一种多波段微波超表面透镜及其设计方法与流程

1.本发明实施例涉及超表面技术领域，特别涉及一种多波段微波超表面透镜及其设计方法。


背景技术：

2.透镜是一种常用的光学和微波器件，传统的透镜大多是基于空间电磁波的光程累积来实现入射波的聚焦，因此存在器件体积庞大、加工复杂和难以集成化等不足。此外，传统透镜是基于介质材料的折射效应或结构的衍射效应，因此透镜的色散往往随材料参数固定，难以实现聚焦透镜色散的灵活和任意调控。而对于宽带和多波段的透镜需求则往往通过不同材料和形状透镜的堆叠及组合，同时也使得器件设计复杂和加工困难，限制了其在小型化和集成化光学系统的潜在应用。
3.超表面是一种平面型的、亚波长的金属或介质结构，通过周期或准周期单元阵列排布，实现对入射电磁波的灵活调控。近年来，随着超材料和超表面技术的不断发展，超透镜技术也得到了学术界和工业界的广泛关注。超透镜是通过二维的相位梯度渐变的超构材料排布而成的一种聚焦平面，通过人工材料和结构的灵活排布，超透镜不仅能实现优于传统透镜的高性能聚焦，比如宽带消色差、超高数值孔径聚焦和大视场扫描等，而且其平面的低剖面结构设计能大大降低传统透镜的厚度和重量，因此对于发展新一代的小型化透镜器件和系统具有十分重要的研究价值。
4.然而，超透镜一般是基于人工电磁材料和结构的谐振效应，其工作频带往往较窄，尤其对于消色差场合，而对于跨波段的超透镜则需要通过不同形状和材料的垂直堆叠实现，比如avayu等人将三层金属超表面叠加成功同时实现红、绿和蓝光的聚焦，但是不同层之间的耦合及共振效应使得多波段透镜的整体透射率和效率很低，约为5.8％～8.7％，限制了其进一步应用。而对于更低的太赫兹及微波，现有的跨波段工作超透镜考虑到高透射效率和聚焦效率不能直接采用全介质设计实现，并且已有的多波段微波透镜是通过三维介质材料组合实现，体积庞大，加工和组装困难。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种多波段微波超表面透镜及其设计方法，该多波段微波超表面透镜具有小型化、低剖面和轻材质的特点，能够同时实现跨波段的高效率聚焦和大数值孔径聚焦。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种多波段微波超表面透镜，包括：至少两个金属层，每个所述金属层包括至少两个区域；所述至少两个区域由中心圆区和至少一个圆环区组成；
7.每个所述金属层由阵列形式排布的超表面单元结构组成，且不同区域的超表面单元结构和阵列形式均不同。
8.可选地，每个所述区域的工作波长的频段不同；所述多波段微波超表面透镜的工
作波长的频段数与所述区域的个数相等。
9.可选地，所述金属层中的超表面单元结构相对于所述多波段微波超表面透镜的中心呈中心对称分布。
10.可选地，所述中心圆区和至少一个所述圆环区由所述多波段微波超表面透镜的圆心沿着半径的方向依次分布。
11.可选地，所述多波段微波超表面透镜在不同区域的焦距由圆心沿着半径方向呈递增分布。
12.可选地，所述金属层中每个所述超表面单元结构的高度相同。
13.可选地，所述多波段微波超表面透镜的厚度小于该多波段微波超表面透镜的工作波长。
14.可选地，所述超表面单元结构为单开口谐振环单元、双开口谐振环单元。
15.可选地，当所述中心圆区的工作波长的频段低于所述圆环区的工作波长的频段时，所述中心圆区的单开口谐振环单元的半径大于所述圆环区的单开口谐振环单元的半径。
16.可选地，所述多波段微波超表面透镜的工作频段包括2～100ghz。
17.可选地，相邻所述区域的工作波长的频段之差大于4ghz。
18.可选地，每个所述区域r中超表面单元结构的阵列形式φ、该区域的工作波长λ和所述多波段微波超表面透镜在该区域的焦距f满足如下关系式：
[0019][0020]
第二方面，本发明实施例还提供了一种多波段微波超表面透镜的设计方法，用于设计上述第一方面任一所述的多波段微波超表面透镜，包括如下步骤：
[0021]
获取待设计的多波段微波超表面透镜的工作频段；
[0022]
根据所述工作频段的个数，将所述多波段微波超表面透镜中的金属层划分为至少两个区域；
[0023]
根据所述工作频段和所述至少两个区域，确定所述金属层中各区域的超表面单元结构及该超表面单元结构的阵列形式。
[0024]
本发明实施例提供了一种多波段微波超表面透镜及其设计方法，采用采用超薄的不同形状、大小、阵列排布的金属超表面单元结构，对金属层进行分区域相位独立调控的思路，基于不同区域的超表面单元结构和阵列形式均不同的分界面相位突变设计能同时高效率工作在不同波段的多波段微波超表面透镜。如此，本发明通过合理设计结构参数和优化排列布局使得多波段超透镜具有小型化、低剖面和轻材质的特点，且能同时具有高聚焦效率和大数值孔径，解决了现有多波段微波透镜体积庞大、加工和组装困难，也聚焦效率和数值孔径较低的问题。
附图说明
[0025]
图1是本发明一实施例提供的一种双波段微波超表面透镜的聚焦示意图；
[0026]
图2是本发明一实施例提供的一种双波段微波超表面透镜的金属层的区域分布示意图；
[0027]
图3是本发明一实施例提供的一种双波段微波超表面透镜的金属层中超表面单元结构的平面排布图；
[0028]
图4是本发明一实施例提供的另一种多波段微波超表面透镜的金属层的区域分布示意图；
[0029]
图5是本发明一实施例提供的另一种双波段微波超表面透镜的金属层中超表面单元结构的平面排布图；
[0030]
图6是本发明一实施例提供的一种双波段微波超表面透镜在11ghz下聚焦的x-z焦斑图；
[0031]
图7是本发明一实施例提供的一种双波段微波超表面透镜在16ghz下聚焦的x-z焦斑图；
[0032]
图8是本发明一实施例提供的一种双波段微波超表面透镜在11ghz下聚焦的x-y焦斑图；
[0033]
图9是本发明一实施例提供的一种双波段微波超表面透镜在16ghz下聚焦的x-y焦斑图；
[0034]
图10是本发明一实施例提供的一种双波段微波超表面透镜在f1聚焦的截面分布；
[0035]
图11是本发明一实施例提供的一种双波段微波超表面透镜在f2聚焦的截面分布；
[0036]
图12是本发明提供的一种单波段低频超透镜的聚焦示意图；
[0037]
图13是本发明提供的一种单波段高频超透镜的聚焦示意图；
[0038]
图14是本发明提供的基于图12所示的单波段低频超透镜在11ghz下聚焦的x-z焦斑图；
[0039]
图15是本发明提供的基于图13所示的单波段低频超透镜在16ghz下聚焦的x-z焦斑图；
[0040]
图16是本发明提供的基于图12所示的单波段低频超透镜在11ghz下聚焦的x-y焦斑图；
[0041]
图17是本发明提供的基于图13所示的单波段低频超透镜在16ghz下聚焦的x-y焦斑图。
具体实施方式
[0042]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
本发明实施例提供了一种多波段微波超表面透镜，包括：至少两个金属层，每个金属层包括至少两个区域；至少两个区域由中心圆区和至少一个圆环区组成；
[0044]
每个金属层由阵列形式排布的超表面单元结构组成，且不同区域的超表面单元结构和阵列形式均不同。
[0045]
本发明实施例中，多波段微波超表面透镜由至少两个金属层组成，通过对金属层进行区域划分，得到中心圆区和至少一个圆环区，对不同区域采用不同形状、大小、阵列形式排布的金属超表面单元结构进行相位独立设计，从而基于分界面相位突变实现同时高效
率工作在不同波段。如此，本发明通过合理设计结构参数和优化排列布局使得多波段超透镜具有小型化、低剖面和轻材质的特点，且能同时具有高聚焦效率和大数值孔径，解决了现有多波段微波透镜体积庞大、结构设计复杂、加工和组装困难，也聚焦效率和数值孔径较低的问题。
[0046]
可选地，每个区域的工作波长的频段不同；多波段微波超表面透镜的工作波长的频段数与区域的个数相等。
[0047]
在本发明中，由于设计了不同区域的超表面单元结构和阵列形式均不同，因此对应每个区域的工作波长的频段不同，使得多波段微波超表面透镜能同时在多个频段下工作。
[0048]
在一个优选的实施方式中，如图1至图3所示，该实施例提供了一种双波段微波超表面透镜，能同时工作在x波段和ku波段。该双波段微波超表面透镜由两个金属层组成，每个金属层包括两个区域：中心圆区ⅰ和圆环区ⅱ，中心圆区ⅰ即图2中的区域ⅰ，圆环区ⅱ即图2中的区域ⅱ；如图3所示，两个区域的超表面单元结构和阵列形式均不同，其中区域ⅰ使双波段微波超表面透镜能工作在x波段，区域ⅱ使双波段微波超表面透镜能工作在ku波段。
[0049]
可选地，金属层中的超表面单元结构相对于多波段微波超表面透镜的中心呈中心对称分布。
[0050]
可选地，中心圆区和至少一个圆环区由多波段微波超表面透镜的圆心沿着半径的方向依次分布。
[0051]
具体地，根据多波段微波超表面透镜的工作波长的频率、金属层的圆心和预设半径，对金属层进行划分得到中心圆区和一个或多个依次环套的环体，如图2和图4所示，图2对应得到双波段微波超表面透镜，图4对应得到四波段微波超表面透镜。需要说明的是，可以根据实际应用和需求对划分的区域的面积进行调整。
[0052]
可选地，多波段微波超表面透镜在不同区域的焦距由圆心沿着半径方向呈递增分布。
[0053]
在本发明中，多波段微波超表面透镜在不同区域的焦距也可以由圆心沿着半径方向呈递减分布，但是为了确保入射波透过多波段微波超表面透镜后不会相互影响，避免增加耦合，因此优选不同区域的焦距由圆心沿着半径方向呈递增分布，如此可以确保入射波透过该超表面透镜后不会相互影响(如图1的聚焦示意图所示)，聚焦效率更高。
[0054]
可选地，金属层中每个超表面单元结构的高度相同。
[0055]
可选地，多波段微波超表面透镜的厚度小于该多波段微波超表面透镜的工作波长。
[0056]
可选地，超表面单元结构为单开口谐振环单元、双开口谐振环单元。
[0057]
可选地，当中心圆区的工作波长的频段低于圆环区的工作波长的频段时，中心圆区的单开口谐振环单元的半径大于圆环区的单开口谐振环单元的半径。
[0058]
对于单波段的低频超透镜，一般采用结构尺寸较大的多层周期金属超表 面设计，而对于单波段的高频超透镜则选择结构尺寸较小的多层周期金属超 表面设计实现。因此在本发明中，同样选择低频段区域的超表面单元结构的 结构尺寸大于高频段区域的超表面单元结构的结构尺寸，如图3和图5所示； 其中，图3中区域ⅰ对应低频段区域，区域ⅱ对应高频段区域；图5中区域
ⅰꢀ
对应高频段区域，区域ⅱ对应低频段区域。
[0059]
需要说明的是，还需要通过对单开口谐振环单元的周期、半径、开口角度以及开口圆环宽度等参数进行具体设计，以满足其在不同频段下的聚焦。
[0060]
可选地，多波段微波超表面透镜的工作频段包括2～100ghz(例如，工作频段可以为l波段、s波段、c波段、x波段、ku波段、k波段、ka波段、u波段、v波段或w波段)。
[0061]
可选地，相邻区域的工作波长的频段之差大于4ghz。
[0062]
可选地，每个区域r中超表面单元结构的阵列形式φ、该区域的工作波长λ和多波段微波超表面透镜在该区域的焦距f满足如下关系式：
[0063][0064]
现有技术中，为了实现跨波段工作还会采用平面堆叠以实现能同时满足多个单一相位表达式(即上述关系式)分布的多波段微波超表面透镜。然而平面堆叠相同区域则会增加层数之间的耦合，因此电磁波透过率会显著下降，而通过本发明的平面分区域拼接设计则能够减小不同频段的耦合效应，能够同时实现多波段的高效率聚焦，同时进一步减小多波段微波超表面透镜的厚度。
[0065]
接前例所述，如图3所示，区域ⅰ中的超表面单元结构的结构尺寸大于区域ⅱ中的超表面单元结构的结构尺寸，如此基于上述关系式分别得到两个区域内超表面单元结构的相位分布φ(即阵列形式)，使得区域ⅰ能工作在x 波段，区域ⅱ能工作在ku波段。同时，如图1所示，x波段的入射波长λ1经双波段微波超表面透镜的区域ⅰ聚焦在f1，ku波段的入射波长λ2经双波段微波超表面透镜的区域ⅱ聚焦在f2。
[0066]
具体地，对于工作在x波段的双波段微波超表面透镜来说，超表面单元结构的阵列形式φ1、区域ⅰ的工作波长λ1和焦距f1满足：
[0067][0068]
对于工作在ku波段的双波段微波超表面透镜来说，超表面单元结构的阵列形式φ2、区域ⅱ的工作波长λ2和焦距f2满足：
[0069][0070]
在一个优选的实施方式中，如图1至3所示，以入射波频率为11ghz 和16ghz为例，且双波段微波超表面透镜在区域ⅰ的工作波长的频段为11ghz，在区域ⅱ的工作波长的频段为16ghz，经其聚焦得到的焦斑图如图6 至图9所示，其中图6和图8分别是该透镜工作在11ghz得到的x-z焦斑图和x-y焦斑图，其聚焦位置f1＝45mm；图7和图9分别是该透镜工作在16ghz 得到的x-z焦斑图和x-y焦斑图，其聚焦位置f2＝87mm。其聚焦效率也通过图8和图9焦平面能量与各自频段入射到双波段微波超表面透镜表面的能量之比得到，分别为52％和42％。更进一步地，图10和图11还给出了双波段微波超表面透镜在低频段f1＝45mm和高频段f2＝87mm聚焦斑点的能量半全宽度fwhm，分别为0.53λ1和0.88λ2，因此其数值孔径na在11ghz和16ghz 分别为0.94和0.57，具有高效率和大数值孔径的优势。同时，经实验证实该双波段微波超表面透镜的厚度t与工作在11ghz的单一超透镜厚度t1和工作在16ghz的单一超透镜厚度t2均相同，为0.1λ1和0.16λ2(即 t＝t1＝t2＝0.1λ1＝0.16λ2)，具体可参见图1、图12和图13的聚焦示意图，相比于传统的介质型超透镜也具有深亚波长、低剖面、轻材质和
易平面共形设计的优势。
[0071]
与如图14至图17所示的采用现有技术的单波段超透镜得到的焦斑图相比，由于本发明的双波段微波超表面透镜设计的两种超表面单元结构均对单极化入射，因此其得到的焦斑图(图6至图9)在低频与高频的聚焦面基本与在单波段下的焦平面位置吻合，进一步证实本发明制备的双波段微波超表面透镜具有高聚焦效率。
[0072]
本发明实施例还提供了一种多波段微波超表面透镜的设计方法，用于设计上述第一方面任一的多波段微波超表面透镜，包括如下步骤：
[0073]
获取待设计的多波段微波超表面透镜的工作频段；
[0074]
根据工作频段的个数，将多波段微波超表面透镜中的金属层划分为至少两个区域；
[0075]
根据工作频段和至少两个区域，确定金属层中各区域的超表面单元结构及该超表面单元结构的阵列形式。
[0076]
在一些具体的实施方式中，将多波段微波超表面透镜中的金属层划分为至少两个区域，包括：根据金属层的圆心和预设半径，将金属层划分为中心圆区和至少一个圆环区。
[0077]
在一些具体的实施方式中，个区域的工作波长的频段不同；多波段微波超表面透镜的工作波长的频段数与区域的个数相等。
[0078]
在一些具体的实施方式中，每个区域r中超表面单元结构的阵列形式φ、该区域的工作波长λ和多波段微波超表面透镜在该区域的焦距f满足如下关系式：
[0079][0080]
在一些具体的实施方式中，金属层中的超表面单元结构相对于多波段微波超表面透镜的中心呈中心对称分布。
[0081]
在一些具体的实施方式中，多波段微波超表面透镜在不同区域的焦距由圆心沿着半径方向呈递增分布。
[0082]
在一些具体的实施方式中，金属层中每个超表面单元结构的高度相同。
[0083]
在一些具体的实施方式中，超表面单元结构为单开口谐振环单元、双开口谐振环单元。
[0084]
在一些具体的实施方式中，当中心圆区的工作波长的频段低于圆环区的工作波长的频段时，中心圆区的单开口谐振环单元的半径大于圆环区的单开口谐振环单元的半径。
[0085]
在一些具体的实施方式中，相邻区域的工作波长的频段之差大于4ghz。
[0086]
本发明实施例还提供了一种计算设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本发明任一实施例中的一种多波段微波超表面透镜的设计方法。
[0087]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例中的一种多波段微波超表面透镜的设计方法。
[0088]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非
排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
[0089]
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。
[0090]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。