用于聚焦电磁波的超表面反射阵面   0    0

[0001] 本发明涉及用于聚焦电磁波的超表面反射阵面，属于通信领域。

[0002] 电磁波的聚焦研究一直是科学家研究的重要热点，为了保证电磁波能量在空间传输时不扩散，电磁波必须像光一样能聚焦到接收装置，从光的聚焦类比得知，为使电磁波聚焦，发射天线的口径的相位必须是球面分布。人们对聚焦天线的研究起源于上个世纪50年代人们对电磁能量传输问题的研究,即将电磁波作为能量传输的手段。上个世纪60年代初期，Goubao,Shermen,Borigiotti等人对口径天线的聚焦问题做了大量的工作，奠定了电磁波输能的理论基础。这种微波输能方式在近几十年里得到了迅猛发展。特别是在太空应用中,微波输能可被应用于地面站点为在轨卫星输能、空间设备把太阳能输送到地球等。微波作为功率传输手段的优点是实现了功率传输的无线化，这在很多场合都有实用价值。电磁波聚焦的理论不仅可以用于微波输能，而且可以用于雷达和微波定向能武器。此外,基于聚焦天线的聚焦性质,这种天线还可以在被应用于肿瘤治疗、微波遥感、微波定向武器等领域。对于肿瘤治疗,其可以通过将能量聚焦在肿瘤上,对肿瘤进行高温治疗。对于微波定向武器来说,其作用是使目标上感兴趣的部分电场强度最大。然而聚焦天线至今仍然没有一种成熟可靠的设汁方法。看出聚焦天线的设计理论与方法将会在生活,军事,能源,医疗等方面带来巨大的帮助,同时在设计理论与方法方面也面临了巨大的挑战。

[0003] 对电磁聚焦的方法有很多种，其中应用超材料来进行聚焦就是一种比较高效、实用的方法。超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，具有负磁导率、负介电常数和零折射率等非常规的电磁特性.近十年来,科学家在超材料的理论研究、物理特性和应用方面取得了很大的进步。超表面是超材料的二维平面情形,最近几年已成为超材料研究领域的热点和前沿.其中,相位梯度超表面(phase gradient metasurfaces)，因其可以实现对电磁波波前的控制产生各种新奇的现象包括电磁波的聚焦,受到了研究者们的广泛关注。相位梯度超表面最早来源于2011年哈佛大学Z.Gaburro教授课题组关于利用超薄单层金属结构超材料的相位突变实现了对光波的波束整形，他们给出了广义折反射定律，利用纳米天线阵列构成相位梯度超表面对奇异反射/透射现象进行了验证，并给出了一个产生涡旋波束的实例。2012年，美国普度大学V.M.Shalaev教授也利用V字结构排列而成的平面电磁特异材料实现了对反射波和出射波宽角度波束偏转，从而引起了广泛关注。一般相位梯度超表面是基于相位突变和极化控制思想设计的，由人工微结构单元构成的遵守广义折反射定律的二维新型人工结构表面,可对电磁波的激发和传输进行灵活的控制,实现奇异反射/折射、极化旋转以及非对称传输等功能。相位梯度超表面应用广泛,很多学者都对其进行了深入研究.中国科学院的Pu等利用对称的T形结构在X波段成功设计了足够覆盖0°—360°的超表面单元,并利用此单元实现了宽带奇异反射。Li等利用圆形结构在10GHz附近通过控制透射过相位梯度超表面的透射波的方向,实现了高效调控电磁波波束的功能.Zhou等采用H形结构设计了单层反射相位梯度超表面,实现了特定频带内的一维电磁波反射聚焦。Qu课题组采用开口谐振环(split ring resonator)设计了反射型相位梯度超表面,可将特定极化入射电磁波较高效地耦合为表面波同时利用高效的同极化反射超表面结构单元,设计了一种高效的反聚焦天线是指一类能够将电磁波像透镜一样把光的聚焦到目标点上,减少电磁波在空间传输时的扩散的天线。随着航空工业的发展与移动通信的飞速发展,聚焦天线在航天、军工、通信、医疗等领域扮演着越来越重要的角色。

[0004] 现有的这些金属谐振单元(V字形状的光波天线)的相位调节范围是0～2π，对于光波的散射较小，波束调控效率并不是特别高。在V.M.Shalaev等人的研究工作中，虽然光波在很大角度范围得到了偏转，但是其反射率不是很理想。因此研发一款反射聚焦性好、且反射率高的超表面反射装置很有必要。

[0005] 本发明的目的在于，提供一种用于聚焦电磁波的超表面反射阵面。本发明不仅具有非常优越的入射波反射聚焦效果，而且本发明降低了入射波反射的衰减率，从而提高了本发明的反射效果，现有的阵列天线的反射效率一般在30％-40％，而本发明的反射效率可以达到65％。此外本发明还具有体积小、重量轻、成本低廉的特点。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种用于聚焦电磁波的超表面反射阵面，包括两个以上移相单元排列组成的阵列相位板，移相单元包括介质板，介质板的表面设有金属贴片，金属贴片的中间设有上孔；介质板的底部设有金属接地板，金属接地板的中间设有下孔；介质板的中部设有金属管，金属管与上孔和下孔连通。

[0007] 上述的用于聚焦电磁波的超表面反射阵面中，所述的阵列相位板是移相单元按照金属贴片的表面积从大到小且由中心向外包围状进行排列组成的。

[0008] 前述的用于聚焦电磁波的超表面反射阵面中，所述的移相单元按照金属贴片表面积从大到小且由中心向外包围状排列8层。

[0009] 前述的用于聚焦电磁波的超表面反射阵面中，所述的阵列相位板包括位于中心且面积最大的一个中心移相单元，中心移相单元向外且根据金属贴片表面积从大到小包围状排列7层外部移相单元，每层外部移相单元的个数为(n-1)×8个，n为层数。

[0010] 前述的用于聚焦电磁波的超表面反射阵面中，所述的移相单元和金属贴片均为正方形。

[0011] 前述的用于聚焦电磁波的超表面反射阵面中，所述中心移相单元的金属贴片的边长为9.06mm，所述的外部移相单元的金属贴片的边长从中心向外分别为8.32mm、7.92mm、7.48mm、6.70mm、6.02mm、3.92mm、1.91mm。

[0012] 前述的用于聚焦电磁波的超表面反射阵面中，所述的金属贴片的厚度与金属接地板的厚度为t＝0.035mm。

[0013] 前述的用于聚焦电磁波的超表面反射阵面中，所述的介质板的介电常数为2.65，介质板的厚度为h＝1.60mm。

[0014] 前述的用于聚焦电磁波的超表面反射阵面中，所述的上孔和下孔的半径r1＝0.5mm，金属管的管径为r2＝0.5mm。

[0015] 与现有技术相比，本发明对移相单元的结构作了创造性的改进，将移相单元从上至下分为金属贴片、介质板以及金属接地板三部分，且移相单元中间设置有金属管贯穿这三部分，这三部分组成一个等效电路，与现有的移相单元相比，明显降低了入射波反射的衰减率，提高了本发明的反射效果，现有的阵列天线的反射效率一般在30％-40％，而本发明的反射效率可以达到65％，仿真计算和实验测量均表明波束偏转效率大于60％以上，而一般的透射结构的转换效率一般都在20％以下，取得了预料不到的有益效果。同时，本发明还具有非常优越的入射波反射聚焦效果。进一步地，申请人还对移相单元的排列方式作了优选，优选后的结构进一步提高了聚焦能力和效率，而且实现对反射波波前的准确控制,反射相位变化覆盖[0°,360°]，使得透射波的相位从0均匀变化到2π。

[0022] 下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

[0023] 实施例：一种用于聚焦电磁波的超表面反射阵面，如附图1-3所示，包括由多个移相单元1拼接成整体的阵列相位板2，移相单元1包括介质板3，介质板3的表面设有金属贴片4，金属贴片4的中间开设有上孔5；介质板3的底部设有金属接地板6，金属接地板6的中间设有下孔7；介质板3的中部设有金属管8，金属管8与上孔5和下孔7连通。

[0024] 为了实现对反射波波前准确控制,反射相位变化需覆盖[0°,360°]，对于入射平面波的散射问题我们通过渐变性阵列来研究，图3为设计的渐变性结构的阵列装置。其中，移相单元根据金属贴片的表面积大小分为8种，作为优选金属贴片为正方形，225个移相单元包括位于所述的阵列相位板中心的1个中心移相单元，中心移相单元的金属贴片的边长为9.06mm；中心移相单元向外(即上、下、左、右四个维度)且根据金属贴片表面积从大到小包围状排列7层外部移相单元，每层外部移相单元的个数为(n-1)×8个，n为层数，如第2层外部移相单元的个数为8个，第3层外部移相单元的个数为16个。经申请人反复试验、筛选和总结，7层外部移相单元的金属贴片的边长从中心向外分别为8.32mm、7.92mm、7.48mm、
6.70mm、6.02mm、3.92mm、1.91mm。上述的排列结构可以使反射相位变化覆盖[0°,360°]，使得透射波的相位从0均匀变化到2π。

[0025] 再进一步地，所述的金属贴片4的厚度与金属接地板6的厚度为t＝0.035mm。介质板3的介电常数为2.65，介质板的表面为10mm×10mm的正方形，介质板3的厚度为h＝1.60mm，金属接地板也是10mm×10mm的正方形，金属接地板的四侧面与介质板齐平。所述的上孔5和下孔7的半径r1＝0.5mm，金属管8的管径为r2＝0.5mm。

[0026] 申请人对实施例中的用于聚焦电磁波的超表面反射阵面作了试验，附图4是平面波沿着Z轴方向正入射本发明后聚集的结构示意图，从图中可以看出本发明的电磁波反射聚焦效果好。图5是沿着Z轴方向入射后的x-z平面内的电场分布图，从图中可以看出，最大场强的位置出现在100mm处的位置，场强的变化相对比较缓慢，这说明该聚焦阵列具有很好的聚焦深度。图6为在最大电场强点所在聚焦平面(x-y平面)的电场分布图，从图中可以发现焦点的能量远大于周围的能量，体现出很好的聚焦效果。

[0027] 本发明的超表面装置应用范围不仅可以用于反射阵列天线，还可以应用于其它需要用到多焦点反射聚焦的场合。

[0016] 图1是相位单元的立体结构示意图；

[0017] 图2是相位单元的主视图；

[0018] 图3是阵列相位板的结构示意图；

[0019] 图4是平面波沿着Z轴方向正入射本发明后的示意图；

[0020] 图5是电磁波沿着Z轴方向入射后的x-z平面内的电场分布图；

[0021] 图6是在最大电场强点所在聚焦平面(x-y平面)的电场分布图。