[发明专利]可调超表面的抛物线梯度相位修正方法及变/定焦距透镜

权利要求书

1.一种变/定焦距透镜，是基于可调梯度超表面单元的，其特征在于所述可调梯度超表面单元，即TGMS单元，由上层主、副谐振器，中间介质板以及下层金属接地板三部分组成；其中，主谐振器为I型金属结构，由水平金属条、垂直金属条以及焊接于垂直金属条开口之间的变容二极管即变容管组成；副谐振器由一对大小相同的金属贴片组成；外加电压通过水平金属条馈电加在变容管上；其中，w₁、h_i为I形金属结构的垂直金属线宽度和长度，d₁、d₂为I形金属结构与贴片在x、y方向的间距，h为介质板的厚度，d₃=h_i-2d₁为贴片的高度，w₃为贴片的宽度，C_t为变容管的总电容，p_x、p_y为TGMS单元在x和y方向的周期长度，w₂为水平偏置线的宽度且满足w₂<w₁；工作时，平面电磁波沿-z方向垂直入射到TGMS单元上，电场沿x轴方向激励；受外界电、磁场驱动，主、副谐振器分别与接地板之间形成特定频率下的磁谐振；I形金属结构中线宽很窄的水平金属条用于提供高电抗值，发挥直流偏置功能，防止高频微波信号进入直流源而对直流偏压没有影响，从而提高电路的稳定性；

根据抛物相位梯度分布，所述的变/定焦距透镜由2N_x*N_y个上述TGMS单元延拓组成，2N_x为X轴方向上的TGMS单元数，N_y为Y轴方向上的TGMS单元数，且透镜上TGMS单元结构沿x轴关于原点对称，这里N_x通过确定，N_y满足，为透镜的工作频率处的波长，对沿X轴和-X轴的N_x列TGMS单元分别依次施加电压VN_x，VN_x-1 …V₂，V₁，这里所加电压根据抛物线梯度相位修正方法确定。

2.根据权利要求1所述的变/定焦距透镜，其特征在于透镜的工作频率选择在所有TGMS单元的频率调控范围内，即由透镜上各单元的公共频率调控范围决定，初始抛物梯度在给定初始电容C_i^j0的情形下通过调整N_x个TGMS单元的尺寸h_i实现。

3.根据权利要求1所述的变/定焦距透镜，其特征在于选取N_x=6，N_y=9；即透镜沿x和-x轴分别由六个h_i不同的TGMS单元由大到小顺序排列组成，h_i依次为10.5，10.1，9.52，8.7，7.36和5.5mm；六个单元所加电压依次为V₆、V₅、V₄、V₃、V₂和V₁；透镜每列TGMS单元的h_i大小相同。

4.关于权利要求1所述的变/定焦距透镜的抛物线梯度相位修正方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步：根据实际需要预先给定透镜焦距F、口径D、单元周期p_i和初始工作频率f₀；透镜上的相位分布是关于和的函数：，这里为透镜的工作频率，为第个TGMS单元在透镜口径上的位置坐标，为工作频率处的波长；

通过确定TGMS单元数目，通过确定φ_i^j0，通过仿真软件CST计算出实际TGMS结构单元的相位值，并根据透镜的初始抛物相位梯度φ_i^j0确定初始电容C_i^j0；

第二步：对N个单元的反射相位依次进行扫描仿真，保持其它参数不变，扫描不同电容C_t对应的相位分布，得到N个单元在不同频率下的电容-相位分布，即C–φ分布；

第三步：根据C–φ，并通过寻根算法得到不同频率处N单元所需电容C_i^j，以某单元在特定频率和C_i^j0情形下的反射相位为基准点，通过对C–φ分布进行三次样条插值，得到该情形下满足抛物相位梯度时其余N-1个单元的实际φ_i^j/C_i^j组合，这里i表示单元数，j表示组号即观察频率数；

若各单元得到的C_i^j均在变容管可达到的电容范围内，则记录C_i^j的电容值，改变初始电容C_i^j0，重复循环上述步骤直至C_i^j0遍历电容范围内所有值，记录所有可能的C_i^j组合，选择电容跨越范围最小的一组以保证最优梯度工作带宽；若C_i^j0遍历所有值后均不能找到满足要求的一组参数，则结束扫描且该频率为满足抛物梯度的边界工作频率，若该频率处找到一组最优解则重复循环上述步骤运算下一频率j+1，找到所有频率处满足要求的φ_i^j/C_i^j组合；

第四步，根据获得的电容C_i^j组合并通过变容管的电容-电压分布，即C-V分布，反推获得电压组合V_i^j，并对C-V曲线进行插值计算，精确获得各频率处所需的电压组合V_i。