[發明專利]一種高數值孔徑微波超表面透鏡及其設計方法

在審

• 申請號: 202110822608.2
• 申請日: 2021-07-21
• 公開（公告）號: CN113540813A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 劉永強;車永星;戚開南;李糧生;殷紅成
• 申請（專利權）人: 北京環境特性研究所
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 北京格允知識產權代理有限公司 11609
• 代理人: 張莉瑜

本發明涉及超表面技術領域，尤其涉及一種高數值孔徑微波超表面透鏡及其設計方法，該微波超表面透鏡包括：N個相同的金屬層，N為大于等于4的整數；各所述金屬層平行間隔設置，相鄰的兩個所述金屬層之間均設有介質層；每個所述金屬層由陣列形式排布的單元結構組成，單個所述金屬層為中心對稱結構，同層各單元結構的傳輸相位從所述金屬層的中心到邊緣梯度漸變，不同所述金屬層間沿透鏡的法向排列的一組單元結構同心設置。本發明能夠獲得在微波頻段的、高數值孔徑的超表面透鏡，可應用于超緊湊型的微波超透鏡器件中。

技術領域

本發明涉及超表面技術領域，尤其涉及一種高數值孔徑微波超表面透鏡及其設計方法。

背景技術

超表面是一種平面型的、亞波長的金屬或介質結構，通過周期或準周期單元陣列排布，實現對入射電磁波的靈活調控。近年來，各種基于超表面技術的超薄型器件不斷發展。超表面透鏡(Metalens)，或稱超透鏡、超構透鏡，是一種超表面結構。與傳統的曲面型透鏡或者三維透鏡相比，超透鏡通過平面型的輕材質和緊湊型的單元結構，能夠實現傳統透鏡無法實現的功能，諸如消色差等。

數值孔徑(Numerical aperture，NA)是透鏡的重要參數。在光學和通信頻段，高數值孔徑的超透鏡在需要超緊湊的聚焦場合具有重要應用價值，比如光學的高分辨率成像、小型化成像儀和探測器等等。但目前，在微波頻段的超透鏡通常數值孔徑十分有限，限制了其在超緊湊型的微波超透鏡器件中的應用。

發明內容

本發明的目的是針對上述至少一部分不足之處，提供一種適用于微波頻段的、高數值孔徑的超表面透鏡及其設計方法。

為了實現上述目的，本發明提供了一種高數值孔徑微波超表面透鏡，包括：

N個相同的金屬層，N為大于等于4的整數；

各所述金屬層平行間隔設置，相鄰的兩個所述金屬層之間均設有介質層；

每個所述金屬層由陣列形式排布的單元結構組成，單個所述金屬層為中心對稱結構，同層各單元結構的傳輸相位從所述金屬層的中心到邊緣梯度漸變，不同所述金屬層間沿透鏡的法向排列的一組單元結構同心設置。

可選地，每個所述金屬層的單元結構為雙開口諧振環，且N大于等于5。

可選地，每個所述金屬層的單元結構為蝕刻的正方形環。

可選地，(N-1)個所述介質層的材質相同，且尺寸相同。

可選地，所述介質層的厚度h小于λ/10，λ為入射電磁波的工作波長。

可選地，所述介質層的材料為特氟龍或泡沫。

本發明還提供了一種高數值孔徑微波超表面透鏡設計方法，用于設計上述任一項所述的高數值孔徑微波超表面透鏡，包括如下步驟：

獲取待設計的微波超表面透鏡中金屬層的單元結構的幾何構型，得到金屬層的幾何構型；

將所述金屬層的個數設為變量N，得到所述微波超表面透鏡的厚度H，其中厚度H為變量N的函數；

通過單元結構傳輸特性確定所述微波超表面透鏡的等效折射率n_m、所述微波超表面透鏡所在的空間介質的等效折射率n_b、入射電磁波的傳輸波矢k₀，結合厚度H，計算所述微波超表面透鏡中各單元結構組的傳輸相位的分布；其中，一個所述單元結構組包括N個不同金屬層間沿透鏡的法向排列的單元結構；

基于傳輸相位的分布以及預設的陣列尺寸D，確定微波超表面透鏡的焦距F；

根據陣列尺寸D和焦距F，得到微波超表面透鏡的最大入射偏折角θ；

根據等效折射率n_b和最大入射偏折角θ，計算微波超表面透鏡的數值孔徑；