可调超表面抛物线梯度相位修正方法及变/定焦距制作方法
技术
[0001] 本发明属于可调超表面技术领域，具体设置和可调超表面抛物线梯度相位修复 正方法及变焦/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 电磁波和光的新途径和领域正在推动新一轮的技术创新，GMS因此，它成为异向介质的新分数 枝条及研究热点。比较成熟的均匀超表面，GMS二维梯子是基于相位突变思想设计的 可灵活控制电磁波的刺激、极化和传输，实现异常折射/反射、极化旋转W和 非对称传输等奇怪功能具有较强的电磁波调节能力，在隐形表面、共形天线、数字编辑等 码、平板印刷等方面显示了巨大的潜在应用价值，成为各国抢夺的学科制高点和学科 前沿。尽管如此，W往GMS-为了获得相同的电磁特性，必须重新设计结构 参数，效率低，可重用性差，目前对可调超表面的研究仅限于均匀超表面，至今仍 未见可调梯度超表面(Tunab 1 e GMS，TGMS)公开报告。
[0003] 由于剖面低、重量轻、体积小、增益高，微带反射阵/透射阵天线广泛应用于卫生 然而，微带阵天线有两个瓶颈需要解决和突破。一是无源微带阵单元工作谐振频 在率附近，相位随频率变化剧烈，呈现强色散关系。当偏离中屯和工作频率时，抛物梯度被打破 坏，微带阵焦距随频率偏移而变化，天线增益急剧下降，天线工作频率窄；二是特定频率 一旦固定天线的焦距和福射性能不能随意调节微带阵的结构参数。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种可调超表面，可以解决现有微带阵天线的两个瓶颈 抛物线梯度相位修正方法及变焦/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为(见 图1): 第一步:根据实际需要提前给定透镜焦距F、口径D、单元周期Pi以及初始工作频率fo。透 镜中的相位分布，如A进，是关于和立函数的：
，运里左边是透镜 的工作频率，孩为第典个TGMS单元在透镜口径上的位置坐标被捕获为工作频率淹没的波 长； 并通过F、D、pi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，通过
确定4 1^，通过模拟软件CST计算出实际TGMS结构单元 根据镜头初始抛物相位梯度4的相位值 确定初始电容CiW。
[0006] 第二步:依次扫描模拟N个单元的反射相位，保持其他参数不变，扫描不同 电容Ct相应的相位分布在不同频率下获得N个单元的电容-相位(C- 4 )分布； 第=步:根据C-(I)，N单元所需的电容通过搜根算法获得(V，W某单元在特 定频率和CiW反射相位为基准点，通过对C- d)分布进行=在这种情况下获得次样条插值 其余的满足抛物相位梯度N-I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)，如果每个单元获得(V在变容管可达的电容范围内，记录该组的电容值 (V，改变初始电容CiW,重复上述步骤直到上述步骤Ci^遍历电容范围内的所有值，记录所有可能的 (V如果组合（不是唯一的）选择电容跨度最小的W组，以确保最佳梯度工作带宽CiW遍历所有 如果在值后找不到一组符合要求的参数，则扫描结束，频率为边界工作频率，以满足抛物梯度 如果在这个频率处找到一组最优解，则重复上述步骤来计算下一个频率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通过变容器管的电容-电压组合(C-V)反向分布获得电压 组合运输需要正确C-V精确计算各频率所需的电压组合Vi。
[0007] W上一步都通过了matlab编程实现。
[0008] 本发明设计了可调梯度超表面单元结构和变/定焦距透镜 为实现变焦/定焦距多功能透镜，TGMS单元必须有足够的相位调节范围和频率调节范围 围。本发明采用主、副两种模式级联法实现宽频大相位调节。TGMS单元拓扑结构及等效 如图2所示，电路，TGMS单元由上层主副谐振器组成，中间介质板W和下层金属接地板S 成。由于金属接地板(背板)的作用，本发明属于反射系统，电磁波入射TGMS单元没有透射 只有反射。主谐振器为I型金属结构，由水平金属条、垂直金属条W和垂直金属焊接而成 变容器二极管(变容器管)由条开口之间的变容器组成；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入变容管。其中，Wi、hi垂直金属线的宽度和长度为I形金属结构 度，di、d2.I形金属结构和贴片x、y方向间距，h为介质板的厚度，d3=hi-2di为贴片的高 度，W三是贴片的宽度，Ct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 平偏置线的宽度满足W2
[0009] 设Rs、Ls、Cs分别代表变容管寄生电阻、线电感和管壳电容，C^戈表管忍的 结电容。由于Cs一般来说，W可以忽略影响较小的变容管等效电路模型Rs、Ls和Cj来 等效，其中，Ls=O.7nH，Rs Si.5Q，Cj如图2所示(b)插图所示。当变容管两 当端部增加一个小的反向偏置电压时，变容管呈现一个大的容量值，在OV呈现最大电容Cj=I. 24pF; 当反向电压逐渐增大时，Cj直到口限电压30V当电容达到最小值时Cj=O. 31pFdTGMS 串联支路1中主副谐振器的磁响应^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是阻抗Zc,长度为h。传输线等效，金属接地板等效。传输线等效，金属接地板等效。^ 由I型金属结构的垂直金属线电感和变容管的引线电感组成Cl也就是说，单元的水平 金属线形成的缝隙电容包括变容管的结电容和电感L2表示微带贴片产生的感性响应，而 电容C2包括贴片的容性效应和贴片与I结构之间的禅合，Ri和R2用于表损失。根据 传输线理论^615单元产生的两个磁谐振频率分别受到影响=：t/2的泻^ 和苗古V细^/写^决 在昆虫和克处有两个反射谷，反射相位突变。通过调整I形金属结构和贴片的物理 尺寸W和变容管的结电容可以W任意控制f I和f2的大小，以便工作频率fo获得任意 相位的TGMS单元。
[0010]根据抛物相位梯度分布，本发明设计的最终透镜由2N巧Ny个上述TGMS单元延拓组 成，2Nx在X轴方向上TGMS单元数，Ny巧由方向上TGMS单元数，以及透镜TGMS单元结构 沿X轴对称原点，运里化通过
。对沿X轴和-X轴 的Nx列TGMS单位依次施加电压Vnx，Vnx-i 运输中的电压根据上述抛物线梯度 确定相位修正方法。
[001 ]] 在实施例中选择Nx=6和Ny=9.具体来说，透镜沿X和-X分别有六个轴hi不同的TGMS单元 由大到小顺序组成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 按原点对称排列，六个单元的电压依次为6、5、4、3、2、1，运输中增加的电压根据上述情况 确定物线梯度相位修正方法，透镜沿y方向由第一排确定TGMS单元周期重复Ny=9个形成，即 透镜每列TGMS单元的hi大小相同。
[0012] 其中，必须选择所有镜头的工作频率TGMS在单元的频率调节范围内，即透镜上的每个单元 公共频率控制范围决定了初始抛物梯度给定初始电容Ci^调整情况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通过本发明的抛物梯度相位补偿特征 位置纠正方法可以W计算每个单元上的修正电压Vl, V2，V3……Vnx，通过在变容管上加载和运输一些电压 W可以恢复和修正每个频率的完美抛物梯度，从而实现不同频率的定焦距透镜 (消色差透镜)，消除相位色散引起的透镜色差问题。修复不同焦距的消色差透镜 切换正电压，可在消色差透镜的公共频段内实现变焦距透镜。
[0014] 本发明利用有源器件的相位调节作用，在工作频段范围内各频率超表面单元 实时补偿和修正相位，一方面可以在每个工作频率的超表面恢复完美的抛物线性 相位梯度(固定焦距)，另一方面，W可以在特定频率下实现不同超表面抛物线的相位梯度(变焦 距)。前者TGMS具有宽工作带宽和消色差功能；后者TGMS功能灵活性大，功能灵活性大 多样性。实现了本发明 TGMS实时调节单元谐振频率和相位 TGMS奇异动态电磁