一種各向異性的魚眼-龍伯超表面透鏡的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種各向異性的魚眼-龍伯超表面透鏡，包括介質(zhì)襯底以及設(shè)置在介質(zhì)襯底上的、由多個(gè)結(jié)構(gòu)單元周期性行列排布組成的表面金屬結(jié)構(gòu)，所述表面金屬結(jié)構(gòu)成中心對(duì)稱，所述結(jié)構(gòu)單元的槽深從對(duì)稱中心向外周漸變。本實(shí)用新型的超表面透鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳播方向的表面等離激元的單獨(dú)調(diào)控，提高了表面波在應(yīng)用中的集成度，具有更高的靈活性；本實(shí)用新型的透鏡天線制作簡(jiǎn)單、工藝成熟、價(jià)格不高、便于推廣；通過結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括結(jié)構(gòu)單元的長(zhǎng)度和寬度，以及結(jié)構(gòu)單元的槽深）的縮放，本實(shí)用新型可以適用于微波、毫米波和太赫茲波等不同波段。
【專利說明】一種各向異性的魚眼-龍伯超表面透鏡
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及表面波器件，尤其是一種基于新型人工電磁材料的表面等離激元透鏡，該超表面透鏡同時(shí)具有龍伯透鏡和魚眼透鏡的特性。
【背景技術(shù)】
[0002]人工超表面(metasurfaces)由于具有易于加工，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,低剖面以及損耗低的特點(diǎn)，最近收到廣泛關(guān)注。當(dāng)前，技術(shù)人員已經(jīng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用了一系列基于人工超表面的新型器件，比如輻射波和表面波的轉(zhuǎn)化器、表面波天線、基于人工超表面的極化轉(zhuǎn)換器等等。
[0003]但是，這些產(chǎn)品大多數(shù)是單功能的。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]實(shí)用新型目的:本實(shí)用新型要提供一種各向異性的魚眼-龍伯超表面透鏡，使其當(dāng)激發(fā)源沿人工超表面不同的光軸激勵(lì)時(shí)，分別表現(xiàn)為龍伯透鏡和魚眼透鏡，因此至少具有兩種功能，以提高表面波器件在應(yīng)用中的集成度。
[0005]技術(shù)方案:一種超表面透鏡，包括介質(zhì)襯底以及設(shè)置在介質(zhì)襯底上的、由多個(gè)結(jié)構(gòu)單元周期性行列排布組成的表面金屬結(jié)構(gòu)，所述表面金屬結(jié)構(gòu)成中心對(duì)稱，所述結(jié)構(gòu)單元的槽深從對(duì)稱中心向外周漸變。
[0006]所述結(jié)構(gòu)單元包括U型金屬片。所述U型金屬片的槽深從對(duì)稱中心向外周逐漸減小。距離對(duì)稱中心相等的U型金屬片的槽深相等。所述結(jié)構(gòu)單元的槽深從對(duì)稱中心向外周逐漸減小。
[0007]與現(xiàn)有透鏡基于各向同性的特點(diǎn)不同，本實(shí)用新型各向異性的人工超表面透鏡在不同的光軸方向上具有不同的折射率，這就為實(shí)現(xiàn)多功能器件提供了物理基礎(chǔ)。本實(shí)用新型可以沿不同的光軸分別按照基于各向同性材料的方法來設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)的折射率滿足不同的分布，這樣就實(shí)現(xiàn)了多功能器件。
[0008]有益效果:本實(shí)用新型的超表面透鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳播方向的表面等離激元的單獨(dú)調(diào)控，提高了表面波在應(yīng)用中的集成度，具有更高的靈活性；本實(shí)用新型的透鏡天線制作簡(jiǎn)單、工藝成熟、價(jià)格不高、便于推廣；通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的縮放，本實(shí)用新型可以適用于微波、毫米波和太赫茲波等不同波段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2a為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)單元的示意圖，圖2b為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)單元的色散特性示意圖；
[0011]圖3為本實(shí)用新型的不同向的折射率分布與理論值比較示意圖；
[0012]圖4為沿y方向激勵(lì)時(shí)，電場(chǎng)Ex分量在水平面上的仿真分布圖；
[0013]圖5a為沿y方向激勵(lì)時(shí)，電場(chǎng)Ex分量在豎直切面上的仿真分布圖；[0014]圖5b為圖5a中A點(diǎn)的放大示意圖；
[0015]圖6為沿X方向激勵(lì)時(shí)，電場(chǎng)Ey分量在水平面上的仿真分布圖；
[0016]圖7a為沿X方向激勵(lì)時(shí)，電場(chǎng)Ey分量在豎直切面上的仿真分布圖；
[0017]圖7b為圖7a中B點(diǎn)的放大示意圖；
[0018]圖8為沿y方向激勵(lì)時(shí)，電場(chǎng)Ex分量在水平面上的測(cè)試分布圖；
[0019]圖9為沿X方向激勵(lì)時(shí)，電場(chǎng)Ey分量在水平面上的測(cè)試分布圖；
[0020]圖10為本實(shí)用新型雙功能表面波透鏡的實(shí)物圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1和圖2a所示，本實(shí)用新型基于新型人工電磁材料的表面等離激元透鏡主要包括介質(zhì)襯底I和表面金屬結(jié)構(gòu)2。表面金屬結(jié)構(gòu)2由多個(gè)結(jié)構(gòu)單元3周期性行列排布組成。表面金屬結(jié)構(gòu)2成中心對(duì)稱。結(jié)構(gòu)單元主體為U型金屬片，其槽深從對(duì)稱中心向外周逐漸減小，距離對(duì)稱中心相等的U型金屬片的槽深相等。上述結(jié)構(gòu)使得透鏡主體的表面折射率由圓心向外側(cè)漸變分布，與圓心距尚相等的位置折射率相等。
[0022]具體地，U型金屬片被刻蝕于介質(zhì)襯底上；介質(zhì)板為聚四氟乙烯材質(zhì)，介電常數(shù)為
2.2。色散曲線表明透鏡在不同的光軸方向上具有不同的折射率，即所采用的新型人工電磁材料單元是各向異性的(a方向和b方向上的激勵(lì)效果不同)。在該實(shí)施例中，U型金屬片排成偶數(shù)個(gè)行(圖1中的y向)和偶數(shù)個(gè)列(圖1中的X向)，其中，金屬片凹槽的方向與X向或其反向一致。在不同的方向上，U型金屬片的對(duì)稱方式不同:在不同行之間的對(duì)稱關(guān)系上，U型金屬片沿對(duì)稱軸成“背靠背”排列；在不同列之間的對(duì)稱關(guān)系上，U型金屬片沿對(duì)稱軸成“肩并肩”排列。
[0023]圖2b中的色散曲線是由掃描h的值所得，其中h按步長(zhǎng)0.3mm從I增加到3.4mm,對(duì)應(yīng)的曲線按照箭頭所示的方向由內(nèi)向外保護(hù)。這種變化趨勢(shì)表明:通過控制h的大小來控制折射率的大小，可以實(shí)現(xiàn)所需要的折射率分布。
[0024]如圖3所示，通過在不同的位置采用不同槽深h的U型金屬片結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的透鏡在X方向和I方向表現(xiàn)出不同的折射率分布，與理論值的比較顯示其具有良好的吻合度。
[0025]如圖4所示，當(dāng)源從y方向激勵(lì)時(shí)，場(chǎng)圖顯示龍伯透鏡的效果。如圖5a所示，當(dāng)源從y方向激勵(lì)時(shí)，場(chǎng)圖顯示電磁波被束縛在透鏡表面。圖5b進(jìn)一步反映了激勵(lì)方向。
[0026]如圖6所示，當(dāng)源從X方向激勵(lì)時(shí)，場(chǎng)圖顯示魚眼透鏡的效果。如圖7a所示，當(dāng)源從X方向激勵(lì)時(shí)，場(chǎng)圖顯示電磁波被束縛在透鏡表面。圖7b進(jìn)一步反映了激勵(lì)方向。
[0027]如圖8和圖9所示，當(dāng)源分別從y、x方向激勵(lì)時(shí)，場(chǎng)圖與仿真結(jié)果顯示了良好的吻合度。
[0028]如圖10所示，實(shí)物由介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯板和金屬U型凹槽結(jié)構(gòu)組成。
[0029]本實(shí)用新型中的透鏡設(shè)計(jì)在10GHz。在其他實(shí)施例中，根據(jù)工作頻段不同，可采用類似的方法實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)性能的改變，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)包括U型金屬片單元的長(zhǎng)度和寬度，以及U型金屬片的槽深。
[0030]總之，本實(shí)用新型由周期性行列排布的U型金屬片構(gòu)成的超表面透鏡具有各向異性的表面折射率，張量表面折射率的兩個(gè)主軸分量被單獨(dú)設(shè)計(jì):兩個(gè)主軸分別為沿U型金屬槽的深度方向和寬度方向。沿深度方向的分量以透鏡的物理中心為圓心向周側(cè)均勻分布，并具有魚眼透鏡的折射率分布；沿寬度方向的分量以透鏡的物理中心為圓心向周側(cè)均勻分布，并具有龍伯透鏡的折射率分布。因而當(dāng)源放置在透鏡沿金屬槽深度方向的軸線上時(shí)，所設(shè)計(jì)的透鏡具有魚眼透鏡的功能；當(dāng)源放置在透鏡沿金屬槽寬度方向的軸線上時(shí)，所設(shè)計(jì)的透鏡具有龍伯透鏡的功能。在微波段實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳播方向的表面等離激元的單獨(dú)調(diào)控。透鏡天線制作簡(jiǎn)單、工藝成熟、價(jià)格不高、便于推廣；可通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的縮放，適用于微波、毫米波和太赫茲波等不同波段，利用具有各向異性特點(diǎn)的人工超表面實(shí)現(xiàn)了雙功能表面波器件的設(shè)計(jì)。
[0031]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾(改進(jìn)或潤(rùn)飾包括U型金屬片單元的長(zhǎng)度和寬度，U型金屬片的槽深，槽深的漸變規(guī)律等)，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種各向異性的魚眼-龍伯超表面透鏡，其特征在于，包括介質(zhì)襯底(I)以及設(shè)置在介質(zhì)襯底上的、由多個(gè)結(jié)構(gòu)單元(3)周期性行列排布組成的表面金屬結(jié)構(gòu)(2)，所述表面金屬結(jié)構(gòu)(2 )成中心對(duì)稱，所述結(jié)構(gòu)單元的槽深從對(duì)稱中心向外周漸變。
2.如權(quán)利要求1所述的各向異性的魚眼-龍伯超表面透鏡，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)單元包括U型金屬片。
3.如權(quán)利要求2所述的各向異性的魚眼-龍伯超表面透鏡，其特征在于，所述U型金屬片的槽深從對(duì)稱中心向外周逐漸減小。
4.如權(quán)利要求1所述的各向異性的魚眼-龍伯超表面透鏡，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)單元的槽深從對(duì)稱中心向外周逐漸減小。
5.如權(quán)利要求3所述的各向異性的魚眼-龍伯超表面透鏡，其特征在于，距離對(duì)稱中心相等的U型金屬片的槽深相等。
【文檔編號(hào)】H01Q15/02GK203445242SQ201320442293
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月23日
【發(fā)明者】崔鐵軍, 萬向 申請(qǐng)人:東南大學(xué)