一种高聚焦超表面透镜

1.本发明属于超表面领域，尤其涉及一种高聚焦超表面透镜。


背景技术：

2.天线作为发射和接收电磁波的器件，是无线通信和雷达系统中的核心设备。为了满足通信系统对天线高增益、低旁瓣的要求，一般通过调整发射天线端口表面场的相位分布，实现辐射波的聚焦定向辐射，从而降低辐射波的空间扩散损失，进一步提高辐射波的能量。可以通过将透镜加载在天线辐射方向来实现。透镜可将球面波转换为平面波，实现天线的高增益高定向性设计；透镜也可将入射的平面波汇聚到一点，实现电场聚焦的功能。超表面一类二维结构易于制造、尺寸小、损耗低，现常被用于微波透镜。然而，为实现任意相位、振幅，超表面会有多层结构，纵向尺寸较大；或有非周期结构、加载有源器件，对加工精度要求较高，加工难度大。为了降低透镜厚度，设计易于加工的超表面透镜，必须优化设计透镜单元结构，达到利用单层超表面透镜实现电场聚焦的目的。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高聚焦超表面透镜，本发明结构简单、易于加工，且厚度较薄。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种高聚焦超表面透镜，包括介质基板和多个透镜单元，其中，介质基板的形状为方形，介质基板的正反面均设置有所述透镜单元，介质基板正面以及反面的透镜单元均呈方阵的形式排列；
6.所述透镜单元包括透镜单元ea和透镜单元eb，对于介质基板的正面：介质基板四角的位置均设置透镜单元eb；其余的透镜单元eb设置于介质基板的中部，这些透镜单元eb位于一格点多边形的边上的格点以及该格点多边形内的各格点上，该格点多边形为一凸格点多边形，该格点多边形的边数不少于四，该格点多边形中，任意邻边长度的差值不大于相邻格点之间的长度；透镜单元ea包围在中部的透镜单元eb的周围；
7.介质基板反面透镜单元的设置形式与介质基板正面透镜单元的设置形式相同，介质基板反面的透镜单元ea与介质基板正面的透镜单元ea一一正对，介质基板反面的透镜单元eb与介质基板正面的透镜单元eb一一正对。
8.优选的，所有透镜单元ea的透射相位和透镜单元eb的透射相位等值反向。
9.优选的，透镜单元ea包括第一实心十字和空心十字环，第一实心十字同心设置于空心十字环的内部且对应边平行。
10.优选的，透镜单元eb包括第二实心十字。
11.优选的，透镜单元均为铜膜，铜膜的厚度为0.035mm。
12.优选的，介质基板采用f4bm天线板。
13.优选的，所述f4bm天线板的介电常数为4.3，损耗角正切为0.0025，厚度为2.8mm。
14.优选的，介质基板正面以及反面的透镜单元均呈11
×
11方阵的形式排列。
15.本发明具有如下有益效果：
16.本发明高聚焦超表面透镜通过透镜单元ea和透镜单元eb这两种结构类似的单层透射单元排列组成。根据两种透镜单元的透射相位排列其在透镜上的分布，实现相位控制，将透射平面波聚焦在焦点上，将透射球面波转换成平面波的目的。这种透镜制作简单，结构紧凑，厚度薄，解决了聚焦超表面透镜纵向尺寸大和加工精度要求高的问题。
附图说明
17.图1是本发明实施例中透镜单元ea的结构示意图；
18.图2是本发明实施例中透镜单元eb的结构示意图；
19.图3是本发明实施例中透镜单元排布示意图；
20.图4是本发明实施例的高聚焦超表面透镜在平面波垂直入射下的z轴上电场能量密度仿真结果图；
21.图5是本发明实施例的高聚焦超表面透镜在平面波垂直入射下焦点处电场强度仿真结果图；
22.图6是本发明的实施例中，在天线远场近似平面波垂直入射下焦点处电场强度测试结果图；
23.图7是本发明的实施例中，焦点处放置同频段天线的s参数仿真与测试结果对比图；
24.图8是本发明的实施例中，焦点处放置同频段天线的增益仿真与测试结果对比图；
25.图9是本发明的实施例中，焦点处放置同频段天线的yoz平面远场方向性的仿真与测试结果对比图；
26.图10是本发明的实施例中，焦点处放置同频段天线的xoz平面远场方向性的仿真与测试结果对比图。
27.图中，1-透镜单元ea，1-1-空心十字环，1-2-第一实心十字，2-透镜单元eb，2-1-第二实心十字，3-介质基板。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
29.参照图1-图3，本发明高聚焦超表面透镜，包括介质基板3和多个透镜单元，其中，介质基板3的形状为方形，介质基板3的正反面均设置有所述透镜单元，介质基板3正面以及反面的透镜单元均呈方阵的形式排列；将介质基板3正面以及反面进行等分，等分为单个单元为正方形的网格，则每个格点的位置对应设置一个透镜单元，透镜单元的中心与格点的中心重合；
30.透镜单元包括透镜单元ea1和透镜单元eb2，如图3所示，对于介质基板3的正面：介质基板3四角的位置的格点均设置透镜单元eb2；其余的透镜单元eb2设置于介质基板3的中部，这些透镜单元eb2位于一格点多边形的边上的格点以及该格点多边形内的各格点上，该格点多边形为一凸格点多边形，该格点多边形的边数不少于四，该格点多边形中，任意邻边长度的差值不大于相邻格点之间的长度；透镜单元ea1包围在中部的透镜单元eb2的周围；
介质基板3反面透镜单元的设置形式与介质基板3正面透镜单元的设置形式相同，介质基板3反面的透镜单元ea1与介质基板3正面的透镜单元ea1一一正对，介质基板3反面的透镜单元eb2与介质基板3正面的透镜单元eb2一一正对。所有透镜单元ea1的透射相位和透镜单元eb2的透射相位等值反向。如图1所示，透镜单元ea1包括第一实心十字1-2和空心十字环1-1，第一实心十字1-2同心设置于空心十字环1-1的内部且对应边平行，空心十字环1-1的每条臂长相同，第一实心十字1-2的每条臂长相同。透镜单元eb2包括第二实心十字2-1，第二实心十字2-1的每条臂长相同。
31.实施例
32.本实施例高聚焦超表面透镜是一种工作在10ghz的超薄聚焦超表面透镜。介质基板采用f4bm，f4bm的介电常数为4.3，损耗角正切为0.0025，厚度为2.8mm。介质基板正反两面印刷相同的十字形金属线，整个单元为单层结构。
33.透镜单元包括透镜单元ea1、透镜单元eb2两种单元。透镜单元ea1、透镜单元eb2的边长均为p。介质基板的正反面印刷相同的透镜单元ea1金属图案，透镜单元ea1的结构包括空心十字环1-1和第一实心十字1-2。空心十字环1-1的宽度为t，环臂长为r，臂宽为w；空心十字环1-1内部的实心十字1-2的臂长为r1，臂宽为w1。介质基板的正反面印刷相同的透镜单元eb2金属图案，透镜单元eb2包括第二实心十字2-1。第二实心十字2-1臂长为r2，臂宽为w2。
34.本实施例中，共含有121个透镜单元，这121个单元按11行11列排列组成，介质基板的边长为154mm。透镜单元ea有56个，主要分布在透镜的边缘，透镜单元eb有65个，分布在透镜的中心位置和四角，中心位置的透镜单元eb位移一十二边形的格点多边形边上的格点以及该格点多边形内的各格点上。透镜单元ea和透镜单元eb的金属图案印刷在154mm
×
154mm的一块完整介质基板上。
35.本实施例的高聚焦超表面透镜采用双面印制的超表面透镜。透镜正反面印制相同金属图案。对于透镜单元ea，透射系数幅值和相位由空心十字环1-1的臂长r和第一实心十字的臂长r1决定。对于透镜单元eb，透射系数幅值和相位由第二实心十字的臂长r2决定。透射单元ea和透射单元eb透射系数幅值的峰值频点随r、r1和r2的增大而降低。本实施例选定的这两种单元的透射系数幅值峰值在10ghz，且在10ghz附近变化平缓，带宽较宽。透射系数幅值均大于0.85。单元保持高透射系数，保证了透镜较高的透射能力，保持透镜较高的透射效率。
36.透射单元ea和透射单元eb的实心十字形图案的长度r1、r2，宽度w1、w2决定10ghz透射相位的值。透射单元ea的透射相位为+14
°
，透射单元eb单元的透射相位为-14
°
，平面波透射本实施例透镜，透镜中心的透射电磁波的偏转方向与边缘的透射电磁波的偏转方向相反。叠加后电磁波汇聚在径向上距离透镜表面4λ的焦点上。
37.本实施例高聚焦超表面透镜的介质基板为正方形，边长154mm，厚度2.8mm，实际加工中选用的材料为相对介电常数为4.3的f4bm材料，损耗角正切为0.0025。金属部分是覆铜实现的，顶层和底层铜厚0.035mm。其余结构的具体尺寸如表1所示：
38.表1
[0039][0040][0041]
本实施例超表面透镜的单元排布方式为11行11列，由透射单元eb组成的中心区域面积尽可能大，则焦点处的电场强度最强。
[0042]
将一中心频率为10ghz的天线放置于本实施例透镜的焦点处，天线发射的球面波透射本发明透镜，出射波为平面波。同时起到提高增益，收窄主瓣的作用。
[0043]
本实施例所设计的超表面透镜的中心频率为10ghz。图4为此透镜在平面波垂直入射下的z轴上电场能量密度仿真结果图。以透镜前表面中心为原点，电场能量密度在115.2mm(4λ)处有一峰值，与不放置透镜的平面波激励相比，焦点处能量密度提高11.62db。这与理论预测相吻合。
[0044]
图5为此透镜在平面波垂直入射下焦点处电场强度仿真结果图。在焦点处设电场探针，电场强度在10ghz有一峰值，比无透镜平面波激励时电场强度提高11.65db，说明透镜工作频点为10ghz，实现了10ghz处的聚焦功能。
[0045]
图6为此透镜在天线远场近似平面波垂直入射下焦点处电场强度测试结果图。测试时将透镜放在天线的远场(300mm，10λ)处，用天线远场的辐射波近似平面波，探针在z轴上，位于距离天线420mm处，探针上10ghz的电场强度和不加透镜的电场强度相比，峰值提高16.97db，表明透镜对平面波有较强的汇聚作用。
[0046]
图7为此透镜焦点处放置同频段天线的s参数仿真与测试结果对比图。仿真结果表明，透镜天线在9.65-10.7ghz回波损耗小于-10db，测试结果表明，透镜天线在9.55-10.4ghz回波损耗小于-10db，均覆盖了10ghz。
[0047]
图8为此透镜焦点处放置同频段天线的增益仿真与测试结果对比图。透镜天线仿真的增益结果峰值在9.75ghz，为17.8dbi，比单天线增益提高8.8db。透镜天线测试的增益结果峰值在9.75ghz，为14.4db，比单天线增益提高5.4db，与仿真结果相差3.4db。经过分析，造成误差较大的原因是透镜实物的实际损耗较大，因此导致增益下降。
[0048]
图9为在此透镜焦点处放置同频段天线的yoz面(e面)的归一化远场方向图。图10为xoz面(h面)的归一化远场方向图。单天线的e面仿真方向图主瓣宽度为50度，h面的仿真方向图主瓣宽度为84度，透镜天线e面和h面主瓣宽度均下降为11
°
。和仿真结果相比，单天线的测试方向图主瓣更窄，有较高的旁瓣；透镜天线的测试方向图结果主瓣为笔形，与仿真结果一致。表明此透镜对球面波有高度汇聚作用。
[0049]
从上述方案可以看出，本发明的高聚焦超表面透镜是一种工作于x波段的超薄聚
焦超表面透镜，厚度仅2.8mm，且仅需两种单元。通过设计透镜单元，优化排列透镜单元分布，使透镜能够将透射平面波汇聚于距离透镜4λ处的焦点，将同频段天线放置于其焦点处，透镜将天线增益提高9db。具有尺寸小，厚度薄，稳定性高，易于加工等优点。