[發明專利]一種具有近場匯聚功能的全金屬超材料透鏡及其單元排布設計方法

有效

• 申請號: 202110591390.4
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113394565B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 孟繁義;何磊;曲成剛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

1.一種具有近場匯聚功能的全金屬超材料透鏡，其特征在于，所述全金屬超材料透鏡由多個陣列單元組成，具有不同移相量的陣列單元按照預先設計好的移相量分布規律在XOY平面上進行排列；

每個單元包括完全相同的四層金屬層(1)與三層空氣層(2)，所述四層金屬層(1)與三層空氣層(2)間隔排列組成，每層所述金屬層(1)包括四個矩形金屬縫隙(4)與四個正方形金屬縫隙(3)，四個所述矩形金屬縫隙(4)分別設置在金屬層(1)的邊長位置，四個所述正方形金屬縫隙(3)分別設置在金屬層(1)的四個頂角位置，所述矩形金屬縫隙(4)與正方形金屬縫隙(3)間隔設置，所述金屬層結構為中心旋轉對稱結構，每個所述矩形金屬縫隙(4)向內延伸中心豎線或中心橫線交匯于旋轉對稱中心處。

2.根據權利要求1所述一種具有近場匯聚功能的全金屬超材料透鏡，其特征在于，所述金屬層(1)的外形輪廓長度均為d，其取值范圍為0.16λ₀～0.2λ₀，其中λ₀為最低工作頻率電磁波在自由空間中波長；

所述金屬層(1)的厚度為h，取值范圍是0.005λ₀～0.01λ₀；

所述空氣層(2)厚度為s，取值范圍為0.05λ₀～0.65λ₀。

3.根據權利要求1所述一種具有近場匯聚功能的全金屬超材料透鏡，其特征在于，所述矩形金屬縫隙(4)與正方形金屬縫隙(3)之間寬度為w2，w2取值在0.0025λ₀～0.01λ₀，一條直線上的兩個正方形金屬縫隙(3)內側豎線之間的距離是a，a取值在0～0.18λ₀之間；所述中心豎線或中心橫線的寬度是w1，w1取值在0.0025λ₀～0.01λ₀，一條直線上的兩個正方形金屬縫隙(3)外側豎線之間的距離是d1，d1取值在0.15λ₀～0.19λ₀。

4.根據權利要求1所述一種具有近場匯聚功能的全金屬超材料透鏡，其特征在于，所述全金屬超材料透鏡由K種陣列單元構成，K種陣列單元的金屬層(1)具有不同的縫隙長度，在1.590GHz時的移相量依次相差360/K度；所述K種陣列單元都包括一條直線上的兩個正方形金屬縫隙(3)內側豎線之間的距離a，但a的取值不同,其中K取值為2，3，4……；

所述每個單元的金屬層(1)材料為電導率為1.1×10⁶S/m的不銹鋼材料。

5.根據權利要求1-4任一所述一種具有近場匯聚功能的全金屬超材料透鏡的單元排布設計方法，其特征在于，所述單元排布設計方法具體為根據公式(1)計算全金屬超材料透鏡單元所需要的移相量分布規律；

設定全金屬超材料透鏡的幾何中心為坐標原點(0,0),指的是位于XOY平面的全金屬超材料透鏡上坐標為(x,y)的單元的移相量；λ₀指的是中心工作頻率1.59GHz的電磁波在空氣中的波長；f_d是全金屬超材料透鏡的設計焦距；表示從喇叭天線射出的電磁波照射到全金屬超材料透鏡上坐標為(x,y)單元時的相位；

得到移相量分布規律，并根據具體需求得到K種具有不同移相量的陣列單元，K的取值范圍為2，3，4……，進而得到一個由N×N陣列單元構成的具有近場匯聚功能的全金屬超材料透鏡，N的取值范圍為15-60。

6.根據權利要求5所述一種具有近場匯聚功能的全金屬超材料透鏡的單元排布設計方法，其特征在于，所述全金屬超材料透鏡外形輪廓長度均為A，其中A為3.2λ₀～10λ₀。