[发明专利]零折射率透镜及其构成的微波功率合成系统

说明书

技术领域

本发明涉及微波技术，特别涉及一种零折射率透镜，以及由零折射率透镜构成的微波功率合成系统。

背景技术

零折射率透镜，或称为零折射率透镜天线(本发明中有时也简称为透镜或天线)，作为新型人工电磁材料中一种发展成熟的技术已经获得了广泛的应用。人工电磁材料是将一些具有特定几何形状的亚波长尺寸的基本单元周期性或非周期性地排列所构成的人工材料。众所周知，所有材料的电磁特性均由介电常数ε和磁导率μ来描述。与自然界中的物质不同之处在于，自然界里物质的介电常数ε和磁导率μ都是大于零的，而人工电磁材料通过改变单元材料、单元结构及单元在空间的分布，可以使人工电磁材料等效的介电常数ε和磁导率μ根据需要变为负值或者等于零。由于人工电磁材料具有的这些特别的性质，一些奇异的物理效应在人工电磁材料的应用中得以实现。比如，负折射效应，逆多普勒效应和完美透镜效应等。零折射率透镜就是人工电磁材料在当折射率为零时的特殊应用。

近年来，关于零折射率透镜用于提高天线增益的研究已经取得了很多的成果。将微波辐射源置于零折射率透镜结构中，电场在结构内可以实现均匀的分布，在向外辐射过程中，微波能量能够集中在较窄的波束范围内。近年来在微波频域内关于周期结构良好的穿透性的研究，已经能够将辐射源置于零折射率透镜结构外，同样能够实现利用零折射率透镜提高天线的增益。到目前为止，已经有不少基于零折射率透镜的微带天线得到实现。这些零折射率透镜天线基本上都是由双层介质基板刻蚀而成的周期结构组成(参见申请号：201110123736.4，公开日：2011.12.14的中国专利)。这类透镜天线工作于高功率微波条件下时，在介质上损耗的能量不能忽略，而且，由于损耗的能量转换为热能的原因，介质板的介电常数将发生改变，使透镜失去零折射率的特性。

随着微波技术的快速发展，定向能武器、粒子加速器、无线能量传输和电子对抗等领域对高功率微波(HPM)源的需求日趋强烈。输出功率大小是微波源的一个重要的技术参数。一方面虽然现在诸如相对论磁控管、相对论返波管和速调管等微波源的单个输出功率得到了很大提高，很多都已达到了GW级别，但是由于受腔体内击穿电压等物理机制和工艺结构限制，单个微波源都存在输出功率上限，依然很难满足大功率电子系统的要求。利用单个微波源驱动的天线也很难在目标区域提供足够大的功率密度，达到预期的目标。利用多个功率源组成的阵列在空间中进行功率合成是一种能大幅提高系统发射功率，提高作用和探测距离的有效手段。因此，微波功率合成对雷达、测控、军事对抗、能量传输和通信领域等有重要意义。

为了达到高效率的功率合成，现有的微波功率合成技术大都需要采用诸如锁相环、腔控、同步锁相等方式来保证各路合成信号参数的一致性，即“相干功率合成”。相干功率合成的最基本、最核心也是最困难的技术问题是如何严格精确控制各路信号的相位。为了达到相干功率合成的要求，人们发展了“链式功率合成”、“注入式锁相”等技术，高功率移相器、锁相环等器件也被广泛应用。然而，随着功率的进一步提高和合成单元数目的进一步的增加，这些技术本身大都遇到了造价昂贵、馈电系统繁琐、系统结构过于复杂和难以实现的问题。当各路合成信号不能在一定时间内满足单元相位差恒定(很多情况下要求相位差为零)时，我们称之为“非相干功率合成”。非相干功率合成由于不要求对各路信号参数进行严格精确控制，可以摆脱传统相干功率合成对各个单元频率、相位和幅度一致性的严格要求，节省移相器、锁相环等相关相位控制器件，实现合成系统的精简，从而降低成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种零折射率透镜，以及由零折射率透镜构成的微波功率合成系统，利用零折射率透镜提高微波合成功率。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，零折射率透镜，包括平行配置的2个金属板，2个金属板上密布孔洞，孔洞大小及2个金属板之间的间距基本满足零折射率要求。

本发明采用2块平行的多孔金属板构成零折射率透镜，试验中发现，当2个金属板的结构参数(主要是孔洞大小及2个金属板之间的间距)满足微波谐振频率要求时，透镜的折射率为零，穿过透镜的微波传输方向与金属板垂直。这时本发明的零折射率透镜在微波入射方向上满足与空气之间的阻抗匹配，在微波的传输方向上介电常数为零。孔洞分布密度与微波反射系数S有关，孔洞分布密度越高(孔洞间距越小)，微波反射系数S越小，微波损耗越小。反之，微波反射系数S越大，微波损耗越大。考虑到金属板有一定厚度以及孔洞加工误差等因数，当2个金属板的结构参数接近谐振频率时，我们称之为基本满足零折射率要求。