折射率可控超表面的制作方法

本发明涉及超材料领域，具体地，涉及一种折射率可控超表面。

背景技术

随着超材料技术的发展，超材料被越来越多的应用于控制等效折射率，从而控制电磁波的传播方向。在很多微波透镜中需要渐变折射率分布(例如平面龙伯透镜，麦克斯韦鱼眼透镜，伊顿透镜等)。相对于传统的使用多层不同折射率的材料来实现折射率渐变，超材料为这类透镜的实现提供了新的实现方式。

现有的可实现折射率渐变的方式主要有：多层不同折射率的材料；非均匀打孔的介质板；平行板波导中插入厚度变化的介质板，上下平行板间距均匀变化的平行板波导(吴锡东等人2007年在“ieee天线与传播”期刊上发表的文章“基于圆柱龙伯透镜设计的扇形波束毫米波天线”对可实现折射率可变的波导结构进行了详细的总结)；以上方法均一定程度上实现了折射率根据需求可变，但对材料或者加工精度提出了比较高的要求，限制了其精度和应用范围。为了提高折射率控制精度和降低加工难度，超表面实现折射率可控被提出。

超表面实现折射率渐变的基本原理是通过改变电小单元的几何尺寸来实现局部等效折射率的变化，超表面控制折射率的常用结构是在平行板波导中插入超表面层改变边界条件使得平行板波导的等效折射率可控。这种超表面结构可实现折射率的精确控制，因为超表面的电小单元可以做得很小。但是，这种通过改变边界条件的方式通常工作于tm波或者te波模式，因此，工作带宽受到一定的限制。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种折射率可控超表面。

根据本发明提供的折射率可控超表面，包含第一介质层与多孔平行板波导；所述多孔平行板波导包含多孔金属层与第二介质层；

第一介质层、多孔金属层、第二介质层在厚度延伸方向上依次布置；

所述多孔金属层包含带孔基本单元，多个带孔基本单元一体成型或紧固连接。

优选地，所述基本单元上设置有圆形开孔；当孔大小变化时，保持相邻两个带孔基本单元上圆形开孔之间构成的孔间距相等；

所述圆形开孔内部空间形成第一传播单元，带孔基本单元除圆形开孔以外的实体部分形成第二传播单元。

优选地，所述第一介质层包含第一介质板或第一空气层。

优选地，所述第二介质层包含第二介质板或第二空气层。

优选地，所述圆形开孔的内径小于等于被折射电磁波的十分之一波长。

优选地，所述第一介质层的介电常数大于等于第二介质层的介电常数。

优选地，第一介质层的介电常数大于等于1，小于等于10.2。

优选地，所述多孔平行板波导还包含地板层；第一介质层、多孔金属层、第二介质层、地板层依次布置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提出的控制折射率的方式结构简单，使用标准的印刷电路工艺即可加工制造，适用于批量生产。

2、本发明提出的结构可实现折射率从最小值a到最大值b的渐变，a取决于第二介质层介电常数，a最小可取1，可变范围b-a随着上下介质层的介电常数之差、多孔平行板波导高度的不同而略有区别，可通过改变以上参数实现灵活的控制折射率可变范围。

3、本发明提出的超表面可实现更小步进值折射率的渐变，常见的超表面使用的基本单元大小不变而改变基本单元内部的尺寸实现不同大小的折射率；而本发明带孔基本单元的尺寸随着孔的大小变化；因此，

4、当用于拟合折射率快速变化的场合时，采用带孔基本单元尺寸可变的单元可使得折射率步进值更小；因此，

5、使用本发明提出的带孔基本单元尺寸可变的单元可更好的拟合出所需要的连续变化的折射率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为第二介质层为空气层时，折射率可控超表面结构示意图；

图2为折射率可控超表面横截面及其电场分布示意图；

图3为平行板波导上层金属打孔示意图；图中rh为圆形开孔半径，g为孔间距；

图4为第一介质层介电常数从1到10.2变化时，孔大小对应等效折射率的变化；图中re为折射率实部，neff为等效折射率，εr为第一介质层介电常数。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、图2所示，本发明提供的折射率可控超表面，包含第一介质层1与多孔平行板波导5；所述多孔平行板波导5包含多孔金属层2、第二介质层3以及地板层4；第一介质层1、多孔金属层2、第二介质层3、地板层4在厚度延伸方向上依次布置；所述多孔金属层2包含带孔基本单元6，多个带孔基本单元6一体成型或紧固连接。

所述带孔基本单元6上设置有圆形开孔；相邻两个带孔基本单元6上圆形开孔之间构成的孔间距相等，如图3所式，圆形开孔内部空间形成第一传播单元(对应单元a)，带孔基本单元6除圆形开孔以外的实体部分形成第二传播单元(对应单元b)。因为圆孔具有旋转对称性，对任意方向的电磁波具有同等延迟作用，所以多孔平行板波导5的上表面，也就是多孔金属层2上均匀开圆孔。当所有孔大小一致，均匀排列时可将多孔平行板波导5认为是一个具有等效折射率为neff的均匀材料。当需要梯度折射率分布时，改变圆孔的大小而保持孔与孔之间的间距恒定，由此改变带孔基本单元6的填充率来改变带孔基本单元6的等效折射率。值得注意的是，这里圆孔大小变化时，孔间距保持不变使得带孔基本单元6的尺寸随圆孔的尺寸变化。圆孔的尺寸越大时，填充率越大，等效折射率越大。具体到实际的梯度折射率设计中，可根据所需要的折射率选择圆孔的尺寸，由此获得所需要的梯度折射率，实现对电磁波的调控。

本发明应用于针对需要渐变折射率的场合，比如微波透镜、能量聚焦等。通过在多孔平行板波导5的上表面开孔改变电流的路径提高等效折射率，通过在多孔平行板波导5上放置第一介质层1使得等效折射率进一步提高，同时降低加工难度，利用标准的印刷电路板工艺即可。实际应用中，以下任一个或任多个部位采用标准pcb工艺进行加工：第一介质板与多孔平行板波导5之间；多孔平行板波导5的整体结构。

优选地，所述第一介质层1包含第一介质板或第一空气层。优选地，所述第二介质层3包含第二介质板或第二空气层。如图2所示，电场大部分在多孔平行板波导5内部传播，但有一部分进入到第一介质板。因此，等效介电常数进一步提高。这里以第二介质层3设为空气层为例，进行验证通过仿真该超表面的s参数计算出不同圆孔大小对应的折射率。图4给出了第一介质层1介电常数分别为1，2.2，3.48，6.15和10.2时等效折射率随圆孔半径的变化。从图中可以看到：1、对同种第一介质板，多孔金属层2圆孔半径越大，等效折射率越大；2、对不同第一介质层1，多孔金属层2圆孔大小相同时，第一介质层1介电常数越高，等效折射率越大；3、第一介质层1介电常数越高，可达到的最大等效折射率越大。如图4，第一介质层1为空气层时，可达到的最大等效折射率约为1.4；第一介质层1介电常数为6.15时，可达到的最大等效折射率约为2。

工作原理：

如图1、图2所示，在多孔平行板波导5的上表面开孔，其中孔直径小于或近似于十分之一波长，开孔可以控制多孔平行板波导5表面电流分布，使得电磁场在多孔平行板波导5内传播的路径长度增加。其次，在多孔平行板波导5上表面放置第一介质层1可以使得在孔大小不变的情况下进一步提高等效折射率。图2给出了垂直于电磁波传播方向的电场分布图，从中可以看到尽管大部分电场仍束缚在多孔平行板波导5内，但是有一部分电场进入了第一介质层1，而第一介质层1介电常数一般情况下比第二介质层3介电常数更高。因此，折射率被进一步提高。同时，在多孔平行板波导5上表面放置第一介质板可以降低加工难度。使用标准印制板技术即可加工本发明提出的折射率可控超表面。从图4的孔半径对应的折射率分布可以看到，仅通过控制孔半径就可以方便的控制等效折射率。并且通过改变第一介质层1的介电常数可以控制折射率随孔半径变化的速度，也可以控制最大可达到的折射率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。