可调超表面的抛物线梯度相位修正方法及变/定焦距透镜的制作方法

【技术领域】

[0001] 本发明属于可调超表面技术领域，具体设及一种可调超表面的抛物线梯度相位修 正方法及变/定焦距透镜。

【背景技术】

[0002] 近年来，人们基于梯度超表面(GMS)发现了广义Snell折射/反射定律，开辟了控制 电磁波和光的全新途径和领域，正在推动新一轮技术革新，GMS也因此成为异向介质新的分 枝和研究热点。相对于较为成熟的均匀超表面，GMS是基于相位突变思想设计的一种二维梯 度结构，可对电磁波的激发、极化和传输进行灵活控制，实现奇异折射/反射、极化旋转W及 非对称传输等奇异功能，具有更加强大的电磁波调控能力，在隐身表面、共形天线、数字编 码、平板印刷等方面显示了巨大的潜在应用价值，成为各国抢夺的一个学科制高点和学科 前沿。尽管如此，W往GMS-旦工作频率改变，要想得到同样的电磁特性必须重新设计结构 参数，效率低、可复用性差，且目前对于可调超表面的研究也仅局限于均匀超表面，至今还 未见关于可调梯度超表面(Tunab 1 e GMS，TGMS)的公开报道。

[0003] 微带反射阵/透射阵天线由于其剖面低、重量轻、体积小、增益高而广泛应用于卫 星通讯，然而微带阵天线有两大瓶颈亟待解决和突破。一是无源微带阵单元工作于谐振频 率附近，相位随频率变化剧烈，呈现强色散关系，在偏离中屯、工作频率时，抛物梯度遭到破 坏，微带阵焦距随频率偏移不断变化，天线增益急剧下降，天线工作频率较窄；二是特定频 率处，微带阵的结构参数一旦固定天线的焦距和福射性能不能被任意调控。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于提供一种能够解决现有微带阵天线两大瓶颈的可调超表面的 抛物线梯度相位修正方法及变/定焦距透镜。

[0005] 本发明提出的基于可调梯度超表面的抛物线梯度相位修正方法，具体步骤为(见 图1): 第一步:根据实际需要预先给定透镜焦距F、口径D、单元周期Pi和初始工作频率fo。透 镜上的相位分布如A进是关于,和立的函数：

，运里左为透镜 的工作频率，孩为第典个TGMS单元在透镜口径上的位置坐标，夺为工作频率淹处的波 长； 并通过F、D、pi和时确定单元数目N和透镜的初始抛物相位梯度(1)1^，根据实际单元结 构确定初始电容〇1'^*^。具体通过：

确定TGMS单元数目，通过

确定4 1^，通过仿真软件CST计算出实际TGMS结构单元 的相位值，并根据透镜的初始抛物相位梯度4 确定初始电容CiW。

[0006] 第二步:对N个单元的反射相位依次进行扫描仿真，保持其它参数不变，扫描不同 电容Ct对应的相位分布，得到N个单元在不同频率下的电容-相位(C- 4 )分布； 第=步:根据C-(I)，并通过寻根算法得到不同频率处N单元所需电容(V，W某单元在特 定频率和CiW情形下的反射相位为基准点，通过对C- d)分布进行=次样条插值，得到该情形 下满足抛物相位梯度时其余N-I个单元的实际组合，运里i表示单元数，j表示组号 (观察频率数)，若各单元得到的(V均在变容管可达到的电容范围内，则记录该组电容值 (V，改变初始电容CiW,重复循环上述步骤直至Ci^遍历电容范围内所有值，记录所有可能的 (V组合(不唯一)，选择电容跨越范围最小的一组W保证最优梯度工作带宽，若CiW遍历所有 值后均不能找到满足要求的一组参数，则结束扫描且该频率为满足抛物梯度的边界工作频 率，若该频率处找到一组最优解则重复循环上述步骤运算下一频率j+1，找到所有频率处满 足要求的4iVCi迎合； 第四步，根据获得的电容(V组合并通过变容管的电容-电压(C-V)分布反推获得电压 组合运里需要对C-V曲线进行插值计算精确获得各频率处所需的电压组合Vi。

[0007] W上步骤均通过matlab编程实现。

[0008] 本发明关于可调梯度超表面单元结构与变/定焦距透镜的设计 为实现变/定焦距多功能透镜，TGMS单元必须具有足够的相位调控范围和频率调控范 围。本发明采用主、副两种模式级联的方法实现宽频大相位调控。TGMS单元拓扑结构和等效 电路如图2所示，TGMS单元由上层主、副谐振器，中间介质板W及下层金属接地板S部分组 成。由于金属接地板(背板)的作用，本发明属于反射体系，电磁波入射到TGMS单元没有透射 只有反射。其中，主谐振器为I型金属结构，由水平金属条、垂直金属条W及焊接于垂直金属 条开口之间的变容二极管(变容管)组成;副谐振器由一对大小相同的金属贴片组成。外加 电压通过水平金属条馈电加在变容管上。其中，Wi、hi为I形金属结构的垂直金属线宽度和长 度，di、d2为I形金属结构与贴片在x、y方向的间距，h为介质板的厚度，d3=hi-2di为贴片的高 度，W3为贴片的宽度，Ct为变容管的总电容，Px、Py为TGMS单元在X和y方向的周期长度，W2为水 平偏置线的宽度且满足W2

[0009] 设Rs、Ls、Cs分别代表变容管的寄生电阻、封装引线电感和管壳电容,C^戈表管忍的 结电容。由于Cs的影响较小一般可W忽略，变容管的等效电路模型可用串联的Rs、Ls和Cj来 等效，其中，Ls=O.7nH，Rs Si.5Q，Cj随电压变化的典型曲线如图2(b)插图所示。当变容管两 端加上很小的反向偏置电压时，变容管呈现很大的容值，在OV时呈现最大电容Cj=I. 24pF; 当反向电压逐渐增大时，Cj不断变小，直到口限电压30V时电容达到最小为Cj=O. 31pFdTGMS 单元中主、副谐振器的磁响应分别由串联支路1^1、&和RlW及L2、C2和R2来等效，而电磁波在 介质板中的传输效应由阻抗为Zc,长度为h。的传输线等效，金属接地板由接地等效。电感^ 由I形金属结构的垂直金属线电感和变容管的引线电感组成，电容Cl即包含相邻单元水平 金属线形成的缝隙电容又包括变容管的结电容，电感L2表示微带贴片产生的感性响应，而 电容C2既包含贴片的容性效应又包含贴片与I结构之间的禪合，Ri和R2用来表征损耗。根据 传输线理论^615单元产生的两个磁谐振频率分别由患=：t/2的泻^ 和苗古V細^/写^决 定，在蟲和克处存在两个反射谷且反射相位发生突变。通过调谐I形金属结构、贴片的物理 尺寸W及变容管的结电容可W任意操控f I和f2的大小，从而在工作频率fo处获得具有任意 相位的TGMS单元。

[0010]根据抛物相位梯度分布，最终本发明设计的透镜由2N巧Ny个上述TGMS单元延拓组 成，2Nx为X轴方向上的TGMS单元数，Ny为巧由方向上的TGMS单元数，且透镜上TGMS单元结构 沿X轴关于原点对称，运里化通过

。对沿X轴和-X轴 的Nx列TGMS单元分别依次施加电压Vnx，Vnx-i 运里所加电压根据上述抛物线梯度 相位修正方法确定。

[001 ]] 实施例中选取Nx=6和Ny=9，具体地，透镜沿X和-X轴分别由六个hi不同的TGMS单元 由大到小顺序排列组成化i=l〇. 5，10.1，9.52，8.7，7.36和5.5mm)，即X和-X轴上TGMS单元关 于原点对称排列，六个单元所加电压依次为￥6、￥5、￥4、￥3、￥2和￥1，运里所加电压根据上述抛 物线梯度相位修正方法确定，透镜沿y方向由第一排TGMS单元分别周期重复Ny=9个形成，即 透镜每列TGMS单元的hi大小相同。

[0012] 其中，透镜的工作频率须选择在所有TGMS单元的频率调控范围内，即由透镜上各 单元的公共频率调控范围决定，初始抛物梯度在给定初始电容Ci^的情形下通过调整Nx个 TGMS单元的尺寸hi实现。

[0013] 在上述公共频段范围内，利用TGMS的相位补偿特特性并通过本发明的抛物梯度相 位纠正方法可W计算各单元上的修正电压Vl, V2，V3……Vnx，通过在变容管上加载运些电压 可W恢复和修正透镜在各频率处的完美抛物梯度，从而在不同频率处可W实现定焦距透镜 (消色差透镜)，消去相位色散引起的透镜色差问题。而通过对不同焦距的消色差透镜的修 正电压进行切换，可W在消色差透镜的公共频段内处实现变焦距透镜。

[0014] 本发明利用有源器件的相位调控作用对工作频段范围内各频率处各超表面单元 的相位进行实时补偿和修正，从而一方面可W恢复超表面在各工作频率处的完美抛物线性 相位梯度(定焦距)，另一方面可W在特定频率处实现超表面不同的抛物线相位梯度(变焦 距)。前者TGMS具有很宽的工作带宽，具有消色差功能；后者TGMS具有很大的功能灵活性和 多样性。本发明实现了 TGMS单元谐振频率和相位的实时调控，获得了 TGMS的奇异动态电磁