的，且是一一对应的。因此，对于斜入射θi不为0°的电磁波，其聚焦位置沿着以F为半径的圆弧分布，整个焦平面的中心为超透镜的中心，半径为F；由于整个结构设计旋转对称，因此能够实现全向空间的超宽角度入射电磁波的强聚焦，并且整个透镜的厚度t很小(t小于λ)，透镜的聚焦位置F可以根据金属超表面薄层的设计而灵活改变。
根据一些优选的实施方式，所述金属超表面层为金属铜或金属铁，所述介质层为空气介质层。
本发明实施例中，金属超表面层采用金属金属铜或金属铁材质制成，并且介质层优选为空气介质层，相比于泡沫或玻璃等其他介质材料，空气介质层对宽角度入射的电磁波的响应速度较快，通过对金属超表面层和介质层材料和结构的合理设计，如此有利于工作波长在宽角度斜入射电磁波的高效率聚焦。
根据一些优选的实施方式，所述金属超表面层的层数为3层，所述介质层的层数为2层。
本发明实施例中，如图2所示，优选在三层金属超表面层之间夹设两层空气介质层，如此有利于进一步增大透镜入射电磁波在宽角度斜入射下的高效率聚焦，若金属超表面层或介质层的层数或厚度过大，则会使得电磁波入射后的折射率较大，虽然有利于增强电磁波的聚焦的分辨率，但不利于实现较宽角度的斜入射电磁波的高效率聚焦。
根据一些优选的实施方式，所述金属超表面层的厚度为0.05～0.07mm(例如，可以为0.05mm、0.06mm或0.07mm)，所述介质层的厚度为5～7mm(例如，可以为5mm、6mm或7mm)，所述金属超表面层和所述介质层的总厚度不超过工作频率对应的波长。
本发明实施例中的金属超表面和介质层总厚度不超过透镜工作频率对应的波长大小，不仅能够实现斜入射电磁波的宽角度高效率聚焦，而且透镜整体具有低剖面、超薄和轻材质的优势，且加工成型简单，易于平面共形设计能够在小型化和集成化的场合应用。
根据一些优选的实施方式，如图3所示，所述双开口谐振环包括左右对称设置的两段弧形孔，且两段弧形孔的圆心相同。
根据一些优选的实施方式，所述弧形孔的弧度为150～180°。
如图所示，本发明实施例中的金属薄层单元刻蚀有左右对称的两段弧形孔，且两段弧形孔的圆心相同，以形成开口宽度为w，开口弧度为α且弧度半径为r的双开口谐振环，以上结构参数的选择对金属超表面层中的金属薄层单元的透射系数影响较大，在特定工作频率下，改变上述结构参数时，应使得金属薄层单元的透射系数较大，同时应使得金属薄层单元的透射相位与垂直入射下的相位保持一致，如此有利于超表面龙伯透镜对垂直和大角度斜入射的电磁波均能够实现高效率聚焦，同时聚焦位置能够沿着相同半径的圆弧移动。
根据一些优选的实施方式，每个金属薄层单元通过透射相位梯度渐变结构周期排列组成所述金属超表面层，其中，透射相位分布满足以下分布：
式中，φ(i)表示坐标位置(i)上的金属薄层单元结构的透射相位，F表示龙伯透镜垂直入射的聚焦位置(即透镜的入射半径大小)，x(i)表示金属薄层单元在坐标系下(i，0)的实际坐标大小。
本发明实施例中，金属超表面层上的金属薄层单元对透镜的宽角域工作至关重要，金属薄层单元通过透射相位梯度渐变结构周期排列组成金属超表面结构层，每个金属薄层单元在半径不同位置处的相位分布沿着x轴满足上述透射相位分布式，如此有利于金属薄层单元结构在结构渐变范围内保证在工作频率下的极化电磁波具有很高的透射系数，从而有利于保证高效率的入射电磁波聚焦，同时有利于实现高效率的超宽角域的入射电磁波聚焦。
如图3所示，金属超表面层上的金属薄层在沿x方向上以周期p进行排列，因此金属薄层单元在坐标系下(i，0)位置单元的坐标大小则满足x(i)＝i*p。根据一些优选的实施方式，所述金属薄层单元的排列周期为10～11.5mm(例如，可以为10mm、10.5mm、11mm或11.5mm)。
本发明实施例中，金属薄层单元结构参数的排列周期优选为上述范围，如此能够使得聚焦透镜阵列的单元透射系数较大，其透射相位与垂直入射下的相位保持一致，能够使得超表面透镜对垂直和大角度斜入射电磁波均能够实现高效率聚焦，同时聚焦位置能够沿着相同半径的圆弧移动。
本发明实施例还提供了一种上述任一项所述的基于超表面的龙伯透镜的制备方法，该制备方法包括：
在每个金属薄层单元上刻蚀左右对称的双开口谐振环，得到金属超表面层；
将多个金属超表面层和多个介质层依次交替设置，并保证所述金属超表面位于所述介质层的上下表面，得到所述龙伯透镜。
本发明实施例中的透镜采用全金属的相位梯度渐变结构实现，相比于传统的全介质龙伯透镜，具有透过率高，单元折射率和相位调控范围大的优点，并且透镜的结构和设计简单，厚度薄，轻材质，加工方便，易于平面共形设计，也有小型化和集成化的特点。更为重要的是，该透镜能对垂直和斜入射的宽角域入射电磁波进行高效率聚焦(±60°)，能够实现全向工作，且宽角度聚焦位置随入射角度呈一一对应的关系，垂直聚焦距离随着入射角度的增大而减小，横向距离随着入射角度的增大而增大，其轨迹分布以透镜平面的中心为圆心，半径为F的近似圆形，垂直入射聚焦位置F可灵活设计，因此，本实施例中的基于超表面的龙伯透镜也具有频率和角域色散灵活可控的特点。
在一个具体的实施例中，如图2和图4所示，基于超表面的龙伯透镜包括依次交替设置的三层金属超表面层和空气介质层，整个透镜的厚度t不超过工作波长13GHz；金属超表面层由若干个金属薄层单元组成，每个金属薄层单元表面上均刻蚀有左右对称的双开口谐振环结构，双开口谐振环包括左右对称设置的两段弧形孔，弧形孔的圆心相同，开口宽度w＝1mm，弧形孔的弧度α＝150°，金属薄层的排列周期p＝11.5mm，通过金属薄层单元的半径改变实现透射相位，极化沿x方向，且透射幅度达到90％以上。根据以上参数设计实现整个透镜的高透射系数幅度和相位的大尺度改变，以符合透射相位分布式。图5为不同角度入射下电磁波的聚焦位置分布与电磁波入射角度的关系，离散点分别为垂直和斜入射角度0～60°下的聚焦位置，由图5中可以看出，随着入射角度的增大，其轨迹近似为以平面透镜中心为圆心，F为半径的圆形曲面，与龙伯透镜的宽角度聚焦类似，具有超宽角度和高效率聚焦的优势，并且结构设计简单，易于平面共形，具有小型化和集成化的优势。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二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”或者其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过程、方法、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，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。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过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
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 (9)

1.一种基于超表面的龙伯透镜，其特征在于，包括多层金属超表面层和多层介质层，所述金属超表面层和所述介质层沿厚度方向依次交替设置，且所述金属超表面层的层数大于所述介质层的层数；
每个金属超表面层均由若干个金属薄层单元组成，每个金属薄层单元表面上均刻蚀有左右对称的双开口谐振环。
2.根据权利要求1所述龙伯透镜，其特征在于，所述金属超表面层为金属铜或金属铁，所述介质层为空气介质层。
3.根据权利要求1所述龙伯透镜，其特征在于，所述金属超表面层的层数为3层，所述介质层的层数为2层。
4.根据权利要求1所述龙伯透镜，其特征在于，所述金属超表面层的厚度为0.05～0.07mm，所述介质层的厚度为5～7mm，所述金属超表面层和所述介质层的总厚度不超过工作频率对应的波长。
5.根据权利要求1所述龙伯透镜，其特征在于，所述双开口谐振环包括左右对称设置的两段弧形孔，两段弧形孔的圆心相同，且以圆心为中心呈对称分布。
6.根据权利要求5所述龙伯透镜，其特征在于，所述弧形孔的弧度为150～180°。
7.根据权利要求1所述龙伯透镜，其特征在于，每个金属薄层单元通过透射相位梯度渐变结构周期排列组成所述金属超表面层，其中，透射相位分布满足以下分布：
式中，φ(i)表示坐标位置(i)上的金属薄层单元结构的透射相位，F表示龙伯透镜垂直入射的聚焦位置，x(i)表示金属薄层单元在坐标系下(i，0)的实际坐标大小。
8.根据权利要求7所述龙伯透镜，其特征在于，所述金属薄层单元的排列周期为10～11.5mm。
9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的基于超表面的龙伯透镜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在每个金属薄层单元上刻蚀左右对称的双开口谐振环，得到金属超表面层；
将多个金属超表面层和多个介质层依次交替设置，并保证所述金属超表面位于所述介质层的上下表面，得到所述龙伯透镜。
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