超表面透镜的制作方法

本发明属于平面透镜技术领域，尤其涉及一种超表面透镜。

背景技术：

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、体积小和厚度超薄等特性，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。

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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出了一种超表面透镜，解决现有超表面透镜难以在高效率的方式下覆盖360°相移范围的问题。

实现本发明的技术解决方案为：一种超表面透镜，包括若干个按照形栅格分布周期性排列而成的透镜单元，所述透镜单元的相位范围覆盖0°～360°，所述透镜单元的排布满足其透射波相位将电磁波聚焦到一个点。

优选地，所述透镜单元的透射波相位满足：

其中，为透射波相位，x′m和y′n是透镜的单元坐标，f是平行波沿着z轴方向的聚焦长度，而f为设计频率，c为光速。

优选地，所述透镜单元包括单元结构e_i和单元结构e_ii，所述单元结构e_i包括两个金属十字形、两个金属十字环ccr、一个空心金属过孔以及介质板，所述金属十字形和金属十字环ccr均分别镀在介质板上下两个表面，且金属十字环套在金属十字形外围，空心金属过孔设置在金属十字形中间透过介质板将上下两层金属十字形相连，所述单元结构e_ii包括两个金属十字形、四个空心金属过孔以及介质板，金属十字形分别镀在介质板上下两个表面，四个空心金属过孔设置在十字形每条框的中间且透过介质板将上下两层金属十字形相连。

优选地，所述金属十字形、金属十字环ccr的材料均为pec，厚度为0.035mm。

优选地，所述介质板的材料为f4bm，厚度为3mm,边长为16mm。

优选地，所述单元结构e_i和单元结构e_ii均为中心对称图形。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过两种结构的的相位操纵范围的连接可以在满足传输系数大于-3db的条件下实现360°的相移范围，使透镜聚焦效果极佳；2)本发明剖面低，厚度薄，质量轻，有效提高了透镜对入射光的聚焦效率

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明的超表面透镜结构示意图。

图2是本发明单元结构e_i的示意图，其中，图2(a)为主视图，图2(b)为左视图。

图3是本发明单元结构e_ii的示意图，其中，图3(a)为主视图，图3(b)为左视图。

图4是本发明单元结构e_i在11ghz时透射系数曲线，其中，图4(a)为随金属十字架边长l2变化的幅度图；图4(b)为随金属十字架边长l2变化的相位图。

图5是本发明单元结构e_ii在11ghz时透射系数曲线，其中，图5(a)为随金属十字架边长l3变化的幅度图；图5(b)为随金属十字架边长l3变化的相位图。

图6是本发明的单元结构e_i和单元结构e_ii实现的相位连接覆盖范围曲线。

图7为本发明的超表面透镜在11ghz处沿着xoz平面和yoz平面的交线处的归一化功率密度分布图。

具体实施方式

一种超表面透镜，包括若干个按照形栅格分布周期性排列而成的透镜单元，所述透镜单元的相位范围覆盖0°～360°，所述透镜单元的排布满足其透射波相位将电磁波聚焦到一个点。

进一步的实施例中，所述透镜单元的透射波相位满足：

其中，为透射波相位，x′m和y′n是透镜的单元坐标，f是平行波沿着z轴方向的聚焦长度，而f为设计频率，c为光速。

进一步的实施例中，所述透镜单元包括单元结构e_i和单元结构e_ii，所述单元结构e_i包括两个金属十字形、两个金属十字环ccr、一个空心金属过孔以及介质板，所述金属十字形和金属十字环ccr均分别镀在介质板上下两个表面，且金属十字环套在金属十字形外围，空心金属过孔设置在金属十字形中间透过介质板将上下两层金属十字形相连，所述单元结构e_ii包括两个金属十字形、四个空心金属过孔以及介质板，金属十字形分别镀在介质板上下两个表面，四个空心金属过孔设置在十字形每条框的中间且透过介质板将上下两层金属十字形相连。

进一步的实施例中，所述金属十字形、金属十字环ccr的材料均为pec，厚度为0.035mm。

进一步的实施例中，所述介质板的材料为f4bm，厚度为3mm,边长为16mm。

进一步的实施例中，所述单元结构e_i和单元结构e_ii均为中心对称图形。

本发明按照调单元结构e_i和单元结构e_ii金属十字形结构尺寸的方式对不同位置的电磁波进行相位补偿,保证透射阵列单元使电磁波全透射到单元的另一侧。具体实现方式为：首先根据公式：计算出相应位置的相位补偿，建立相位补偿与在透镜中的位置关系；然后，通过仿真得到满足传输相位大于360°所对应的尺寸范围，建立相位补偿和尺寸的关系，得到相应的查找表；最后通过查找表的方式，对照第一步的相位补偿将相应位置所需的结构尺寸对应起来，使透射阵列沿横轴方向和纵轴方向的透射相位范围为360°。

本发明设计了由两个相似的单元结构e_i、e_ii组成的元件组，所述透镜单元均通过调节e_i、e_ii金属十字的尺寸,对电磁波进行相位补偿。在满足传输系数大于-3db的条件下，两个元件的相位操纵范围已经能很好的连接起来，并实现了360°的相移范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的超表面透镜由293个透镜单元按照形栅格分布周期性排列而成。本实施例的超表面透镜均按照调节结构单元结构e_i和单元结构e_ii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e_i、e_ii总的覆盖相位范围为360°。

如图2所示，本实施例中，单元结构e_i包括两个金属十字形、两个金属十字环ccr、一个空心金属过孔以及介质板，所述金属十字形和金属十字环ccr均分别镀在介质板上下两个表面，且金属十字环套在金属十字形外围，空心金属过孔设置在金属十字形中间透过介质板将上下两层金属十字形相连。金属十字形的为宽为w2＝2.5mm；金属十字环(ccr)的内环长度为l1＝8mm，宽度为w1＝3.6mm，内环与外环之间的距离为t＝0.3mm；空心金属过孔的直径为d＝0.3mm。

如图3所示，本实施例中，包括两个金属十字形、四个空心金属过孔以及介质板，金属十字形分别镀在介质板上下两个表面，四个空心金属过孔设置在十字形每条框的中间且透过介质板将上下两层金属十字形相连。金属十字形的宽度为w3＝3mm；空心金属过孔的直径为d＝0.3mm，过孔之间的距离为r＝2mm。

本实施例中，单元结构e_i和单元结构e_ii的介质板介电常数都是2.94，介质板长度p＝16mm，介质板宽度p＝16mm，介质板厚度h＝3mm。该介质板采用的材料是f4bm。

如图4所示，本实施例中，单元结构e_i在11ghz时候，其金属十字边长l2从2.5mm到7.65mm步进0.05mm变化时，幅度传输系数均大于-3db，传输相位仅从-34°变化到-124°，相位转向范围仅覆盖了90°。

因而，本实施例中为了实现完整的相位覆盖，设计了单元结构e_ii，单元结构e_ii在单元结构e_i的基础上去掉了金属十字环(ccr)，如图5所示，本实施例中，单元结构e_ii在11ghz时候，其金属十字边长l3从9.6mm到15.7mm步进0.05mm变化时，幅度传输系数均大于-3db，传输相位从-125°变化到-398°，相位转向范围覆盖了273°。

如图6所示，在都满足传输系数大于-3db的情况下，单元结构e_i和单元结构e_ii的相位转向范围连接良好，单元组提供总数相移范围从-34°到-398°，其覆盖范围大于360°。

为了检测设计的超表面透镜的聚焦功能，进行了仿真实验，发射一个平行波激励检测该透镜的聚焦现象，发现10ghz时在xoz平面的功率密度都集中在一块区域了。

如图7所示，聚焦透镜结构在11ghz时xoz平面与yoz平面相交处的功率谱密度分布归一化在约z＝150mm的距离处具有峰值。