一种宽带高效率惠更斯超表面透镜

本发明涉及一种宽带高效率惠更斯超表面透镜，属于人工电磁材料领域。

背景技术：

1、电磁超表面是一种新型二维超材料结构，具有低剖面、电磁波波前调控、体积小、质量轻、成本低等诸多优点，被广泛应用于透镜天线设计、轨道角动量表面、光学仪器制作、电磁隐身材料以及5g通信等领域。

2、为了实现任意电磁波波前调制效果，超表面需要实现360°相位变化并接近1的透射幅度，传统波前调控期间都是基于空间电磁波传播的空间相位积累，需要多层结构实现相位360°覆盖，因此这种方式限制了微波频段相关期间的小型化。目前的超表面结构大多仅考虑金属结构本身的电谐振效果，并没有考虑金属之间的磁谐振作用，因此单纯电谐振的超表面实现相位360°覆盖需要多层介质或者较厚的空气间隙，增加了表面的剖面高度。惠更斯超表面通过所设计的亚波长尺寸单元结构可以任意调控电磁波的幅度、相位、极化等，不需要复杂的馈电网络，设计简单。在超表面的带宽方面，目前研究的惠更斯超表面大多带宽比较窄，这是由于惠更斯谐振中的电谐振与磁谐振频点比较接近导致的。

3、可以看出，目前大多数研究的超表面单元工作带宽较窄，剖面厚，为实现360°相位覆盖需要引入多层结构或较厚空气间隙，这些方法都使得单元结构设计复杂、加工难度大且性能不稳定。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种宽带高效率惠更斯超表面透镜。

2、为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

3、一种宽带高效率惠更斯超表面透镜，包括若干个按照方阵形式周期性排列而成的透镜单元，所述方阵中不同位置上的透镜单元通过参数调节得到所需的相移量，所述透镜单元覆盖0°～360°的相位调控范围，所述透镜单元排布的方阵其透射波相位满足将电磁波聚焦的作用。

4、所述的一种宽带高效率惠更斯超表面透镜，其特征在于，所述透镜单元的透射波相位满足：

5、

6、其中k0为自由空间中的相移常数，f为焦距，(i,j)为透镜单元的坐标，li,j为坐标(i,j)处的透镜单元与焦点间的直线距离，为坐标(i,j)处的透镜单元与中心处的透镜单元相位之间的相差。

7、所述透镜单元，从上至下依次包括：第一金属层、介质基板层、第二金属层，所述透镜单元具有高透射性能和360°的透射相位调控，并具有较宽的工作带宽。

8、所述透镜单元的第一金属层(1)位于介质基板(2)的上表面，第二金属层(3)位于介质基板(2)的下表面，所述第一金属层(1)包括最外层c形圆环(101)、次外层c形圆环(102)、中间层间断分布的4个圆弧(103)和内层去除十字缝隙结构的圆形贴片(104)，第二金属层3包括最外层c形圆环(301)、次外层c形圆环(302)、中间层间断分布的4个圆弧(303)和内层去除十字缝隙结构的圆形贴片(304)。第一金属层c形圆环和第二金属环c形圆环成中心对称。第一金属层中间层4个圆弧和内层去除十字缝隙结构的圆形贴片与第二金属层中间层4个圆弧和内层去除十字缝隙结构的圆形贴片成镜像对称。

9、作为优选方式，介质基板层上下表面为正方形，边长为p＝8.6mm，厚度为h＝2mm，介质基板的板材选用罗杰斯4003c，相对介电常数为3.0。

10、作为优选方式，最外层c形圆环内径为r＝3.66mm，宽度为wa＝0.55mm。

11、作为优选方式，次外层c形圆环内径为r1＝3.06mm，宽度为wb＝0.3mm。

12、作为优选方式，中间层间断分布的4个圆弧内径为r2＝2.66mm，宽度为wc＝0.2mm，圆弧圆心角为α＝120°，4个圆弧呈中心对称分布。

13、作为优选方式，内层圆盘半径为r3＝2.16mm，中心十字缝隙长度为a＝2.2mm，宽度为wd＝0.2mm。

14、作为优选方式，第一金属层与第二金属层厚度为h1＝0.018mm。

15、作为优选方式，c形圆环、圆盘和圆弧的内径和半径用于调整磁谐振和电谐振的谐振频率。

16、本发明的原理：

17、无源式惠更斯超表面在理论上是可以实现无源无耗的超表面结构。超表面结构引起的感应电流和磁流的散射场能够通过与入射波相互作用产生输出场，其单元结构由电谐振部分和磁谐振部分组成，分别对电场和磁场进行调控，从而实现对电磁波的自由调控。惠更斯超表面其电磁特性可以用电表面导纳yes和磁表面阻抗zms来描述。根据推导超表面上的电导纳与反射系数、透射系数的关系为:

18、

19、磁阻抗与反射系数、透射系数的关系为:

20、

21、其中η是自由空间波阻抗，右下角标s代表这一函数的表面分布，右下角标e表示该项与惠更斯表面的表面电流相关，而右下角标m表示该项与惠更斯表面的表面磁流(或环形电流)相关。

22、本发明通过第一金属层与第二金属层中上下翻转对称的c形开口圆环形成反向对称的上下表面电流，合成三维空间中的环形电流，形成一定的磁谐振；第一金属层与第二金属层中带有十字缝隙的金属圆盘形成流向方向一致的上下表面电流，形成电谐振模式。在圆盘与c形圆环之间引入的间断分布的4个圆弧一方面可以减弱内层电谐振和外层磁谐振之间不需要的耦合，使得能够分别对电谐振与磁谐振进行独立调控，另一方面间断分布的4个圆弧可以贡献部分磁谐振响应，使得工作带宽进一步拓宽，透射性能得到很好改善。

23、本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)所述透镜剖面低，有效提高了透镜单元对入射波的聚焦效率；2)所述透镜单元通过调整c形圆环、圆盘和圆弧的内径和半径可以调整磁谐振和电谐振的谐振频率，在满足传输系数大于-2db的条件下实现360°的相位调控范围；3)所述透镜单元利用电流的对称模式与反对称模式产生多个电谐振与磁谐振模式，拓展带宽，改善透射性能；4)所述透镜单元在较大的带宽内保持高增益特性。

24、下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

技术特征：

1.一种宽带高效率惠更斯超表面透镜，包括若干个按照方阵形式周期性排列而成的透镜单元，所述方阵中不同位置上的透镜单元通过参数调节得到所需的相移量，所述透镜单元覆盖0°～360°的相位调控范围，所述透镜单元排布的方阵其透射波相位满足将电磁波聚焦的作用；

2.根据权利要求1所述的一种宽带高透射性惠更斯超表面透镜，其特征在于，所述透镜单元的透射波相位满足：

3.根据权利要求1所述的一种宽带高效率惠更斯超表面透镜单元，其特征在于：所述第一金属层(1)的最外层c形圆环(101)和次外层c形圆环(102)与所述第二金属层(3)的的最外层c形圆环(301)和次外层c形圆环(302)成中心对称。

4.根据权利要求1所述的一种宽带高效率高透射性惠更斯超表面透镜单元，其特征在于：所述第一金属层(1)的中间层4个圆弧(103)和内层去除十字缝隙结构的圆形贴片(104)与所述第二金属层(3)的中间层4个圆弧(303)和内层去除十字缝隙结构的圆形贴片(304)成镜像对称。

5.根据权利要求1或3所述的一种宽带高效率惠更斯超表面透镜单元，其特征在于：最外层c形圆环内径为r1，宽度为wa，开口大小为120°，次外层c形圆环内径为r2，宽度为wb，开口大小为120°。

6.根据权利要求1或4所述的一种宽带高效率惠更斯超表面透镜单元，其特征在于：中间层间断分布的4个圆弧内径为r2，宽度为wc，圆弧圆心角为α，4个圆弧呈中心对称分布。

7.根据权利要求1或4所述的一种宽带高效率惠更斯超表面透镜单元，其特征在于：内层圆盘半径为r3，中心十字缝隙长度为a，宽度为wd。

8.根据权利要求5或6或7或8所述的一种宽带高效率惠更斯超表面透镜单元，其特征在于：r、r1、r2、r3的值满足r＞r1＞r2＞r3。

9.根据权利要求1-9任一项所述的一种宽带高效率惠更斯超表面透镜单元，其特征在于：介质基板层上下表面为正方形，边长为p，满足p≥2*(r+wa)，厚度为h，介质基板的板材选用罗杰斯4003c，相对介电常数为3.0。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种宽带高效率惠更斯超表面单元，其特征在于：第一金属层与第二金属层厚度为h1。

技术总结本发明提供一种宽带高效率惠更斯超表面透镜，包括若干个按照方阵形式排列而成的透镜单元，所述透镜单元具有高透射性能和360°的透射相位调控，其结构从上至下依次包括：第一金属层、介质基板层、第二金属层；第一金属层位于介质基板的上表面，包括最外层C形圆环、次外层C形圆环、中间层间断分布的4个圆弧和内层去除十字缝隙结构的圆形贴片。第二金属层位于介质基板的下表面，包括与第一、二金属层外层成中心对称的C形圆环和与第一金属层中间层与内层结构成镜像对称的中间层与内层结构；本发明所述惠更斯超表面透镜解决了传统平面口径剖面高、需要多层结构实现全周期相位补偿的缺点，并具有高增益、高效率和较宽的工作带宽。技术研发人员：杨德强,陈爽爽,王晓慧,潘锦,刘思豪,刘贤峰,连川翔受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20