一种介质填充的开口谐振环单元及平面微波透镜制造技术

本发明专利技术涉及一种介质填充的开口谐振环单元，包括：金属片和非金属介质；金属片上开设有两段弧形槽，两段弧形槽的圆心相同，且以圆心为中心呈中心对称分布；非金属介质填充于两段弧形槽内。该开口谐振环单元利用了金属和非金属介质材料的各自优势，兼具低损耗和高透射传输的优点，能够有效增大单元结构的等效折射率，增强单元结构对入射电磁波的调控。本发明专利技术还提供了一种平面微波透镜，该透镜基于介质填充的开口谐振环单元，只由一层超材料结构组成，厚度薄、体积小，结构更为简单，对垂直入射的极化电磁波具有宽带宽、高透射的优势。

A Dielectric Filled Open Resonant Ring Element and Planar Microwave Lens

The invention relates to an open resonant ring unit filled with dielectrics, which comprises a metal sheet and a non-metallic medium; two arc grooves are arranged on the metal sheet, and the centers of the two arc grooves are the same, and the centers of the two arc grooves are centrally symmetrical distribution; and the non-metallic medium is filled in two arc grooves. The open resonant ring unit takes advantage of the advantages of both metal and non-metal materials, and has the advantages of low loss and high transmission. It can effectively increase the equivalent refractive index of the unit structure and enhance the control of the unit structure to the incident electromagnetic wave. The invention also provides a planar microwave lens, which is based on an open resonant ring element filled with dielectrics and consists of only one layer of metamaterial structure, with thin thickness, small volume and simpler structure. The lens has the advantages of wide bandwidth and high transmission for polarized electromagnetic waves incident vertically.

【技术实现步骤摘要】
一种介质填充的开口谐振环单元及平面微波透镜
本专利技术涉及超材料
，尤其涉及一种介质填充的开口谐振环单元及平面微波透镜。
技术介绍
超材料(Metamaterials)，又称左手材料，或者人工电磁材料，是一类自然界中不曾存在的特殊材料，通常是由亚波长的周期单元结构经过特殊排列而组成。超材料按照其对电磁波的响应可以分为三大类，即等效介电常数为负的超材料、等效磁导率为负的超材料和等效介电常数和磁导率同时为负的超材料。等效介电常数为负的超材料以周期性金属棒为例，其对电磁波的响应在等效频率附近发生改变。等效磁导率为负的超材料以开口谐振环为代表，而等效介电常数和磁导率均为负的超材料，即双负超材料(ε<0，μ<0)通常是以上两种单负超材料的组合。超材料对电磁波的响应通常由单元的形状、结构参数或者排列形状所决定。其中，现有的开口谐振环多为全金属构成的一对(四层)同心亚波长开口环结构，其结构较为复杂，且等效折射率较小，不易调控入射的电磁波，适用带宽较窄。超表面(Metasurface)，即平面超材料，为研究新型平面化的器件和系统提供了新思路。超表面相比于常规超材料，具有平面化、轻材质、低损耗等优点，其对电磁波的操控通过表面相位突变实现。目前，超表面在微波、太赫兹以及光学波段都得到大量研究，在完美吸收器、调制器、天线、棱镜等方面具有广阔的应用。在众多应用中，聚焦透镜是一类常用的器件，而现有的超表面聚焦透镜存在损耗高、透射率低，且结构复杂，制作困难的问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是解决现有技术中开口谐振环单元结构较复杂，且等效折射率小，适用带宽窄的问题，以及，平面聚焦透镜损耗高、透射低以及频带窄的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种介质填充的开口谐振环单元，包括：金属片，所述金属片上开设有两段弧形槽，两段所述弧形槽的圆心相同，且以圆心为中心呈中心对称分布；非金属介质，所述非金属介质填充于两段所述弧形槽内。优选地，所述金属片为正方形，其边长为p，厚度为h，边长p和厚度h均小于所述开口谐振环单元工作频率对应的波长λ。优选地，两个所述弧形槽的内半径为r，宽度为w，弧度为α，其中，r+w<p/2，p/6<w<r，140°<α<180°。优选地，所述非金属介质的介电常数ε范围为2.1～11.9，对应所述开口谐振环单元工作频带为10～20GHz。优选地，所述非金属介质的材质为玻璃、特氟龙或陶瓷。优选地，所述金属片的材质为铜、铁或金。本专利技术还提供了一种平面微波透镜，包括多个如上述任一项所述的介质填充的开口谐振环单元，多个所述开口谐振环单元铺设于同一平面，相邻所述开口谐振环单元的金属片连接，组成平面微波透镜；多个所述开口谐振环单元相对于所述平面微波透镜的中心呈中心对称分布，且离中心越远，所述开口谐振环单元的弧形槽内半径和外半径越小，宽度保持不变。优选地，所述多个所述开口谐振环单元以方形阵列形式铺设于同一平面，阵列的中心为所述平面微波透镜的中心，从所述平面微波透镜的中心至边缘，相邻两个所述开口谐振环单元圆心之间距离不变。优选地，以阵列中心为x-y平面坐标的原点，各个所述弧形槽的内半径r与距离原点的远近关系为：r(x,y)＝a*sqrt(x^2+y^2)+b，其中，a和b为设定系数，(x,y)为该弧形槽的圆心坐标。。优选地，每一个所述开口谐振环单元的等效折射率随坐标位置呈抛物线梯度变化。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有如下优点：本专利技术提供了一种介质填充的开口谐振环单元，该开口谐振环单元利用了金属和非金属介质材料的各自优势，兼具低损耗和高透射传输的优点，能够有效增大单元结构的等效折射率，增强单元结构对入射电磁波的调控，为设计单层梯度折射率渐变的超薄平面透镜提供新的途径。本专利技术还提供了一种平面微波透镜，该透镜基于介质填充的开口谐振环单元，只由一层超材料结构组成，厚度薄、体积小，具有平面化和小型化的优势；并且与现有微波透镜相比，结构更为简单，同时在很宽的频带内具有很高的透射率，对垂直入射的极化电磁波具有宽带宽、高透射的优势。附图说明图1是本专利技术实施例一中介质填充的开口谐振环单元结构示意图；图2是本专利技术实施例二中介质填充的开口谐振环单元透射反射示意图；图3是本专利技术实施例二中介质填充的开口谐振环单元透射系数随频率变化曲线图；图4是本专利技术实施例三中平面微波透镜结构示意图(x-y平面)；图5是本专利技术实施例三中平面微波透镜聚焦示意图(x-z平面)；图6是本专利技术实施例四中平面微波透镜对15GHz入射平面波聚焦结果图；图7是本专利技术实施例四中平面微波透镜对不同频率电磁波聚焦电场8随空间分布图(x＝0)。图中：1：金属片；2：非金属介质；3：弧形槽；4：平面微波透镜；5：微波源；6：入射电磁波；7：透射电磁波；8：聚焦电场。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例一如图1所示，本专利技术实施例提供的一种介质填充的开口谐振环单元，包括：金属片1和非金属介质2，其中，金属片1上开设有两段弧形槽3，两段弧形槽3的圆心相同，内、外半径以及宽度均相同，且以圆心为中心呈中心对称分布。非金属介质2填充于两段弧形槽3内，填充满弧形槽3，非金属介质2的结构尺寸与弧形槽3相同。即，沿x-y平面分布，沿z向具有一定厚度的金属片1内有两段对称的弧形槽3和弧形槽3内的介质结构，弧形槽3相对于中心对称，同时两段弧形槽3内填满非金属介质，如图1所示，灰色区域材质为金属，条纹区域材质为非金属介质材料。填充非金属介质可进一步增大对入射电磁波的调控自由度，且可以增大单元结构的等效折射率。填充的非金属介质一般选择低损耗的材料，介电常数可根据所需的工作频率进行选择，当介电常数较大时则工作频率较小，当介电常数较小时则工作频率较大。本专利技术提供的开口谐振环单元为对称的单环双开口谐振环结构，相比于之前的双环双开口的四层金属谐振环，结构设计更为简单；同时，弧形槽3内填充非金属介质，进一步增大对电磁波幅度和相位的调控。该开口谐振环单元利用金属和非金属介质材料的各自优势，能同时兼具高透射传输和低损耗的优点。优选地，金属片1为正方形，边长为p，设金属片1为沿x-y平面分布的贴片，其沿z方向厚度为h，金属片1的边长p小于开口谐振环单元工作频率对应的波长λ，即p<λ，为亚波长的周期单元结构。厚度h远小于波长λ，即h<<λ，与波长λ相差至少两个数量级，为波长λ的几百分之一，厚度很薄。优选地，如图1所示，设两个弧形槽3的内半径为r，宽度为w，弧形槽3对应弧度为α，其中，弧形槽3的半径r<p/2，宽度w<p/2，且r+w<p/2。本专利技术的开口谐振环单元采用大弧度的弧形槽3填充介质，弧形槽3的弧度14本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种介质填充的开口谐振环单元，其特征在于，包括：金属片，所述金属片上开设有两段弧形槽，两段所述弧形槽的圆心相同，且以圆心为中心呈中心对称分布；非金属介质，所述非金属介质填充于两段所述弧形槽内。

【技术特征摘要】
1.一种介质填充的开口谐振环单元，其特征在于，包括：金属片，所述金属片上开设有两段弧形槽，两段所述弧形槽的圆心相同，且以圆心为中心呈中心对称分布；非金属介质，所述非金属介质填充于两段所述弧形槽内。2.根据权利要求1所述的介质填充的开口谐振环单元，其特征在于：所述金属片为正方形，其边长为p，厚度为h，边长p和厚度h均小于所述开口谐振环单元工作频率对应的波长λ。3.根据权利要求2所述的介质填充的开口谐振环单元，其特征在于：两个所述弧形槽的内半径为r，宽度为w，弧度为α，其中，r+w<p/2，p/6<w<r，140°<α<180°。4.根据权利要求1所述的介质填充的开口谐振环单元，其特征在于：所述非金属介质的介电常数ε范围为2.1～11.9，对应所述开口谐振环单元工作频带为10～20GHz。5.根据权利要求1所述的介质填充的开口谐振环单元，其特征在于：所述非金属介质的材质为玻璃、特氟龙或陶瓷。6.根据权利要求1所述的介质填充的开口谐振环单元，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永强，
申请(专利权)人：北京环境特性研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11