[发明专利]一种各向异性的鱼眼-龙伯超表面透镜

说明书

技术领域

本发明涉及表面波器件，尤其是一种基于新型人工电磁材料的表面等离激元透镜，该透镜同时具有龙伯透镜和鱼眼透镜的特性。

背景技术

人工超表面（metasurfaces）由于具有易于加工，结构简单，低剖面以及损耗低的特点，最近收到广泛关注。当前，技术人员已经设计和应用了一系列基于人工超表面的新型器件，比如辐射波和表面波的转化器、表面波天线、基于人工超表面的极化转换器等等。

但是，这些产品大多数是单功能的。

发明内容

发明目的：本发明要提供一种各向异性的鱼眼-龙伯超表面透镜，使其当激发源沿人工超表面不同的光轴激励时，分别表现为龙伯透镜和鱼眼透镜，因此至少具有两种功能，以提高表面波器件在应用中的集成度。

技术方案：一种超表面透镜，包括介质衬底以及设置在介质衬底上的、由多个结构单元周期性行列排布组成的表面金属结构，所述表面金属结构成中心对称，所述结构单元的槽深从对称中心向外周渐变。

所述结构单元包括U型金属片。所述U型金属片的槽深从对称中心向外周逐渐减小。距离对称中心相等的U型金属片的槽深相等。所述结构单元的槽深从对称中心向外周逐渐减小。

与现有透镜基于各向同性的特点不同，本发明各向异性的人工超表面透镜在不同的光轴方向上具有不同的折射率，这就为实现多功能器件提供了物理基础。本发明可以沿不同的光轴分别按照基于各向同性材料的方法来设计，但设计的折射率满足不同的分布，这样就实现了多功能器件。

有益效果：本发明的超表面透镜可以实现对不同传播方向的表面等离激元的单独调控，提高了表面波在应用中的集成度，具有更高的灵活性；本发明的透镜天线制作简单、工艺成熟、价格不高、便于推广；通过结构参数的缩放，本发明可以适用于微波、毫米波和太赫兹波等不同波段。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2a为本发明结构单元的示意图，图2b为本发明结构单元的色散特性示意图；

图3为本发明的不同向的折射率分布与理论值比较示意图；

图4为沿y方向激励时，电场Ex分量在水平面上的仿真分布图；

图5a为沿y方向激励时，电场Ex分量在竖直切面上的仿真分布图；

图5b为图5a中A点的放大示意图；

图6为沿x方向激励时，电场Ey分量在水平面上的仿真分布图；

图7a为沿x方向激励时，电场Ey分量在竖直切面上的仿真分布图；

图7b为图7a中B点的放大示意图；

图8为沿y方向激励时，电场Ex分量在水平面上的测试分布图；

图9为沿x方向激励时，电场Ey分量在水平面上的测试分布图；

图10为本发明双功能表面波透镜的实物图。

具体实施方式

如图1和图2a所示，本发明基于新型人工电磁材料的表面等离激元透镜主要包括介质衬底1和表面金属结构2。表面金属结构2由多个结构单元3周期性行列排布组成。表面金属结构2成中心对称。结构单元主体为U型金属片，其槽深从对称中心向外周逐渐减小，距离对称中心相等的U型金属片的槽深相等。上述结构使得透镜主体的表面折射率由圆心向外侧渐变分布，与圆心距离相等的位置折射率相等。

具体地，U型金属片被刻蚀于介质衬底上；介质板为聚四氟乙烯材质，介电常数为2.2。色散曲线表明透镜在不同的光轴方向上具有不同的折射率，即所采用的新型人工电磁材料单元是各向异性的（a方向和b方向上的激励效果不同）。在该实施例中，U型金属片排成偶数个行（图1中的y向）和偶数个列（图1中的x向），其中，金属片凹槽的方向与x向或其反向一致。在不同的方向上，U型金属片的对称方式不同：在不同行之间的对称关系上，U型金属片沿对称轴成“背靠背”排列；在不同列之间的对称关系上，U型金属片沿对称轴成“肩并肩”排列。

图2b中的色散曲线是由扫描h的值所得，其中h按步长0.3mm从1增加到3.4mm，对应的曲线按照箭头所示的方向由内向外保护。这种变化趋势表明：通过控制h的大小来控制折射率的大小，可以实现所需要的折射率分布。

    如图3所示，通过在不同的位置采用不同槽深h的U型金属片结构，所设计的透镜在x方向和y方向表现出不同的折射率分布，与理论值的比较显示其具有良好的吻合度。

    如图4所示，当源从y方向激励时，场图显示龙伯透镜的效果。如图5a所示，当源从y方向激励时，场图显示电磁波被束缚在透镜表面。图5b进一步反映了激励方向。