專利名稱:基于新型人工電磁材料的變形龍伯透鏡的制作方法
【專利摘要】一種基于新型人工電磁材料的變形龍伯透鏡，其由15層圓形介質(zhì)薄層沿徑向等間距排列而成，每層上周期分布著“I”型金屬結(jié)構(gòu)單元。越遠離透鏡中心的薄層上附著的“I”型結(jié)構(gòu)尺寸越小，其等效的介質(zhì)常數(shù)也就越小。最外層的等效介電常數(shù)近似為1，等效磁導(dǎo)率也近似為1，達到匹配空氣層的目的。變形龍伯透鏡較傳統(tǒng)龍伯透鏡的變化在于饋源的位置，變形龍伯透鏡在其內(nèi)部有一圓形軌道供饋源在其上做移動。饋源產(chǎn)生的柱面波通過透鏡的作用，以平面波的形式出射。隨著饋源在軌道上的運動，平面波的出射方向隨之發(fā)生改變，從而實現(xiàn)了波束的寬角度掃描。本實用新型具有設(shè)計加工簡單，實現(xiàn)柱面波到平面波的轉(zhuǎn)換，在雷達，天線等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)有前景。
【專利說明】基于新型人工電磁材料的變形龍伯透鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種用于微波頻段的變形龍伯透鏡，屬于透鏡天線和新型人工電磁材料領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]本實用新型中的新型人工電磁材料(Metamaterials)是電磁學(xué)中新興的研宄領(lǐng)域，其基礎(chǔ)是等效媒質(zhì)理論，由一系列設(shè)計的結(jié)構(gòu)單元在亞波長尺度上按照一定規(guī)律排列構(gòu)成。通過精心設(shè)計單元結(jié)構(gòu)和尺寸大小，可以得到所需要的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。經(jīng)過近些年的發(fā)展，新型人工電磁材料得到了長足的發(fā)展，在隱身、天線工程等方面都有廣泛的應(yīng)用。基于新型人工電磁材料的龍伯透鏡是利用新型人工電磁單元結(jié)構(gòu)等效介電常數(shù)的方便可控實現(xiàn)，來達到介質(zhì)材料等效折射率的預(yù)期分布，從而實現(xiàn)電磁波的傳播方式的可控。但是，這種龍伯透鏡的饋源必須放置在透鏡的外部或者邊緣上，這不利于工程應(yīng)用中器件的集中設(shè)計。而通過對透鏡內(nèi)部折射率分布的調(diào)整，可以將饋源放置在透鏡的內(nèi)部。所以本實用新型具有很高的工程應(yīng)用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本實用新型的目的是提供一種基于新型人工電磁材料的變形龍伯透鏡。這種變形龍伯透鏡可以在一定的頻帶內(nèi)實現(xiàn)將柱面波入射變?yōu)槠矫娌ǔ錾?，饋源在預(yù)定圓周軌道上的靈活移動可以使平面波的出射方向靈活變化。基于新型人工電磁材料的變形龍伯透鏡由附著金屬單元結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基片構(gòu)成，具有易于加工、制作成本低、重量輕、靈活性高等特點?？捎糜陔姶挪ǖ亩ㄏ蜉椛?，天線的寬角度掃面等方面，具有很高的實用價值。
[0004]技術(shù)方案:在傳統(tǒng)龍伯透鏡的設(shè)計理念上，通過改變透鏡介質(zhì)的折射率分布，將饋源的位置從透鏡的外部變?yōu)橥哥R的內(nèi)部，并且給饋源預(yù)留一個圓周軌道使其能在軌道上移動，繼而實現(xiàn)柱面波到平面波的轉(zhuǎn)換以及波束的寬角度掃描。采取的技術(shù)方案為:
[0005]該變形龍伯透鏡的饋源放置在透鏡的內(nèi)部，饋源在固定圓周上移動實現(xiàn)寬角度的波束定向掃描；該變形龍伯透鏡由15層有金屬結(jié)構(gòu)附著的介質(zhì)薄層組成，從俯視的角度看，15個介質(zhì)薄層被彎曲成15個同心圓，每層介質(zhì)薄層上周期排列著非諧振的金屬“I”型結(jié)構(gòu)，“I”型金屬結(jié)構(gòu)由2條橫向的和I條豎向的金屬條構(gòu)成，所有金屬條的寬度和長度分別相等；同一層介質(zhì)基片上的“I”型結(jié)構(gòu)擁有完全一樣的尺寸，而不同介質(zhì)基片上的“I”型結(jié)構(gòu)有著不同的尺寸，也就是金屬條的長度各不一樣；將線型饋源放置在設(shè)定好的圓周軌道上，由其產(chǎn)生的柱面波通過透鏡的作用變?yōu)槠矫娌ǔ錾?，在圓周軌道上移動饋源，平面波出射的角度隨之改變，達到寬角度波束掃描的效果。
[0006]利用所述的“I”型非諧振單元的周期排列，加上其在徑向上尺寸的漸變分布，以實現(xiàn)漸變折射率分布，進而控制波的傳播。
[0007]工作頻率為9.2-11.1GHz之間變化。
[0008]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)勢:
[0009]1.本實用新型制作簡單，加工方便。利用現(xiàn)有的PCB加工技術(shù)即可實現(xiàn)樣品的加工。傳統(tǒng)介質(zhì)透鏡加工需較為復(fù)雜的程序，且價格昂貴。
[0010]2.本實用新型具有寬角度掃描特性，在一定帶寬內(nèi)通過移動饋源便可以實現(xiàn)波束的掃描。在雷達、掃描天線等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)有前景。
[0011]3.本實用新型同時具備便攜、重量輕、容易集成等優(yōu)點。

【附圖說明】

[0012]圖1是變形龍伯透鏡電磁波傳播示意圖。
[0013]圖2 (a)是構(gòu)成變形龍伯透鏡的第5層(由內(nèi)向外)介質(zhì)基片俯視圖，圖2 (b)是正視圖。
[0014]圖3(a)是“I”型結(jié)構(gòu)單元示意圖正視圖，圖3(b)是“ I ”型結(jié)構(gòu)單元示意圖側(cè)視圖，圖3(c)是有效介電常數(shù)εζ隨頻率的變化曲線。
[0015]圖4是等效折射率隨可調(diào)尺寸w的變化曲線。
[0016]圖5(a)是1GHz下變形龍伯透鏡在不同條件下電場分布的仿真結(jié)果折射率連續(xù)分布，圖5(b)是折射率離散分布，圖5(c)是饋源移動45°。
[0017]圖6 (a)是變形龍伯透鏡近場的測試結(jié)果9.2GHz，圖6 (b)是是變形龍伯透鏡近場的測試結(jié)果10.5GHz ο
[0018]附圖標記
[0019]1-介質(zhì)基片；2_金屬“I”型結(jié)構(gòu)。

【具體實施方式】
[0020]本實用新型的基于新型人工電磁材料(Metamaterials)的變形龍伯透鏡，相比傳統(tǒng)二維龍伯透鏡，它的饋源可以放置在透鏡的內(nèi)部，并且饋源在固定圓周上移動可以實現(xiàn)寬角度的波速定向掃描。該變形龍伯透鏡由15層有金屬結(jié)構(gòu)附著的介質(zhì)薄層組成，用俯視的角度看，15個介質(zhì)薄層被彎曲成15個同心圓。每層介質(zhì)薄片上周期排列著非諧振的金屬“I”型結(jié)構(gòu)，“I”型金屬結(jié)構(gòu)由2條橫向的和I條豎向的金屬條構(gòu)成，全部金屬條的寬度和長度分別相等。同一層介質(zhì)基片上的“I”型結(jié)構(gòu)擁有完全一樣的尺寸，而不同介質(zhì)基片上的“I”型結(jié)構(gòu)有著不同的尺寸，也就是金屬條的長度各不一樣。將線型饋源放置在設(shè)定好的圓形軌道上，由其產(chǎn)生的柱面波通過透鏡的作用變?yōu)槠矫娌ǔ錾?。在圓形軌道上移動饋源，平面波的出射的角度隨之改變，達到寬角度波束掃描的效果。
[0021]優(yōu)選的，所述的基于新型人工電磁材料的變形龍伯透鏡，利用所述的“I”型非諧振單元的周期排列，加上其在徑向上尺寸的漸變分布，可以實現(xiàn)漸變折射率分布，進而控制波的傳播。
[0022]優(yōu)選的，新型人工電磁材料的引入，使透鏡的設(shè)計變得靈活，同時設(shè)計出來的透鏡較傳統(tǒng)介質(zhì)透鏡更輕便。
[0023]優(yōu)選的，變形龍伯透鏡的工作頻率可以在9.2到11.1GHz之間變化。
[0024]本實用新型所提出的基于新型電磁材料的變形龍伯透鏡由亞波長尺寸的“I”型結(jié)構(gòu)單元按一定的排列構(gòu)成，整個透鏡由15層繞成同心圓的介質(zhì)薄片組成。單層上排列的“I”型結(jié)構(gòu)的尺寸完全一樣，不同層間的“I”型結(jié)構(gòu)越靠近圓心尺寸越大。設(shè)計要完成的電磁波的控制效果由圖1給出，透鏡內(nèi)部的饋源發(fā)射柱面波，通過透鏡的作用變?yōu)槠矫娌ǔ錾洹D2(a)為變形龍伯透鏡的俯視圖，圖2(b)為正視圖。單個“I”型結(jié)構(gòu)單元采取的技術(shù)方案如下:在覆銅介質(zhì)基板I上表面刻蝕出由兩橫向金屬條和一條縱向金屬條組成的“I”字結(jié)構(gòu)2，橫向和縱向的金屬條擁有相同的長度和寬度。介質(zhì)基板下表面不加金屬背板。圖3(a)為單元結(jié)構(gòu)的正視圖，圖3(b)為單元結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。根據(jù)等效媒質(zhì)理論，當外部電場垂直照射到單元結(jié)構(gòu)上時，由于電響應(yīng)的緣故，不同尺寸的金屬單元尺寸在同一頻率下可以獲得不同的等效介電常數(shù)，相近的磁導(dǎo)率以及不同的等效折射率。圖3(c)所示為某一單元結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)隨頻率的變化曲線。本實用新型主要考慮對電磁波相位的控制，所以常用折射率來描述介質(zhì)的性質(zhì)。
[0025]本實用新型所提出的基于新型人工電磁材料的變形龍伯透鏡，樣品單層介質(zhì)薄層縱向有三個周期單元，橫向周期單元個數(shù)由介質(zhì)薄層所處透鏡的位置決定，越遠離透鏡中心的介質(zhì)薄層上排列著越多的橫向周期單元。單元周期大小為3.333mm，相鄰介質(zhì)薄層的間隔相應(yīng)的也為3.333mm。上述提到的“I”型結(jié)構(gòu)的尺寸決定了介質(zhì)的等效特性，本實用新型為了使設(shè)計盡量簡單，只對“I”型結(jié)構(gòu)的金屬條長度進行調(diào)控來調(diào)控介質(zhì)的電磁特性。如圖4所示，給出了在1GHz頻率下金屬條長度w與介質(zhì)的等效折射率的關(guān)系曲線，等效折射率隨w的增大呈指數(shù)增長。
[0026]在設(shè)計樣品時，由于等效媒質(zhì)理論的引入，一個單元結(jié)構(gòu)空間等效為同一種電磁特性的材料，所以整個透鏡的折射率分布并不是連續(xù)的，而理想的龍伯透鏡的折射率分布應(yīng)該是連續(xù)的，為了克服不連續(xù)帶來的層與層之間的失配和不必要的散射，我們對每一層的“I”型結(jié)構(gòu)尺寸也就是金屬條的長度進行了優(yōu)化處理，使不連續(xù)帶來的影響降到最低。
[0027]本實用新型所提出的基于新型人工電磁材料的變形龍伯透鏡，饋源所在圓周軌道被設(shè)置在了二分之一半徑的位置上，線饋源在圓周軌道上移動，出射平面波出射方向隨之相應(yīng)變化，實現(xiàn)波束的寬角度掃描。為了驗證變形龍伯透鏡對電磁波的調(diào)控作用，我們進行了準確的電磁模擬仿真，仿真結(jié)果如圖所示:圖5(a)為折射率連續(xù)分布時的結(jié)果，柱面波通過透鏡的作用變?yōu)槠矫娌ǔ錾?，效果十分理想；圖5(13)為將透鏡離散為15個不同介質(zhì)區(qū)域時的結(jié)果，可以看出雖然柱面波同樣變?yōu)槠矫娌ǔ錾?，但出現(xiàn)了更多的散射，部分能量被消耗了 ；圖5((:)為將饋源在圓形軌道上移動45°后的結(jié)果，證明了透鏡波束掃描的功能。圖6 (a)，圖6(b)為實驗結(jié)果，分別是在9.2GHz和10.5GHz下測得的結(jié)果。實驗中，將一同軸線放入透鏡的饋源軌道作為柱面波的輻射源。實驗結(jié)果表明該設(shè)計擁有一定的工作帶寬，測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。驗證了本實用新型的電磁波控制作用。
[0028]本實用新型已經(jīng)結(jié)合著僅限定數(shù)量的實施例被詳細地描述出，可以容易理解的是，本實用新型并不限制于所公開的實施例中。更加地，本實用新型可以修改合并任何數(shù)量的前述未提及到的變形、改變、替換或等同組件，但這些與本實用新型的精神和范圍是相稱的。另外，本實用新型的各種實施例已經(jīng)被描述出，可以理解的是，本實用新型的各個方面可僅包括所描述實施例的一部分。由此，本實用新型并不由前述描述所限制，但僅由所附加的權(quán)利要求的范圍限制。
【權(quán)利要求】
1.一種基于新型人工電磁材料的變形龍伯透鏡，其特征在于該變形龍伯透鏡的饋源放置在透鏡的內(nèi)部，饋源在固定圓周上移動實現(xiàn)寬角度的波束定向掃描；該變形龍伯透鏡由15層有金屬結(jié)構(gòu)附著的介質(zhì)薄層組成，從俯視的角度看，15個介質(zhì)薄層被彎曲成15個同心圓，每層介質(zhì)薄層上周期排列著非諧振的金屬“I”型結(jié)構(gòu)，“I”型金屬結(jié)構(gòu)由2條橫向的和I條豎向的金屬條構(gòu)成，所有金屬條的寬度和長度分別相等；同一層介質(zhì)基片上的“I”型結(jié)構(gòu)擁有完全一樣的尺寸，而不同介質(zhì)基片上的“I”型結(jié)構(gòu)有著不同的尺寸，也就是金屬條的長度各不一樣。
【文檔編號】H01Q3-14GK204303994SQ201420566211
【發(fā)明者】程強, 陳海兵, 趙捷, 黃愛華, 戴俊彥, 陸慧穎, 崔鐵軍 [申請人]東南大學(xué)