[发明专利]一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜及其单元排布设计方法

说明书

本发明公开一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜的移相量设计方法。每个单元包括四层金属层(1)与三层空气层(2)，所述四层金属层(1)与三层空气层(2)间隔排列组成，所述金属层(1)包括四个矩形金属缝隙(4)与四个正方形金属缝隙(3)，四个所述矩形金属缝隙(4)分别设置在金属层(1)的边长位置，四个所述正方形金属缝隙(3)分别设置在金属层(1)的四个顶角位置，所述矩形金属缝隙(4)与正方形金属缝隙(3)间隔设置，每个所述矩形金属缝隙(4)向内延伸中心竖线或中心横线，所述金属层结构为中心旋转对称结构。用以解决全金属超材料透镜耐高温和机械稳定性的问题。

技术领域

本发明属于微波器件工程技术领域，具体涉及一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜及其单元排布设计方法。

背景技术

微波透镜在医疗和卫星通信等多种场景中具有重要价值。医疗方面，聚束透镜可以将电磁波束聚焦，在肿瘤的微波热疗中具有方向性好，热效率大，增益高等特点；在卫星通信方面，微波透镜可以接受多个卫星信号，极大提高天线性能。然而，传统的透镜存在体积较大，成本昂贵等问题，因此，具有低剖面，结构紧凑，成本低廉特点的超材料透镜得到了广泛应用。

现有超材料透镜一般采用PCB工艺以介质基板为基底材料进行加工(以下简称介质超材料透镜)，但这类介质超材料透镜无法在高温、高压以及高机械强度下正常工作。譬如在航空航天领域，器件通常需要在几百度的高温下使用。在这种情况下，介质超材料透镜会产生变形、融化等问题，以至于无法正常应用。介质超材料透镜无法在恶劣环境条件下工作，严重限制其实际应用场景。

发明内容

本发明提供一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜及其单元排布设计方法，用以解决全金属超材料透镜耐高温和机械稳定性的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种具有近场汇聚功能的全金属超材料透镜，所述全金属超材料透镜由多个阵列单元组成，具有不同移相量的阵列单元按照预先设计好的移相量分布规律在XOY平面上进行排列；

每个单元包括完全相同的四层金属层1与三层空气层2，所述四层金属层1与三层空气层2间隔排列组成，每层所述金属层1包括四个矩形金属缝隙4与四个正方形金属缝隙3，四个所述矩形金属缝隙4分别设置在金属层1的边长位置，四个所述正方形金属缝隙3分别设置在金属层1的四个顶角位置，所述矩形金属缝隙4与正方形金属缝隙3间隔设置，每个所述矩形金属缝隙4向内延伸中心竖线或中心横线，所述金属层结构为中心旋转对称结构。

进一步的，所述金属层1的外形轮廓长度均为d，其取值范围为0.16λ₀～0.2λ₀，其中λ₀为最低工作频率电磁波在自由空间中波长；

所述金属层1的厚度为h，取值范围是0.005λ₀～0.01λ₀；

所述空气层2厚度为s，取值范围为0.05λ₀～0.65λ₀。

进一步的，所述矩形金属缝隙4与正方形金属缝隙3之间宽度为w2，，w2取值在0.0025λ₀～0.01λ₀，一条直线上的两个正方形金属缝隙3内侧竖线之间的距离是a，a取值在0～0.18λ₀之间；所述中心竖线或中心横线的宽度是w1，w1取值在0.0025λ₀～0.01λ₀，一条直线上的两个正方形金属缝隙3外侧竖线之间的距离是d1，d1取值在0.15λ₀～0.19λ₀。

进一步的，所述全金属超材料透镜由K种阵列单元构成，K种阵列单元的金属层1具有不同的缝隙长度，在1.590GHz时的移相量依次相差约360/K度；所述K种阵列单元都包括一条直线上的两个正方形金属缝隙3内侧竖线之间的距离a，但a的取值不同,其中K取值为2，3，4……；