一種基於光學變換的超表面透鏡天線的製作方法
2023-07-28 02:46:06 3
一種基於光學變換的超表面透鏡天線的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於光學變換的超表面透鏡，包括介質基板，設置在所述介質基板上的饋源和透鏡主體，所述透鏡主體的折射率分布由龍伯透鏡的折射率分布經光學變換後形成。本實用新型的透鏡具有傳統龍伯透鏡的定向輻射的效果，同時變換後的透鏡具有拉平的聚焦面，有利於更好地饋電和集成化。
【專利說明】—種基於光學變換的超表面透鏡天線
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種基於新型人工電磁材料的表面等離激元透鏡，可用於微波，毫米波和太赫茲領域。
【背景技術】
[0002]如圖1所示，現有的龍伯透鏡被置於一個矩形區域中，其中龍伯透鏡的一部分在矩形外部，龍伯透鏡具有的弧形聚焦面不利於饋電和集成化，另一方面傳統的球形龍伯透鏡也存在著高損耗和較難製作的問題。
實用新型內容
[0003]實用新型目的:本實用新型要提供一種基於光學變換的超表面透鏡天線及其製造方法，將光學變換引入到表面波的調控中；把現有龍伯透鏡的弧形聚焦面拉平，以便於更好的饋電和集成化。
[0004]技術方案:一種基於光學變換的超表面透鏡，包括介質基板，設置在所述介質基板上的饋源和透鏡主體，所述透鏡主體的折射率分布由龍伯透鏡的折射率分布經光學變換後形成。
[0005]所述透鏡主體由行列排布的U型結構單元組成。所述透鏡主體成軸對稱，沿對稱軸或平行於對稱軸的方向，U型結構單元的槽深從遠離所述饋源處向靠近所述饋源處逐漸加深，沿垂直所述對稱軸的方向，U型結構單元的槽深從遠離所述對稱軸處向靠近所述對稱軸處逐漸加深。所述饋源由3個正反vivaldi天線組成。
[0006]有益效果:本實用新型的透鏡具有傳統龍伯透鏡的定向輻射的效果，同時變換後的透鏡具有拉平的聚焦面，有利於更好地饋電和集成化；本實用新型將電磁波以表面波的方式束縛在表面，使得透鏡的剖面壓縮到亞波長區域，因而減小了體積，相應的損耗降低而且便於製作；另外，本實用新型可以通過縮放尺寸使其應用在不同頻段。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1為現有技術的折射率分布；
[0008]圖2是本實用新型的結構示意圖；
[0009]圖3是本實用新型的折射率分布圖；
[0010]圖4是本實用新型U型結構單元的槽深的分布圖；
[0011]圖5是本實用新型的透鏡饋源的結構圖；
[0012]圖6是本實用新型的U型結構單元的結構示意圖；
[0013]圖7是本實用新型數值方法仿真的二維色散曲線；
[0014]圖8 a至圖8f為透鏡在8GHz時的近場仿真與測試的對比圖；
[0015]圖9a至圖9f為透鏡在9GHz時的近場仿真與測試的對比圖；
[0016]圖1Oa至圖1Of為透鏡在IOGHz時的近場仿真與測試的對比圖；[0017]圖11是本實用新型的透鏡在8GHz時的遠場測試結果圖；
[0018]圖12是本實用新型的透鏡在9GHz時的遠場測試結果圖；
[0019]圖13是本實用新型的透鏡在IOGHz時的遠場測試結果圖。
【具體實施方式】
[0020]結合圖2至圖11進一步描述本實用新型的超表面透鏡。如圖2所示，本實用新型基於光學變換的超表面透鏡主要由饋源2和透鏡主體3組成，透鏡主體集成在介質基板I上。饋源2由三個正反vivald天線組成,透鏡主體由離散分布的金屬的U型結構單元構成。U型結構單元的分布是由龍伯透鏡的分布經過光學變換後演變而來，這種分布使得龍伯透鏡的弧形聚焦面被拉平成平面，因而當用不同的正反vivaldi天線激勵透鏡時，透鏡所支持的表面波沿不同的方向定向輻射。
[0021]透鏡主體的折射率的調控是通過U型結構的槽深來控制的。具體地，鏡主體成軸對稱，沿對稱軸或平行於對稱軸的方向，U型結構單元的槽深從遠離所述饋源處向靠近所述饋源處逐漸加深，沿垂直所述對稱軸的方向，U型結構單元的槽深從遠離所述對稱軸處向靠近所述對稱軸處逐漸加深。本實用新型用光學變換將傳統龍伯透鏡的弧形聚焦面拉平，更便於饋電以及系統的深度集成。本實用新型基於超表面製作的龍伯透鏡將電磁波以表面波的方式束縛在表面，使得透鏡的剖面壓縮到亞波長區域，因而體積減小，相應的損耗降低而且便於製作。
[0022]製造上述基於光學變換的超表面透鏡的方法包括如下步驟:採用光學變換將龍伯透鏡的折射率分布變換為透鏡主體的折射率分布；按照透鏡主體的折射率分布在介質基板上集成U型結構單元和饋源。當需要調節或改變透鏡主體的折射率分布時，改變至少部分U型結構單元的槽深或改變U型結構單元的槽深分布。
[0023]具體地，利用金屬的U型結構單元來組成透鏡主體，用數值方法確定U型結構單元的色散特性，最終得到表面折射率；對傳統的龍伯透鏡的折射率分布進行光學變換，然後按照光學變換後的折射率分布來排列結構單元，折射率的調控是通過控制U型結構單元的槽深來控制的。如圖7所示的數值方法仿真的二維色散曲線，儘管曲線不是呈各向同性的圓形，但次單元結構的各向異性是比較弱的，因而在設計中近視作為各向同向處理，並按照單元結構在透鏡中的放置方式取ky作為單元結構的傳播波數，從而得到單元結構的表面折射率。
[0024]如圖3所示，該圖顯示了光學變換之後的折射率分布，可以看到傳統龍伯透鏡的弧形聚焦面被拉平。圖4顯示了在光學變換後的區域中每個U型單元的槽的深度。不同的槽深對應不同的表面折射率,其中外周的白色的部分由於其表面折射率接近空氣的折射率因而可以直接被空氣代替。圖5顯示了饋源的結構圖，整個饋源由3個正反vivaldi天線構成。如圖6所示的U型結構單元,其具體尺寸.Py=4.6mm, Px=3.4mm, dy=4mm, dx=3mm,w=l.5mm, h從Imm到2.8mm。需要說明的是,根據工作頻段不同,技術人員可以對上述結構參數進行調整。
[0025]圖8a至圖8f顯示了 8GHz時透鏡的近場與仿真結果的對比,可以看到，當激勵不同的vivaldi天線時，透鏡所支持的表面波沿不同的方向定向輻射，仿真和測試有著良好的吻合度。[0026]圖9a至圖9f顯示了 9GHz時透鏡的近場與仿真結果的對比，可以看到，當激勵不同的vivaldi天線時，透鏡所支持的表面波沿不同的方向定向輻射，仿真和測試有著良好的吻合度。
[0027]圖1Oa至圖1Of顯示了 IOGHz時透鏡的近場與仿真結果的對比，可以看到，當激勵不同的vivaldi天線時，透鏡所支持的表面波沿不同的方向定向輻射，仿真和測試有著良好的吻合度。
[0028]圖11、圖12和圖13分別顯示了 8GHz、9GHz、IOGHz時透鏡的遠場測試結果，可以看至IJ，當激勵不同的vivaldi天線時，透鏡的主瓣指向不同的方向，表明這種表面波透鏡天線可以實現定向波束在一定範圍內的掃描。需要說明的是，本實用新型中的透鏡根據工作頻段不同，可採用不同加工工藝實現。
[0029]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出:對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種基於光學變換的超表面透鏡，包括介質基板，其特徵在於，還包括設置在所述介質基板上的饋源和透鏡主體，所述透鏡主體的折射率分布由龍伯透鏡的折射率分布經光學變換後形成。
2.如權利要求1所述的基於光學變換的超表面透鏡，其特徵在於，所述透鏡主體由行列排布的U型結構單元組成。
3.如權利要求2所述的基於光學變換的超表面透鏡，其特徵在於，所述透鏡主體成軸對稱，沿對稱軸或平行於對稱軸的方向，U型結構單元的槽深從遠離所述饋源處向靠近所述饋源處逐漸加深，沿垂直所述對稱軸的方向，U型結構單元的槽深從遠離所述對稱軸處向靠近所述對稱軸處逐漸加深。
4.如權利要求1或2或3所述的基於光學變換的超表面透鏡，其特徵在於，所述饋源由3個正反vivaldi天線組成。
【文檔編號】H01Q15/02GK203503791SQ201320565180
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年9月11日
【發明者】崔鐵軍, 萬向 申請人:東南大學