一種基于人工電磁表面的純介質(zhì)電磁透鏡的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于人工電磁表面的純介質(zhì)電磁透鏡的設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟：步驟1：根據(jù)透鏡所用介質(zhì)材料及工作電磁波的波長(zhǎng)求得相位變化與介質(zhì)厚度的關(guān)系；步驟2：根據(jù)透鏡類型(凸透鏡、凹透鏡、反射鏡)及焦距要求計(jì)算出所需的相位突變的分布；步驟3：根據(jù)相位分布要求在電磁仿真軟件中構(gòu)建相應(yīng)厚度的介質(zhì)透鏡，并進(jìn)行仿真、微調(diào)，然后即可加工制作；根據(jù)上述步驟2中所設(shè)計(jì)透鏡的要求得到相位分布再計(jì)算出介質(zhì)厚度的分布，然后在電磁仿真軟件中進(jìn)行建模、仿真。本發(fā)明設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、靈活；隨著入射波長(zhǎng)的減小，本發(fā)明透鏡的焦距會(huì)變長(zhǎng)；本發(fā)明將該透鏡與傳統(tǒng)透鏡組成的透鏡組能夠消除色差。
【專利說(shuō)明】-種基于人工電磁表面的純介質(zhì)電磁透鏡的設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于人工電磁表面的純介質(zhì)電磁透鏡，屬于光電【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 電磁透鏡廣泛應(yīng)用于發(fā)射和接收無(wú)線電波或光波等系統(tǒng)。傳統(tǒng)電磁透鏡一般都是 帶有弧形曲面的純介質(zhì)透鏡，其原理是連續(xù)相位變化，最常見(jiàn)的如凸透鏡、凹透鏡等。其缺 點(diǎn)是體積大，又厚又重。
[0003] 2000年之后，人工電磁材料（metamaterial)理論的發(fā)展導(dǎo)致若干又薄又輕的電 磁透鏡的出現(xiàn)。目前，這類最新的電磁透鏡裝置基本都用所謂的超材料進(jìn)行構(gòu)建。例如， 申請(qǐng)?zhí)枮?01110080646. 1，名稱為"一種具有電磁波匯聚功能的透鏡天線"的專利文件， 公開(kāi)了一種超材料電磁透鏡，由超材料功能板組合陣列而成，該裝置中間包括多個(gè)折射率 呈帶狀分布的超材料帶，所述各個(gè)超材料帶內(nèi)的折射率朝相同方向連續(xù)變化。申請(qǐng)?zhí)枮?201110113906.0,名稱為"一種電磁透鏡天線"的專利文件，公開(kāi)了一種電磁透鏡天線，包括 具有匯聚功能的各向異性的超材料面板和位于超材料面板的焦點(diǎn)上的輻射單元，超材料面 板由超材料片層堆疊而成，每個(gè)超材料片層包括基板和附著在基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)， 各區(qū)域內(nèi)的折射率相對(duì)于中心軸徑向?qū)ΨQ且隨著半徑的增加逐漸變小同時(shí)變化率逐漸增 大，各區(qū)域交界處的折射率非連續(xù)變化。申請(qǐng)?zhí)枮?01110061811. 9,名稱為"一種超材料電 磁透鏡天線"的專利文件，公開(kāi)了一種超材料電磁透鏡天線，包括饋源以及超材料，所述超 材料的中部各單元的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U之乘積為最高值，其它各單元的等 效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U乘積值從小到大呈漸變趨勢(shì)。申請(qǐng)?zhí)枮?009102135055， 名稱為"一種透鏡"的專利文件，包括裝有饋源的金屬喇叭和透鏡，透鏡嵌置于金屬喇叭直 徑較大的一端；透鏡包括芯板和平面介質(zhì)板，其中一個(gè)平面上有若干芯板非諧振基本單元； 每個(gè)芯板非諧振基本單兀內(nèi)印刷有一個(gè)芯板金屬方框。
[0004] 在檢索到的上述文獻(xiàn)中，電磁透鏡都是在介質(zhì)基板上印刷各種金屬結(jié)構(gòu)，構(gòu)建折 射率變化的超材料，這類透鏡的工作原理基于電磁諧振理論，因此工作帶寬較窄，損耗較 大，且超材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求很高的電磁理論基礎(chǔ)，難以技術(shù)推廣。
[0005] 現(xiàn)有電磁透鏡的制造技術(shù)主要是利用"連續(xù)相位變化"原理來(lái)實(shí)現(xiàn)操控電磁波， 其傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案是通過(guò)介質(zhì)透鏡的弧形曲面進(jìn)行相位連續(xù)變化，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、加工 方便，工作頻帶寬，而缺點(diǎn)是又厚又重，尤其在低頻段，其體積和重量難以接受；最新的超 材料實(shí)現(xiàn)方案是通過(guò)特別設(shè)計(jì)的金屬諧振結(jié)構(gòu)來(lái)改變超材料的折射率，繼而實(shí)現(xiàn)相位連續(xù) 變化，其優(yōu)點(diǎn)是可將透鏡做輕薄，其缺點(diǎn)是工作帶寬窄，損耗相對(duì)較大，且對(duì)設(shè)計(jì)要求很高。 三百多年前惠更斯就指出，電磁波傳播過(guò)程中其波陣面上每一點(diǎn)都可以看作為是二次波 源，其后的波陣面的形狀是由所有二次波源輻射的電磁波相干疊加得到的，后人稱之為惠 更斯原理。這個(gè)原理直接解釋了傳統(tǒng)介質(zhì)光透鏡通過(guò)曲面來(lái)改變光路的相位延遲，從而實(shí) 現(xiàn)透鏡出射表面各個(gè)點(diǎn)至焦點(diǎn)的相位差為2 的整數(shù)倍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了焦點(diǎn)處電磁波相干加 強(qiáng)，而空間其他各點(diǎn)相干抵消。而近兩年人工電磁表面（metasurface)的研究發(fā)現(xiàn)，如果在 平板透鏡表面用金屬絲人為制造若干亞波長(zhǎng)（一般小于二分之一個(gè)波長(zhǎng)）結(jié)構(gòu)，使其完成 二次波源的相位突變，而不是借助曲面來(lái)實(shí)現(xiàn)相位連續(xù)變化，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波在焦點(diǎn) 處的相干疊加。但是，這類亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工都很困難，而且工作頻帶窄，最致命的是 對(duì)入射電磁波的極化方向有嚴(yán)格要求，而且損耗很大，很難應(yīng)用于實(shí)際。而本發(fā)明能夠很好 地解決上面的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于提供一種基于人工電磁表面的純介質(zhì)電磁透鏡的設(shè)計(jì)方法，該方 法能夠以純介質(zhì)和簡(jiǎn)單的加工方法來(lái)制備電磁透鏡。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所米取的技術(shù)方案是：一種基于人工電磁表面的純介質(zhì)電 磁透鏡的設(shè)計(jì)方法，該方法所述的透鏡體積小，總厚度不到一個(gè)介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)（〈A /n)，工作 頻帶寬，易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，加工成本低。
[0008] 方法流程
[0009] 步驟1 :根據(jù)透鏡所用介質(zhì)材料及工作電磁波的波長(zhǎng)求得相位變化與介質(zhì)厚度的 關(guān)系。
[0010] 根據(jù)公式

【權(quán)利要求】
1. 一種基于人工電磁表面的純介質(zhì)電磁透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括 如下步驟：
步驟1 :根據(jù)透鏡所用介質(zhì)材料及工作電磁波的波長(zhǎng)求得相位變化與介質(zhì)厚度的關(guān) 系； 根據(jù)公? 求得電磁波相位變化與介質(zhì)厚度的關(guān)系， 其中 Je = OhJ(Sr-Sin2A)SojUu，Z t. =1/1； = %/▲'.-sin2 6?,.，ε ^ 是透鏡所用介質(zhì)材料的介電常 數(shù)，Si是電磁波入射角，ω是角頻率，％ = 377 Ω是自由空間波阻抗，h是介質(zhì)厚度； 步驟2 :根據(jù)透鏡類型（凸透鏡、凹透鏡、反射鏡）及焦距要求計(jì)算出所需的相位突變 的分布； 由等光程原理可得到凸透鏡沿徑向方向的相位分布： Φ{γ) = 2ηττ + k()(yjr" + / ' - / )，其中kQ = 23i X，f是透鏡的焦距，η是任意整數(shù)，r是距 離圓心的距離； 而對(duì)于凹透鏡，其相位分布為：Φ(γ) = 2ηπ - k()(Jr2 +/2 -/)； 反射鏡的相位分布為= + 及乂），其中，F(xiàn)是以饋電天線的相位中 心為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)時(shí)透鏡表面的位置矢量，是反射鏡面上相對(duì)于（〇, 〇, f)的位置矢量， &是所期望的反射波束的單位方向矢量； 步驟3 :根據(jù)相位分布要求在電磁仿真軟件中構(gòu)建相應(yīng)厚度的介質(zhì)透鏡，并進(jìn)行仿真、 微調(diào)，然后即可加工制作；根據(jù)上述步驟2中所設(shè)計(jì)透鏡的要求得到相位分布P，再根據(jù)公 式7
計(jì)算出介質(zhì)厚度的分布，然后在電磁仿真軟件中 進(jìn)行建模、仿真。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于人工電磁表面的純介質(zhì)電磁透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特 征在于：所述方法以純介質(zhì)來(lái)制備電磁透鏡。
【文檔編號(hào)】G02B27/00GK104377452SQ201410621525
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】王正斌, 陳進(jìn)昌, 高超, 薛曼琳 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)