[发明专利]一种基于人工电磁表面的纯介质电磁透镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于人工电磁表面的纯介质电磁透镜，属于光电技术领域。

背景技术

电磁透镜广泛应用于发射和接收无线电波或光波等系统。传统电磁透镜一般都是带有弧形曲面的纯介质透镜，其原理是连续相位变化，最常见的如凸透镜、凹透镜等。其缺点是体积大，又厚又重。

2000年之后，人工电磁材料(metamaterial)理论的发展导致若干又薄又轻的电磁透镜的出现。目前，这类最新的电磁透镜装置基本都用所谓的超材料进行构建。例如，申请号为201110080646.1，名称为“一种具有电磁波汇聚功能的透镜天线”的专利文件，公开了一种超材料电磁透镜，由超材料功能板组合阵列而成，该装置中间包括多个折射率呈带状分布的超材料带，所述各个超材料带内的折射率朝相同方向连续变化。申请号为201110113906.0，名称为“一种电磁透镜天线”的专利文件，公开了一种电磁透镜天线，包括具有汇聚功能的各向异性的超材料面板和位于超材料面板的焦点上的辐射单元，超材料面板由超材料片层堆叠而成，每个超材料片层包括基板和附着在基板上的多个人造微结构，各区域内的折射率相对于中心轴径向对称且随着半径的增加逐渐变小同时变化率逐渐增大，各区域交界处的折射率非连续变化。申请号为201110061811.9，名称为“一种超材料电磁透镜天线”的专利文件，公开了一种超材料电磁透镜天线，包括馈源以及超材料，所述超材料的中部各单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ之乘积为最高值，其它各单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ乘积值从小到大呈渐变趋势。申请号为2009102135055，名称为“一种透镜”的专利文件，包括装有馈源的金属喇叭和透镜，透镜嵌置于金属喇叭直径较大的一端；透镜包括芯板和平面介质板，其中一个平面上有若干芯板非谐振基本单元；每个芯板非谐振基本单元内印刷有一个芯板金属方框。

在检索到的上述文献中，电磁透镜都是在介质基板上印刷各种金属结构，构建折射率变化的超材料，这类透镜的工作原理基于电磁谐振理论，因此工作带宽较窄，损耗较大，且超材料结构的设计要求很高的电磁理论基础，难以技术推广。

现有电磁透镜的制造技术主要是利用“连续相位变化”原理来实现操控电磁波，其传统实现方案是通过介质透镜的弧形曲面进行相位连续变化，其优点是技术成熟、加工方便，工作频带宽，而缺点是又厚又重，尤其在低频段，其体积和重量难以接受；最新的超材料实现方案是通过特别设计的金属谐振结构来改变超材料的折射率，继而实现相位连续变化，其优点是可将透镜做轻薄，其缺点是工作带宽窄，损耗相对较大，且对设计要求很高。三百多年前惠更斯就指出，电磁波传播过程中其波阵面上每一点都可以看作为是二次波源，其后的波阵面的形状是由所有二次波源辐射的电磁波相干叠加得到的，后人称之为惠更斯原理。这个原理直接解释了传统介质光透镜通过曲面来改变光路的相位延迟，从而实现透镜出射表面各个点至焦点的相位差为2π的整数倍，进而实现了焦点处电磁波相干加强，而空间其他各点相干抵消。而近两年人工电磁表面(metasurface)的研究发现，如果在平板透镜表面用金属丝人为制造若干亚波长(一般小于二分之一个波长)结构，使其完成二次波源的相位突变，而不是借助曲面来实现相位连续变化，同样能够实现电磁波在焦点处的相干叠加。但是，这类亚波长结构的设计、加工都很困难，而且工作频带窄，最致命的是对入射电磁波的极化方向有严格要求，而且损耗很大，很难应用于实际。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于人工电磁表面的纯介质电磁透镜的设计方法，该方法能够以纯介质和简单的加工方法来制备电磁透镜。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于人工电磁表面的纯介质电磁透镜的设计方法，该方法所述的透镜体积小，总厚度不到一个介质内波长(<λ/n)，工作频带宽，易于设计和实现，加工成本低。

方法流程

步骤1：根据透镜所用介质材料及工作电磁波的波长求得相位变化与介质厚度的关系。