[发明专利]一种高数值孔径微波超表面透镜及其设计方法

权利要求书

1.一种高数值孔径微波超表面透镜，其特征在于，包括：N个相同的金属层，N为大于等于4的整数；

各所述金属层平行间隔设置，相邻的两个所述金属层之间均设有介质层；

每个所述金属层由阵列形式排布的单元结构组成，单个所述金属层为中心对称结构，同层各单元结构的传输相位从所述金属层的中心到边缘梯度渐变，不同所述金属层间沿透镜的法向排列的一组单元结构同心设置。

2.根据权利要求1所述的微波超表面透镜，其特征在于：

每个所述金属层的单元结构为双开口谐振环，且N大于等于5。

3.根据权利要求1所述的微波超表面透镜，其特征在于：

每个所述金属层的单元结构为蚀刻的正方形环。

4.根据权利要求1所述的微波超表面透镜，其特征在于：

(N-1)个所述介质层的材质相同，且尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的微波超表面透镜，其特征在于：

所述介质层的厚度h小于λ/10，λ为入射电磁波的工作波长。

6.根据权利要求5所述的微波超表面透镜，其特征在于：

所述介质层的材料为特氟龙或泡沫。

7.一种高数值孔径微波超表面透镜设计方法，其特征在于，用于设计如权利要求1-6任一项所述的高数值孔径微波超表面透镜，包括如下步骤：

获取待设计的微波超表面透镜中金属层的单元结构的几何构型，得到金属层的几何构型；

将所述金属层的个数设为变量N，得到所述微波超表面透镜的厚度H，其中厚度H为变量N的函数；

通过单元结构传输特性确定所述微波超表面透镜的等效折射率n_m、所述微波超表面透镜所在的空间介质的等效折射率n_b、入射电磁波的传输波矢k₀，结合厚度H，计算所述微波超表面透镜中各单元结构组的传输相位的分布；其中，一个所述单元结构组包括N个不同金属层间沿透镜的法向排列的单元结构；

基于传输相位的分布以及预设的阵列尺寸D，确定微波超表面透镜的焦距F；

根据阵列尺寸D和焦距F，得到微波超表面透镜的最大入射偏折角θ；

根据等效折射率n_b和最大入射偏折角θ，计算微波超表面透镜的数值孔径；

基于计算得到的微波超表面透镜的数值孔径，最终确定N的取值。

8.根据权利要求7所述的微波超表面透镜设计方法，其特征在于：

若(N-1)个所述介质层的材质相同，且尺寸相同，则厚度H为变量N的函数，表达式为：H＝h*(N-1)，其中，h表示介质层的厚度。

9.根据权利要求7所述的微波超表面透镜设计方法，其特征在于：

计算所述微波超表面透镜中各单元结构组的传输相位的分布，表达式为：

Φ＝k₀*(n_m-n_b)*H；

Φ表示一个单元结构组的传输相位。

10.根据权利要求9所述的微波超表面透镜设计方法，其特征在于：

基于传输相位的分布以及预设的阵列尺寸D，确定微波超表面透镜的焦距F，传输相位的分布、阵列尺寸D与微波超表面透镜的焦距F满足如下关系式：