一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法与流程

本发明涉及微波工程技术和超表面，特别涉及一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法。

背景技术：

1、龙伯透镜是一种广泛应用的聚焦装置，其一般由相对介电常数渐变的不均匀介质构成，可以将不同方向的入射电磁波聚焦到球体的另一端；因其具有优异的宽角度聚焦性能，其广泛应用于宽角度扫描天线、微波成像与探测和后向散射增强等领域。

2、相关技术中，龙伯透镜的体积相对庞大、结构笨重，并且需要多层折射率渐变的介质层拼接而成，加工流程繁琐和加工成本较高，难以实现平面共形设计。尽管平面龙伯透镜能够减小整个球体的尺寸厚度，但是其聚焦原理还是基于入射电磁波沿着多层介质层的相位累积，其依赖于频率和角域相对固定，在需要灵活改变聚焦性能的场合无法应用。

3、因此，基于上述问题，有必要提供一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法。

技术实现思路

1、为了解决相关技术中龙伯透镜的体积庞大、结构笨重，并且难以实现宽角度聚焦的问题，本发明实施例提供了一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种基于超表面的龙伯透镜，包括多层金属超表面层和多层介质层，所述金属超表面层和所述介质层沿厚度方向依次交替设置，且所述金属超表面层的层数大于所述介质层的层数；

3、每个金属超表面层均由若干个金属薄层单元组成，每个金属薄层单元表面上均刻蚀有左右对称的双开口谐振环。

4、优选地，所述金属超表面层为金属铜或金属铁，所述介质层为空气介质层。

5、优选地，所述金属超表面层的层数为3层，所述介质层的层数为2层。

6、优选地，所述金属超表面层的厚度为0.05～0.07mm，所述介质层的厚度为5～7mm，所述金属超表面层和所述介质层的总厚度不超过工作频率对应的波长。

7、优选地，所述双开口谐振环包括左右对称设置的两段弧形孔，两段弧形孔的圆心相同，且以圆心为中心呈对称分布。

8、优选地，所述弧形孔的弧度为150～180°。

9、优选地，每个金属薄层单元通过透射相位梯度渐变结构周期排列组成所述金属超表面层，其中，透射相位分布满足以下分布：

10、

11、式中，φ(i)表示坐标位置(i)上的金属薄层单元结构的透射相位，f表示龙伯透镜垂直入射的聚焦位置，x(i)表示金属薄层单元在坐标系下(i，0)的实际坐标大小。

12、优选地，所述金属薄层单元的排列周期为10～11.5mm。

13、第二方面，本发明实施例还提供了一种上述第一方面任一项所述的基于超表面的龙伯透镜的制备方法，该制备方法包括：

14、在每个金属薄层单元上刻蚀左右对称的双开口谐振环，得到金属超表面层；

15、将多个金属超表面层和多个介质层依次交替设置，并保证所述金属超表面位于所述介质层的上下表面，得到所述龙伯透镜。

16、本发明与现有技术相比，至少存在如下有益效果：

17、本发明实施例提供了一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法，通过将龙伯透镜设计为多层沿厚度方向依次交替的金属超表面层和介质层，并通过在金属超表面层上刻蚀左右对称的双开口谐振环，如此，不仅能够实现对平面波入射的聚焦，而且在大角度斜入射下该透镜也能够对电磁波进行高效率聚焦；因此，本发明实施例中的龙伯透镜具有结构简单、厚度较薄易于平面共形的优点，并且其宽角度聚焦位置随入射角度一一对应，具有聚焦角度范围广的优势。

技术特征：

1.一种基于超表面的龙伯透镜，其特征在于，包括多层金属超表面层和多层介质层，所述金属超表面层和所述介质层沿厚度方向依次交替设置，且所述金属超表面层的层数大于所述介质层的层数；

2.根据权利要求1所述龙伯透镜，其特征在于，所述金属超表面层为金属铜或金属铁，所述介质层为空气介质层。

3.根据权利要求1所述龙伯透镜，其特征在于，所述金属超表面层的层数为3层，所述介质层的层数为2层。

4.根据权利要求1所述龙伯透镜，其特征在于，所述金属超表面层的厚度为0.05～0.07mm，所述介质层的厚度为5～7mm，所述金属超表面层和所述介质层的总厚度不超过工作频率对应的波长。

5.根据权利要求1所述龙伯透镜，其特征在于，所述双开口谐振环包括左右对称设置的两段弧形孔，两段弧形孔的圆心相同，且以圆心为中心呈对称分布。

6.根据权利要求5所述龙伯透镜，其特征在于，所述弧形孔的弧度为150～180°。

7.根据权利要求1所述龙伯透镜，其特征在于，每个金属薄层单元通过透射相位梯度渐变结构周期排列组成所述金属超表面层，其中，透射相位分布满足以下分布：

8.根据权利要求7所述龙伯透镜，其特征在于，所述金属薄层单元的排列周期为10～11.5mm。

9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的基于超表面的龙伯透镜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

技术总结
本发明实施例涉及微波工程技术和超表面技术领域，特别涉及一种基于超表面的龙伯透镜及其制备方法。其中，该龙伯透镜包括多层金属超表面层和多层介质层，所述金属超表面层和所述介质层沿厚度方向依次交替设置，且所述金属超表面层的层数大于所述介质层的层数；每个金属超表面层均由若干个金属薄层单元组成，每个金属薄层单元表面上均刻蚀有左右对称的双开口谐振环。本方案，不仅能够实现对平面波入射的聚焦，而且在大角度斜入射下该透镜也能够对电磁波进行高效率聚焦；因此，本发明实施例中的龙伯透镜具有结构简单、厚度较薄易于平面共形的优点，并且其宽角度聚焦位置随入射角度一一对应，具有聚焦角度范围广的优势。

技术研发人员：刘永强,李胜,郭杰,李粮生,殷红成
受保护的技术使用者：北京环境特性研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15