纯介质超薄电磁透镜及天线的制作方法

1.本技术涉及电磁透镜技术领域，提出了一种纯介质超薄电磁透镜及天线。


背景技术：

2.电磁透镜广泛应用于发射和接收无线电波或光波等系统。
3.现有的纯介质电磁透镜设计方法为：根据介质材料及电磁波的波长求得相位变化与介质块厚度的关系。然后，根据透镜类型及焦距要求计算出所需的相位突变的分布。最后，根据相位分布要求设计介质块单元来组成透镜。该设计使得透镜总厚度不到一个介质内波长(＜λ0/n，λ0为波长，n为介质材料的折射率)。
4.然而，上述透镜由于介质块的波阻抗与空气的波阻抗不相等，导致部分入射电磁波会在透镜表面反射，交界面处的电磁波反射率较大。


技术实现要素：

5.本技术提供一种纯介质超薄电磁透镜及天线，用以解决介质块的波阻抗与空气的波阻抗不相等，导致部分入射电磁波会在透镜表面反射，交界面处的电磁波反射率较大的问题。
6.第一方面，本技术提供一种纯介质超薄电磁透镜，包括：多个用于传播电磁波的介质块单元；
7.介质块单元按照厚度分布规律依次排列；
8.介质块单元由介质材料制成；
9.每个介质块单元内部设有空气凹槽。
10.在可选的实现方式中，空气凹槽为长方体结构。
11.在可选的实现方式中，空气凹槽的长为0.38λ0，空气凹槽的宽为0.38λ0，空气凹槽的深度为λ
d
/4；
12.其中，λ
d
为电磁波在介质材料内传播时的波长，ε
r
为介质材料的介电常数；
13.其中，λ0为自由空间波长。
14.在可选的实现方式中，介质块单元为长方体结构。
15.在可选的实现方式中，介质块单元的长为λ0/2，介质块单元的宽为λ0/2，介质块单元的厚度取决于电磁波的透射相位；
16.其中，λ0为自由空间波长。
17.在可选的实现方式中，介质材料为预设类型板材，其中，预设类型板材的介电常数为ε
r
＝10.2，预设类型板材的损耗正切为tanδ＝0.0027。
18.在可选的实现方式中，各个介质块单元通过焊接、胶接、卡接中的至少一种方式依次固定在一起。
19.在可选的实现方式中，纯介质超薄电磁透镜为长方体结构；
20.其中，纯介质超薄电磁透镜的长为6.67λ0，纯介质超薄电磁透镜的宽为6.67λ0，纯介质超薄电磁透镜的厚度取决于介质块单元的厚度。
21.第二方面，本技术提供一种天线，天线放置于如第一方面及可选方案涉及的纯介质超薄电磁透镜的焦点处。
22.在可选的实现方式中，天线的焦径比为0.3；
23.其中，焦径比为f/d，f为纯介质超薄电磁透镜的焦距，d为纯介质超薄电磁透镜的口径。
24.本技术提供一种纯介质超薄电磁透镜及天线，该纯介质超薄电磁透镜包括：多个用于传播电磁波的介质块单元。介质块单元按照厚度分布规律依次排列。介质块单元由介质材料制成。每个介质块单元内部设有空气凹槽。通过厚度分布规律改变了介质块单元的厚度，同时，在介质块单元上设计空气凹槽，改善了介质块单元表面与空气的阻抗匹配条件，进一步降低了电磁透镜的反射率，增加了电磁透镜的透射率。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本技术根据一示例性实施例提供的一种纯介质超薄电磁透镜的示意图；
27.图2为垂直极化电磁波入射介质块单元示意图；
28.图3为垂直极化电磁波入射介质块单元的等效二端口传输线电路模型图；
29.图4为不同频率电磁波的透射系数与介质块单元厚度的关系图；
30.图5为不同频率电磁波的透射相位与介质块单元厚度的关系图；
31.图6为本技术根据另一示例性实施例提供的一种纯介质超薄电磁透镜的示意图；
32.图7为本实施例的纯介质超薄电磁透镜的一个介质块单元；
33.图8为三维电磁仿真得到的平面电磁波入射到本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜之后聚焦图；
34.图9为在本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜的焦点处放置天线示意图；
35.图10为圆形纯介质超薄电磁透镜天线结构图。
36.附图标记说明：
37.10：纯介质超薄电磁透镜；
38.100：介质块单元；
39.200：空气凹槽。
40.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
41.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术中的附图，对本
申请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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
42.首先，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本技术的技术原理，并非旨在限制本技术的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。
43.其次，需要说明的是，在本技术的描述中，术语“上”、“下”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示装置或构件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
44.此外，还需要说明的是，在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“接触”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个构件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
45.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
46.下面以具体地实施例对本技术的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
47.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。其优点是透射率高，工作带宽很宽，其缺点是体积大，又厚又重。近两年公开的有些介质透镜，大多通过带金属图案的介质基板来构成平板透镜，极大地降低了透镜体积和重量，但由于是电磁谐振结构，其工作带宽都收到很大限制。
48.近几年，兴起的超表面技术激发了一些新型介质透镜的出现，现有的纯介质电磁透镜设计方法为：根据介质材料及电磁波的波长求得相位变化与介质块厚度的关系。然后，根据透镜类型及焦距要求计算出所需的相位突变的分布。最后，根据相位分布要求设计介质块单元来组成透镜。该设计使得透镜总厚度不到一个介质内波长(＜λ0/n，λ0为波长，n为介质材料的折射率)。
49.然而，上述透镜由于介质块的波阻抗与空气的波阻抗不相等，导致部分入射电磁波会在透镜表面反射，交界面处的电磁波反射率较大。
50.为了解决上述问题，本技术实施例提供了一种纯介质超薄电磁透镜，通过改变介质块单元的厚度，并在每个介质块单元的中间设计了凹槽结构，用以解决部分入射电磁波在电磁透镜表面反射的问题，改善了介质块单元表面与空气的阻抗匹配条件，进一步降低了反射率。
51.以下介绍几种可实现的纯介质超薄电磁透镜，以便本领域技术人员能够更清晰的
理解本技术的技术方案和优点。
52.图1为本技术根据一示例性实施例提供的一种纯介质超薄电磁透镜的示意图。如图1所示，本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜，该纯介质超薄电磁透镜10包括：多个用于传播电磁波的介质块单元100。
53.介质块单元100按照厚度分布规律依次排列。
54.更具体地，n个按照厚度分布规律依次排列的介质块单元100，n为大于1的整数。根据厚度分布公式，得到径向方向介质层的厚度分布规律。将不同厚度的介质块单元100按照厚度分布规律进行径向排布，得到纯介质超薄电磁透镜。
55.介质块单元100由介质材料制成。
56.更具体地，介质块单元100可以由单一材料制成。不同介质常数的各介质块单元100材质不同，各介质块单元100堆叠形成纯介质超薄电磁透镜。因此，可通过改变各介质块单元100的材质实现对各介质块单元100的介质常数的调整。介质块单元100可以由多种材料混合制成，介质块单元100的介电常数与各混合材料的体积占比相关。因此，可通过改变混合材料的占比实现对各介质块单元100的介电常数的调整。
57.根据惠更斯原理，电磁波传播过程中其波阵面上每一点都可以看作是二次波源，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。该原理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。而近些年人工电磁表面的研究发现，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。
58.本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜考虑到实现相位突变的另外一种手段，即改变介质块单元的厚度，介质块单元用于传播电磁波。其工作原理如下：
59.图2为垂直极化电磁波入射介质块单元示意图。以图2为例，假设一束垂直极化te电磁波以θ
i
角斜入射到透镜上某第mn个介质块单元上，该介质块的平面周期长度是二分之一个波长(l＝λ0/2)，入射平面xz
⊥
mn。可以根据传输线理论得到二端口网络模型。图3为垂直极化电磁波入射介质块单元的等效二端口传输线电路模型图。如图3所示，在上(z＝0)、下(z＝h
mn
)表面的垂直极化场可以通过abcd矩阵联系起来：
[0060][0061]
其中，e
y
(0)和h
x
(0)表示上表面垂直极化场，e
y
(h
mn
)和h
x
(h
mn
)表示下表面垂直极化场，ω是角频率，ε
r
是透镜所用介质材料的介电常数，θ
i
是电磁波入射角。z
c
为特性阻抗，为特性阻抗，其倒数y
c
称为特征导纳。η0＝120πω是自由空间波抗，h
mn
是第mn个介质块单元的厚度，j为传播常数的虚部。
[0062]
由于在介质块单元上、下表面切向场必须连续，得到边界条件：
[0063]
[0064]
其中，h
x
(0)表示上表面垂直极化场，h
x
(hmn)表示下表面垂直极化场，e
i
是入射场函数，η0＝120πω是自由空间波抗，θ
i
是电磁波入射角。
[0065]
根据公式(1)和公式(2)，得到电磁场通过该介质块单元的透射系数t
mn
：
[0066][0067]
公式(3)精确给出了第mn个介质块单元下表面的传输场，如果介质块单元下表面的电场看为电磁透镜的口面场分布，就能计算出远场方向图。根据公式(3)，得到传输场的透射相位φ：
[0068][0069]
从公式(4)可看出，如果电磁波入射角θ
i
和介质材料的折射率n已知，则传输场的透射相位完全由介质块单元100的厚度决定。如果介质块单元100的厚度从0变化到λ0/n，其相移变化范围也从0到2π，这是完全控制传播电磁波的必要条件。
[0070]
图4为不同频率电磁波的透射系数与介质块单元厚度的关系图。图5为不同频率电磁波的透射相位与介质块单元厚度的关系图。其中，介质材料的介电常数和损耗正切设为ε
r
＝10.2，tanδ＝0.0027。
[0071]
透镜的每个单元底部的出射场可看为一个惠更斯二次点源，则在传播方向上空间内任意一点，如果由空间距离所导致相位差能够被每个二次场点的相位变化所补偿，则每个介质块单元的传输场就能相干叠加形成焦点，而焦点处的总场表达式为：
[0072][0073]
其中，e
i
是入射场函数，是第mn个介质块单元的位置矢量，是以馈电天线的相位中心为直角坐标系原点时透镜表面的位置矢量。
[0074]
要获得双面凸透镜的电磁波传输特性，则本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜沿径向方向的相位分布可由等光程原理得到：径向方向的相位分布可由等光程原理得到：其中，k0＝2πλ，n为任意整数，f为透镜的焦距，r
mn
为第mn个介质块单元距离中心的距离。然后，根据公式(4)得到径向方向介质层的厚度分布：
[0075][0076]
将不同厚度的介质块单元按照这个厚度分布规律进行径向排布，就可以得到纯介质透镜。但是，由于介质块的波阻抗与空气的波阻抗不相等，因此，部分入射电磁波会在透镜表面反射。为了进一步增加电磁波的透射，本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜在每个介质块单元100内部设有空气凹槽200。空气凹槽200位于每个介质块单元100的中间位置。
[0077]
本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜，包括多个用于传播电磁波的介质块单元。介质块单元按照厚度分布规律依次排列。介质块单元由介质材料制成。每个介质块单元内部设有空气凹槽。通过厚度分布规律改变了介质块单元的厚度，同时，在介质块单元上设计空气凹槽，改善了介质块单元表面与空气的阻抗匹配条件，进一步降低了电磁透镜的反射率，增加了电磁透镜的透射率。
[0078]
图6为本技术根据另一示例性实施例提供的一种纯介质超薄电磁透镜的示意图。如图6所示，本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜，该纯介质超薄电磁透镜10为长方体结构，其中，纯介质超薄电磁透镜10的长为6.67λ0，纯介质超薄电磁透镜10的宽为6.67λ0，纯介质超薄电磁透镜10的厚度取决于介质块单元的厚度。
[0079]
本实施例的纯介质超薄电磁透镜10中心频率为15hz，对应的自由空间波长λ0＝20mm。
[0080]
图7为本实施例的纯介质超薄电磁透镜的一个介质块单元。如图7所示，介质块单元100为长方体结构。介质块单元100的长为λ0/2，介质块单元100的宽为λ0/2，介质块单元100的厚度取决于电磁波的透射相位，其中，λ0为自由空间波长。
[0081]
在可选的实现方式中，空气凹槽200的长为0.38λ0，空气凹槽200的宽为0.38λ0，空气凹槽200的深度为λ
d
/4。其中，λ
d
为电磁波在介质材料内传播时的波长，ε
r
为介质材料的介电常数，λ0为自由空间波长。
[0082]
在可选的实现方式中，介质材料为预设类型板材，其中，预设类型板材的介电常数为ε
r
＝10.2，预设类型板材的损耗正切为tanδ＝0.0027。
[0083]
更具体地，预设类型板材为罗杰斯板材ro3210。罗杰斯板材ro3210是添加了陶瓷填料且有编织玻璃布增强的层压板。罗杰斯板材ro3210提供非同一般的电气以及机械稳定性。罗杰斯板材ro3210的介电常数为ε
r
＝10.2，罗杰斯板材ro3210的损耗正切为tanδ＝0.0027。
[0084]
在可选的实现方式中，各个介质块单元100通过焊接、胶接、卡接中的至少一种方式依次固定在一起。
[0085]
图8为三维电磁仿真得到的平面电磁波入射到本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜之后聚焦图。如图8所示，本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜可极大改善透镜表面与空气的波阻抗，降低反射率约20db，增加透射率约1db。
[0086]
本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜不同于传统的纯介质透镜，传统的纯介质透镜通过去除传统介质透镜不折射的部分来实现减重、减体积，但保留了弧形曲面而本技术提出的纯介质超薄电磁透镜表面的介质块单元不仅可以用来实现凸透镜，而且可以实现凹透镜、定向折射镜等功能，设计相当灵活。只要根据透镜功能得到所需的相位分布，再由上述的公式(6)得到厚度，将介质块单元按照厚度分布规律依次排列，在每个介质块单元内部设置空气凹槽，空气凹槽位于每个介质块单元的中间位置，就能设计出相应的纯介质超薄电磁透镜。纯介质超薄电磁透镜的设计包括如下步骤：
[0087]
步骤一、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：
[0088][0089]
根据公式(7)求得电磁波相位变化与介质厚度的关系。
[0090]
其中，ω是角频率，η0＝120πω是自由空间波抗，ε
r
是透镜所用介质材料的介电常数，θ
i
是电磁波入射角，h是介质厚度。
[0091]
步骤二、根据透镜类型(凸透镜、凹透镜、反射镜)及焦距要求计算出所需的相位突变的分布。
[0092]
例如，由等光程原理可得到凸透镜沿径向方向的相位分布为：其中，k0＝2πλ，n为任意整数，f为透镜的焦距，r为距离圆心的距离。
[0093]
而对于凹透镜，其相位分布为：其中，k0＝2πλ，n为任意整数，f为透镜的焦距，r为距离圆心的距离。
[0094]
反射镜的相位分布为：其中，是以馈电天线的相位中心为直角坐标系远点时透镜表面的位置矢量，是反射镜面上现对于(0，0，f)的位置矢量，是所期望的反射波束的单位方向矢量。
[0095]
步骤三、根据相位分布要求，在三维电磁仿真软件中构建相应厚度的介质透镜，并在每个介质块单元内部设置空气凹槽，进行仿真、微调，然后即可加工制作。
[0096]
根据上述步骤二中所设计透镜的要求得到相位分布φ，再根据公式(8)计算出介质块单元的厚度分布规律：
[0097][0098]
步骤四、在三维电磁仿真软件中进行建模、仿真。
[0099]
图9为在本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜的焦点处放置天线示意图。如图9所示，将天线放置于本实施例提供的纯介质超薄电磁透镜的焦点处，可实现高增益透镜天线。
[0100]
本技术还提供一种天线，天线放置于上述的各种实施方式提供的纯介质超薄电磁透镜的焦点处。
[0101]
在可选的实现方式中，天线的焦径比为0.3。其中，焦径比为f/d，f为纯介质超薄电磁透镜的焦距，d为纯介质超薄电磁透镜的口径。
[0102]
更具体地，通过设计每个介质块单元的厚度，该纯介质超薄电磁透镜天线的焦径比可以做到0.3，可实现低轮廓高度的天线。
[0103]
图10为圆形纯介质超薄电磁透镜天线结构图。如图10所示，纯介质超薄电磁透镜可以进一步做成圆形，从而降低加工难度，便于规模化生产。
[0104]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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技术各实施例技术方案的范围。