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超表面透镜

阅读：690发布：2020-05-11

专利汇可以提供超表面透镜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种超表面透镜，包括若干个透射阵列单元，所述透射阵列单元的排列满足透射阵列单元沿横轴方向和纵轴方向的透射相位范围为360°，且每个透射阵列单元满足：当入射电磁波透过阵列聚焦时，各个透射阵列单元的中心处对应的相位满足设定值。本发明通过透射阵列单元相位范围的连接在满足传输系数大于-3.5dB的条件下实现360°的相移范围，聚焦效果好。，下面是超表面透镜专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种超表面透镜，其特征在于，包括若干个透射阵列单元，所述透射阵列单元的排列满足透射阵列单元沿横轴方向和纵轴方向的透射相位范围为360°，且每个透射阵列单元满足：当入射电磁波透过阵列聚焦时，各个透射阵列单元的中心处对应的相位为：
θi＝tan-1(ri/f)
式中，ri是入射点到透镜中心的距离，射径与主轴的夹角是θi，透镜的焦距是f，入射波在空气中的波长是λ0。
2.根据权利要求1所述的超表面透镜，其特征在于，所述透射阵列单元包括介质板、空心金属过孔、设置在介质板两面的正方形金属边框及正方形金属层，所述正方形金属边框与正方形金属层同心设置，且正方形金属边框套在正方形金属层外围，所述正方形金属层沿对角线开槽，且槽深度距中心S/2，S取值为0.79mm，槽的宽度W为0.30m，正方形金属边框的四角向正方形金属层槽内延伸金属条，所述金属条的宽度为0.15mm，延伸金属条底边距槽底的长度Y为2.85mm。
3.根据权利要求2所述的超表面透镜，其特征在于，所述介质板介电常数是2.2，长度为
6.8mm，宽度为6.8mm，厚度为1.6mm。
4.根据权利要求2所述的超表面透镜，其特征在于，所述金属十字、空心金属过孔、金属边框的材料为PEC，厚度均为0.035mm。
5.根据权利要求2所述的超表面透镜，其特征在于，所述透射阵列单元的个数为361。
6.根据权利要求2所述的超表面透镜，其特征在于，透射系数大于-3.5dB。
7.根据权利要求2所述的超表面透镜，其特征在于，相邻两个透射阵列单元的间距为
0.55个波长。

说明书全文

超表面透镜

技术领域

[0001] 本发明属于平面透镜技术，具体为一种超表面透镜。

背景技术

[0002] 超表面透镜是一种由一系列亚波长的人工微结构组成的超薄二维阵列平面，具有制作相对简单、损耗相对较低、体积小和厚度薄等特性，可以实现对电磁波的振幅、相位、传播模式、偏振态等方面的有效调控。

[0003] 超表面透镜是由拓扑结构相似的透射型频率选择表面单元构成的，通过对阵列上每个单元进行相位补偿，以在阵列的另一侧产生所需要的辐射波束。传统的超表面透镜通常采用介质板层数至少在两层以上的多层频率选择结构作为阵列单元，或者采用单层频率选择结构作为阵列单元，尽管单层(双层金属)结构易于制造，但是在满足高效率的方式下覆盖360°相移范围是困难的。

[0004] 中国专利ZL 2018114078368一种透射阵列，虽然在360°的相移范围内基本满足透射系数在-3.5dB以上，但是在进行精细仿真时在一些相位点会出现透射系数低于-3.5dB的情况，并且该结构的适用频率通带较窄。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提出了一种超表面透镜。

[0006] 实现本发明的技术解决方案为：一种超表面透镜，包括若干个透射阵列单元，所述透射阵列单元的排列满足透射阵列单元沿横轴方向和纵轴方向的透射相位范围为360°，且每个透射阵列单元满足：当入射电磁波透过阵列聚焦时，各个透射阵列单元的中心处对应的相位为：

[0007]

[0008] θi＝tan-1(ri/f)

[0009] 式中，ri是入射点到透镜中心的距离，射径与主轴的夹角是θi，透镜的焦距是f，入射波在空气中的波长是λ0。

[0010] 优选地，所述透射阵列单元包括介质板、空心金属过孔、设置在介质板两面的正方形金属边框及正方形金属层，所述正方形金属边框与正方形金属层同心设置，且正方形金属边框套在正方形金属层外围，所述正方形金属层沿对角线开槽，且槽深度距中心S/2，S取值为0.79mm，槽的宽度W为0.30m，正方形金属边框的四角向正方形金属层槽内延伸金属条，所述金属条的宽度为0.15mm，延伸金属条底边距槽底的长度Y为2.85mm。

[0011] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过透射阵列单元相位范围的连接在满足传输系数大于-3.5dB的条件下实现360°的相移范围，聚焦效果好；2)本发明剖面低，厚度薄，质量轻，采用不同尺寸的透射阵列单元实现了透镜的简单高效；3)本发明的频率通带可达1GHz以上。

[0012] 下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

[0013] 图1是本发明的结构示意图。

[0014] 图2是本发明的透射阵列单元结构示意图。

[0015] 图3是本发明在24GHz时透射系数曲线。

[0016] 图4是本发明在24GHz时透射相位曲线。

[0017] 图5为超表面透镜在24GHz经过平行波激励透射在聚焦平面XOY平面的电场强度分布图。

[0018] 图6为超表面透镜在24GHz经过平行波激励透射在聚焦平面YOZ平面的电场强度分布图。

具体实施方式

[0019] 一种超表面透镜，包括若干个透射阵列单元，所述透射阵列单元的排列满足透射阵列单元沿横轴方向和纵轴方向的透射相位范围为360°，每个透射阵列单元中心到透镜中心的距离是ri，对应的透射阵列单元所需的相位补偿为φi(＝1,2....n)，若使得平面波通过透镜达到聚焦的效果，则每个透射阵列单元随着半径ri变化的相位补偿函数为：

[0020]

[0021] θi＝tan-1(ri/f)

[0022] 式中，ri是入射点到透镜中心的距离，射径与主轴的夹角是θi，透镜的焦距是f，入射波在空气中的波长是λ0。

[0023] 进一步的实施例中，所述透射阵列单元包括介质板、空心金属过孔、设置在介质板两面的正方形金属边框及正方形金属层，所述正方形金属边框与正方形金属层同心设置，且正方形金属边框套在正方形金属层外围，所述正方形金属层沿对角线开槽，且槽深度距中心S/2，S取值为0.79mm，槽的宽度W为0.30m，正方形金属边框的四角向正方形金属层槽内延伸金属条，所述金属条的宽度为0.15mm，延伸金属条底边距槽底的长度Y为2.85mm。

[0024] 进一步的实施例中，所述介质板介电常数是2.2，长度为6.8mm，宽度为6.8mm，厚度为1.6mm。

[0025] 进一步的实施例中，所述金属十字、空心金属过孔、金属边框的材料为PEC，厚度均为0.035mm。

[0026] 进一步的实施例中，所述透射阵列单元的个数为361。

[0027] 进一步的实施例中，透射系数大于-3.5dB。

[0028] 进一步的实施例中，相邻两个透射阵列单元的间距为0.55个波长。

[0029] 实施例1

[0030] 如图1所示，本实施例的超表面透镜由361个透射阵列单元以0.55个波长为间距按照方形栅格分布周期排列而成。本发明实施例的新型透镜均按照调节金属十字尺寸的方式对不同位置的电磁波进行相位补偿，使透镜单元沿横轴方向和纵轴方向的透射相位范围为360°。

[0031] 如图2所示，本实施例的透射阵列单元包括：正方形金属层1、空心金属过孔2、正方形金属边框3、介质板4。所述正方形金属边框与正方形金属层同心设置，且正方形金属边框套在正方形金属层外围。所述正方形金属层的厚度T为0.035mm，边长L可随相位补偿需求而改变，正方形金属层沿对角线开槽，且槽深度距中心S/2，S取值为0.79mm，槽的宽度W为0.30m。正方形金属边框的四边距离中心的距离A为3.15mm，宽度B为0.15mm，正方形金属边框的四角向正方形金属层槽内延伸金属条，所述金属条的宽度为0.15mm，延伸金属条底边距槽底的长度Y为2.85mm。空心金属过孔距离中心的距离为正方形金属层边长L除以4.1，外直径为0.32mm，内直径为0.30mm。

[0032] 本实施例的透射阵列单元的介质板介电常数是2.2，介质板长度为6.8mm，介质板宽度为6.8mm，介质板厚度为1.6mm。该介质板采用的材料是Rogers 5880。

[0033] 如图3所示，本发明实施例的新型透镜在24GHz时候，在正方形金属层边长L从1.81mm到2.39mm变化时，透射系数均大于-3.5dB。

[0034] 如图4所示，本发明实施例的新型透镜在24GHz时候，在正方形金属层边长L从1.81mm到2.39mm变化时，透射相位覆盖360°。

[0035] 对不同频率进行单点扫描，本实施例的超表面透镜在24GHz-25GHz范围内均满足透射系数大于0.707,且透射相位覆盖360度，带宽为1GHz。

[0036] 发射一个平行波激励检测本实施例的超表面透镜的聚焦现象，如图5所示，给出了XOY平面上24GHz的电场强度分布，显示出该平面的电场强度都集中在一个点上。

[0037] 图6给出了在24GHz处沿YOZ平面的电场强度分布，同样也是集中在一个点上。

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