可調(diào)超表面的拋物線梯度相位修正方法及變/定焦距透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于可調(diào)超表面技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種可調(diào)超表面的拋物線梯度相位修 正方法及變/定焦距透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，人們基于梯度超表面(GMS)發(fā)現(xiàn)了廣義Snell折射/反射定律，開辟了控制 電磁波和光的全新途徑和領(lǐng)域，正在推動新一輪技術(shù)革新，GMS也因此成為異向介質(zhì)新的分 枝和研究熱點。相對于較為成熟的均勻超表面，GMS是基于相位突變思想設(shè)計的一種二維梯 度結(jié)構(gòu)，可對電磁波的激發(fā)、極化和傳輸進(jìn)行靈活控制，實現(xiàn)奇異折射/反射、極化旋轉(zhuǎn)W及 非對稱傳輸?shù)绕娈惞δ?，具有更加?qiáng)大的電磁波調(diào)控能力，在隱身表面、共形天線、數(shù)字編 碼、平板印刷等方面顯示了巨大的潛在應(yīng)用價值，成為各國搶奪的一個學(xué)科制高點和學(xué)科 前沿。盡管如此，W往GMS-旦工作頻率改變，要想得到同樣的電磁特性必須重新設(shè)計結(jié)構(gòu) 參數(shù)，效率低、可復(fù)用性差，且目前對于可調(diào)超表面的研究也僅局限于均勻超表面，至今還 未見關(guān)于可調(diào)梯度超表面(Tunab 1 e GMS，TGMS)的公開報道。
[0003] 微帶反射陣/透射陣天線由于其剖面低、重量輕、體積小、增益高而廣泛應(yīng)用于衛(wèi) 星通訊，然而微帶陣天線有兩大瓶頸亟待解決和突破。一是無源微帶陣單元工作于諧振頻 率附近，相位隨頻率變化劇烈，呈現(xiàn)強(qiáng)色散關(guān)系，在偏離中屯、工作頻率時，拋物梯度遭到破 壞，微帶陣焦距隨頻率偏移不斷變化，天線增益急劇下降，天線工作頻率較窄；二是特定頻 率處，微帶陣的結(jié)構(gòu)參數(shù)一旦固定天線的焦距和福射性能不能被任意調(diào)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決現(xiàn)有微帶陣天線兩大瓶頸的可調(diào)超表面的 拋物線梯度相位修正方法及變/定焦距透鏡。
[0005] 本發(fā)明提出的基于可調(diào)梯度超表面的拋物線梯度相位修正方法，具體步驟為（見 圖1): 第一步:根據(jù)實際需要預(yù)先給定透鏡焦距F、口徑D、單元周期Pi和初始工作頻率fo。透 鏡上的相位分布如A進(jìn)是關(guān)于,和立的函數(shù)：
，運里左為透鏡 的工作頻率，孩為第典個TGMS單元在透鏡口徑上的位置坐標(biāo)，奪為工作頻率淹處的波 長； 并通過F、D、pi和時確定單元數(shù)目N和透鏡的初始拋物相位梯度(1)1^，根據(jù)實際單元結(jié) 構(gòu)確定初始電容〇1'^*^。具體通過：
確定TGMS單元數(shù)目，通過
確定4 1^，通過仿真軟件CST計算出實際TGMS結(jié)構(gòu)單元 的相位值，并根據(jù)透鏡的初始拋物相位梯度4 確定初始電容CiW。
[0006] 第二步:對N個單元的反射相位依次進(jìn)行掃描仿真，保持其它參數(shù)不變，掃描不同 電容Ct對應(yīng)的相位分布，得到N個單元在不同頻率下的電容-相位(C- 4 )分布； 第=步:根據(jù)C-(I)，并通過尋根算法得到不同頻率處N單元所需電容(V，W某單元在特 定頻率和CiW情形下的反射相位為基準(zhǔn)點，通過對C- d)分布進(jìn)行=次樣條插值，得到該情形 下滿足拋物相位梯度時其余N-I個單元的實際組合，運里i表示單元數(shù)，j表示組號 (觀察頻率數(shù)），若各單元得到的(V均在變?nèi)莨芸蛇_(dá)到的電容范圍內(nèi)，則記錄該組電容值 (V，改變初始電容CiW,重復(fù)循環(huán)上述步驟直至Ci^遍歷電容范圍內(nèi)所有值，記錄所有可能的 (V組合(不唯一），選擇電容跨越范圍最小的一組W保證最優(yōu)梯度工作帶寬，若CiW遍歷所有 值后均不能找到滿足要求的一組參數(shù)，則結(jié)束掃描且該頻率為滿足拋物梯度的邊界工作頻 率，若該頻率處找到一組最優(yōu)解則重復(fù)循環(huán)上述步驟運算下一頻率j+1，找到所有頻率處滿 足要求的4iVCi迎合； 第四步，根據(jù)獲得的電容(V組合并通過變?nèi)莨艿碾娙?電壓(C-V)分布反推獲得電壓 組合運里需要對C-V曲線進(jìn)行插值計算精確獲得各頻率處所需的電壓組合Vi。
[0007] W上步驟均通過matlab編程實現(xiàn)。
[0008] 本發(fā)明關(guān)于可調(diào)梯度超表面單元結(jié)構(gòu)與變/定焦距透鏡的設(shè)計 為實現(xiàn)變/定焦距多功能透鏡，TGMS單元必須具有足夠的相位調(diào)控范圍和頻率調(diào)控范 圍。本發(fā)明采用主、副兩種模式級聯(lián)的方法實現(xiàn)寬頻大相位調(diào)控。TGMS單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和等效 電路如圖2所示，TGMS單元由上層主、副諧振器，中間介質(zhì)板W及下層金屬接地板S部分組 成。由于金屬接地板(背板)的作用，本發(fā)明屬于反射體系，電磁波入射到TGMS單元沒有透射 只有反射。其中，主諧振器為I型金屬結(jié)構(gòu)，由水平金屬條、垂直金屬條W及焊接于垂直金屬 條開口之間的變?nèi)荻O管(變?nèi)莨?組成;副諧振器由一對大小相同的金屬貼片組成。外加 電壓通過水平金屬條饋電加在變?nèi)莨苌?。其中，Wi、hi為I形金屬結(jié)構(gòu)的垂直金屬線寬度和長 度，di、d2為I形金屬結(jié)構(gòu)與貼片在x、y方向的間距，h為介質(zhì)板的厚度，d3=hi-2di為貼片的高 度，W3為貼片的寬度，Ct為變?nèi)莨艿目傠娙?，Px、Py為TGMS單元在X和y方向的周期長度，W2為水 平偏置線的寬度且滿足W2<wi。工作時，平面電磁波沿-Z方向垂直入射到TGMS單元上，電場沿 X軸方向激勵。受外界電、磁場驅(qū)動，主、副諧振器分別與接地板之間形成特定頻率下的磁諧 振。I形金屬結(jié)構(gòu)中線寬很窄的水平金屬條用于提供高電抗值，發(fā)揮直流偏置功能，防止高 頻微波信號進(jìn)入直流源而對直流偏壓沒有影響，從而提高電路的穩(wěn)定性。
[0009] 設(shè)Rs、Ls、Cs分別代表變?nèi)莨艿募纳娮琛⒎庋b引線電感和管殼電容,C^戈表管忍的 結(jié)電容。由于Cs的影響較小一般可W忽略，變?nèi)莨艿牡刃щ娐纺Ｐ涂捎么?lián)的Rs、Ls和Cj來 等效，其中，Ls=O.7nH，Rs Si.5Q，Cj隨電壓變化的典型曲線如圖2(b)插圖所示。當(dāng)變?nèi)莨軆?端加上很小的反向偏置電壓時，變?nèi)莨艹尸F(xiàn)很大的容值，在OV時呈現(xiàn)最大電容Cj=I. 24pF; 當(dāng)反向電壓逐漸增大時，Cj不斷變小，直到口限電壓30V時電容達(dá)到最小為Cj=O. 31pFdTGMS 單元中主、副諧振器的磁響應(yīng)分別由串聯(lián)支路1^1、&和RlW及L2、C2和R2來等效，而電磁波在 介質(zhì)板中的傳輸效應(yīng)由阻抗為Zc,長度為h。的傳輸線等效，金屬接地板由接地等效。電感^ 由I形金屬結(jié)構(gòu)的垂直金屬線電感和變?nèi)莨艿囊€電感組成，電容Cl即包含相鄰單元水平 金屬線形成的縫隙電容又包括變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容，電感L2表示微帶貼片產(chǎn)生的感性響應(yīng)，而 電容C2既包含貼片的容性效應(yīng)又包含貼片與I結(jié)構(gòu)之間的禪合，Ri和R2用來表征損耗。根據(jù) 傳輸線理論^615單元產(chǎn)生的兩個磁諧振頻率分別由患=：t/2的瀉^ 和苗古V細(xì)^/寫^決 定，在蟲和克處存在兩個反射谷且反射相位發(fā)生突變。通過調(diào)諧I形金屬結(jié)構(gòu)、貼片的物理 尺寸W及變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容可W任意操控f I和f2的大小，從而在工作頻率fo處獲得具有任意 相位的TGMS單元。
[0010]根據(jù)拋物相位梯度分布，最終本發(fā)明設(shè)計的透鏡由2N巧Ny個上述TGMS單元延拓組 成，2Nx為X軸方向上的TGMS單元數(shù)，Ny為巧由方向上的TGMS單元數(shù)，且透鏡上TGMS單元結(jié)構(gòu) 沿X軸關(guān)于原點對稱，運里化通過
。對沿X軸和-X軸 的Nx列TGMS單元分別依次施加電壓Vnx，Vnx-i 運里所加電壓根據(jù)上述拋物線梯度 相位修正方法確定。
[001 ]] 實施例中選取Nx=6和Ny=9，具體地，透鏡沿X和-X軸分別由六個hi不同的TGMS單元 由大到小順序排列組成化i=l〇. 5，10.1，9.52，8.7，7.36和5.5mm)，即X和-X軸上TGMS單元關(guān) 于原點對稱排列，六個單元所加電壓依次為￥6、￥5、￥4、￥3、￥2和￥1，運里所加電壓根據(jù)上述拋 物線梯度相位修正方法確定，透鏡沿y方向由第一排TGMS單元分別周期重復(fù)Ny=9個形成，即 透鏡每列TGMS單元的hi大小相同。
[0012] 其中，透鏡的工作頻率須選擇在所有TGMS單元的頻率調(diào)控范圍內(nèi)，即由透鏡上各 單元的公共頻率調(diào)控范圍決定，初始拋物梯度在給定初始電容Ci^的情形下通過調(diào)整Nx個 TGMS單元的尺寸hi實現(xiàn)。
[0013] 在上述公共頻段范圍內(nèi)，利用TGMS的相位補(bǔ)償特特性并通過本發(fā)明的拋物梯度相 位糾正方法可W計算各單元上的修正電壓Vl, V2，V3……Vnx，通過在變?nèi)莨苌霞虞d運些電壓 可W恢復(fù)和修正透鏡在各頻率處的完美拋物梯度，從而在不同頻率處可W實現(xiàn)定焦距透鏡 (消色差透鏡），消去相位色散引起的透鏡色差問題。而通過對不同焦距的消色差透鏡的修 正電壓進(jìn)行切換，可W在消色差透鏡的公共頻段內(nèi)處實現(xiàn)變焦距透鏡。
[0014] 本發(fā)明利用有源器件的相位調(diào)控作用對工作頻段范圍內(nèi)各頻率處各超表面單元 的相位進(jìn)行實時補(bǔ)償和修正，從而一方面可W恢復(fù)超表面在各工作頻率處的完美拋物線性 相位梯度(定焦距），另一方面可W在特定頻率處實現(xiàn)超表面不同的拋物線相位梯度(變焦 距）。前者TGMS具有很寬的工作帶寬，具有消色差功能；后者TGMS具有很大的功能靈活性和 多樣性。本發(fā)明實現(xiàn)了 TGMS單元諧振頻率和相位的實時調(diào)控，獲得了 TGMS的奇異動態(tài)電磁