[发明专利]利用修正等效介质理论实现二维多层龙伯透镜离散化的方法

说明书

本发明公开了一种利用修正等效介质理论实现二维多层龙伯透镜离散化的方法。该方法通过修正径向的等效媒质参数，借助纯介质结构实现了二维龙伯透镜的离散化工作。相比于经典等效媒质理论，该方法对等效媒质的占空比参数进行修正，解决了经典模型对该类结构不适用的问题；相比于传统连续型龙伯透镜，该方法所设计的龙伯透镜不仅具有平面波激励、超宽带、全向工作等优势，同时实现了波程缩减、损耗低等辐射性能的突破，以及重量轻、成本低、便于安装等工程性能的提升。本发明所采用的多层3D打印纯介质材料，通过在其上进行打孔设计，完成相应等效介质电磁参数的实现，在点源入射的情况下，达到平面波的有效辐射。

技术领域

本发明涉及光学器件(G02F)、天线(H05B6/72)领域，具体是利用修正等效介质理论实现二维多层龙伯透镜离散化的方法。

背景技术

龙伯透镜是光学、电磁领域的重要研究内容，它利用径向非均匀的电磁参数设计实现点源到平面波辐射的转换，具有宽频带、全向工作等优势，被广泛应用在光学成像、天线定向辐射及扫描、电磁波束自回溯等研究中。在长期的相关研究中，龙伯透镜的设计一直存在连续电磁参数实现困难、透镜损耗大、可设计性差等问题。在现有的研究中，利用连续分层的方法虽然可以降低电磁参数的实现难度，但透镜的加工难度较高，损耗较大；基于超材料理论，利用印刷微带板工艺完成龙伯透镜设计，其在降低电磁参数实现及加工难度、减小损耗等性能上都有所提高，但该类透镜的工作带宽很窄，不能实现宽频工作。此外在理论方面，龙伯透镜的研究主要基于光学变分计算及经典等效介质理论，然而这些理论都存在严格的适用背景，并不适用于透镜离散化的电磁模型。这些问题直接限制了龙伯透镜的理论及其应用的发展，长期制约着相关电磁及光学器件的研究。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种利用修正等效介质理论实现二维多层龙伯透镜离散化的方法，克服了经典等效介质理论不适用透镜离散化的限制，所实现的离散化龙伯透镜在保留传统龙伯透镜优势的前提下，获得了波程缩减、损耗降低等辐射性能的突破，以及重量轻、成本低、便于安装等工程性能的提升。

本发明提供了一种二维多层离散化龙伯透镜，包括辐射馈源和离散化龙伯透镜，其中辐射馈源位于透镜z方向的中心面上，且在透镜外侧；所述离散化龙伯透镜由多层离散的纯介质圆环柱组成，环柱之间由空气进行隔离。

进一步改进，所述辐射馈源具有类二维特点，其在XOY面为全向辐射；馈源位于透镜最外层介质圆柱环外侧，具体为离散化之前的连续龙伯透镜的外径位置。

进一步改进，所述离散化龙伯透镜由多层离散的纯介质圆环柱组成，环柱之间由空气进行隔离，单层空气与介质组合在其半径方向形成的波程差小于单倍工作波长，以确保出射波不出现幅度零点。

进一步改进，所述纯介质圆环柱选用各向同性、非磁性、弱色散的介质材料，其中选择各向同性、非磁性材料是出于等效介电常数的计算需要，而弱色散是出于超宽带工作的需要；每层的介电常数根据修正等效介质理论计算得出，具体由透镜所选材料及透镜离散度共同确定。

进一步改进，所述介质圆环柱上都设计有均匀分布的方形过孔结构，用以实现各层相应的电磁介电特性。

进一步改进，所述二维多层离散化龙伯透镜，利用3D打印技术进行制备，用以简化透镜的制备流程。

本发明还提供了一种利用修正等效介质理论实现二维多层龙伯透镜离散化的方法，包括以下步骤：

1)根据经典龙伯透镜公式计算待离散化的连续分层龙伯透镜的参数，包括透镜外形尺寸、辐射馈源位置、各层折射率；进而得出非磁性状态下，每层介质相应的介电常数值；

2)对连续分层龙伯透镜进行离散化，即将连续分层透镜的每层介质转换为空气和介质的组合，介质层的径向位置位于原连续分层的径向中心，每层介质的介电常数利用修正等效介质理论计算得出；