CN109524770A - 一种基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置 - Google Patents

一种基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Pancharatnam‑Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，包括介质基板以及制备于介质基板上的Pancharatnam‑Berry超表面阵列，所述Pancharatnam‑Berry超表面阵列由若干个矩形C‑字互补型金属开口谐振环单元组成。本发明提供的基于Pancharatnam‑Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，基于Pancharatnam‑Berry超表面技术的微波近似无衍射波束的产生、赋形等工作机制，电磁特性分析理论等技术方法，得出微波近似无衍射波束的电磁模型，利用该工作机制，设计方法和电磁模型，能够快速准确的进行微波近似无衍射波束发射装置的设计。

Description

一种基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束 发射装置
技术领域
本发明属于微波近似无衍射波束发射装置技术领域，具体涉及一种基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置。
背景技术
衍射是波束的一个基本特性，它可被用来解释所有经典的波动现象。由于衍射的存在，波束在传播过程中波斑逐渐变大，能量逐渐发散。因此在激光器发明的初期，人们就已经开始思考如何消除或抵消衍射作用。在非线性介质中，科研人员通过采用介质的自聚焦非线性实现了对波束衍射的抑制，数年前这种方法在实验上已经得到证实。然而人们更期望能在自由空间实现无衍射波束，这种需求也使得无衍射波束成为近年来研究领域的一个重要课题。对于无衍射现象的初期研究主要是在原子物理领域，通过量子力学中的薛定谔方程人们给出了多种无衍射波的理论预言。后来通过薛定谔方程和衍射中的旁轴方程之间的数学对应关系，开始在光学领域***地研究无衍射波束。三十多年前，Berry和Balazs在量子力学领域做了一个重要的预言：薛定谔方程具有一个遵循Airy函数的波包解。理论研究发现，Airy波包具有一些显著的特性：无衍射、自弯曲、自愈等。Berry认为，Airy波包是一维薛定谔方程唯一的无衍射解。然而，这一工作没有引起人们的关注，其原因是理论上的Airy波包携带无穷多的能量，这在现实中显然是不能实现的，因此这一结果没有成功引领科研人员在实验上实现自加速的Airy波包。直到2007年，中弗罗里达大学的GeorgiosSiviloglou等人重新对Berry的工作进行了研究，发现被指数“截趾”的Airy函数也是薛定谔方程的解，基于这一发现他们在实验上第一次实现了携带有限能量Airy波束的产生。自此，在过去的几年中，Airy波束已经成为一个研究热点。基于目前理论和实验的研究结果归纳总结，Airy波束具有三个特性，即自弯曲、无衍射和自愈。自弯曲，描述的是Airy波束在自由空间传播过程中其传输轨迹类似于重力作用下子弹的飞行弹道；无衍射，是指在传播过程中光场强度分布的轮廓近似保持不变；自愈，则是指Airy波束在自由空间传播过程中如果将一部分光强遮挡住，再经过一定距离的传输其强度分布轮廓会恢复到被遮挡之前的样子。
基于上述近似无衍射波束(Airy)波束的三个基本特征，其可广泛应用于微波频段的无线通信、微波输能、微波电子对抗等技术领域。然而截止目前，未发现微波频段的近似无衍射波束相关成果报道。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，该装置能够产生有限能量的近似无衍射波束辐射，并具有自弯曲、自愈特性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，包括介质基板以及制备于介质基板上的Pancharatnam-Berry超表面阵列，所述Pancharatnam-Berry超表面阵列由若干个互补型金属开口谐振环单元组成。
上述技术方案中，所述互补型金属开口谐振环单元为矩形C-字互补型金属开口谐振环单元，包括金属层及在金属层上刻蚀出的矩形C-字型缝隙。
上述技术方案中，所述矩形C-字互补型金属开口谐振环单元尺寸为3-8mm，金属层厚度0.018-0.035mm，所述缝隙宽度为0.2-1.4mm，缝隙缺口长度为1-4mm。阵列单元尺寸进一步优选为5.2mm，缝隙宽度进一步优选为0.8mm
上述技术方案中，所述的矩形C-字互补型金属开口谐振环单元的阵列排列方式为方形阵列排布，Pancharatnam-Berry超表面阵列中单元与单元间的间距为6-12mm。优选Pancharatnam-Berry超表面阵列中单元与单元间的间距为8mm。
上述技术方案中，所述Pancharatnam-Berry超表面阵列中每个单元旋转角度为-50至50度，旋转角度值由近似无衍射波束初始参考面的相位信息和幅度信息所确定。所述阵列单元旋转角度进一步优选为-45～45度，根据Airy波束幅度和相位的变化进行采样，结合阵列单元的透射性能与旋转角度进行综合设计，0度向-45度和0度向45度，透射性能都逐渐增强。
上述技术方案中，所述Pancharatnam-Berry超表面阵列中单元数量为N×N个，其中50<N<300。阵列单元数量进一步优选为151×151。
上述技术方案中，所述介质基板由低损耗的介质材料构成，厚度为0.254-1mm，所述低损耗的介质材料的介电常数为2.2-6，介质损耗角正切值为0.0009-0.02。进一步优选介质基板的介质材料为罗杰斯4350b，基板厚度0.762mm。覆铜层厚度为0.035mm，介电常数为3.66，介质损耗角正切值为0.004。
本发明的有益效果是：本发明提供的基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，基于Pancharatnam-Berry超表面技术的微波近似无衍射波束的产生、赋形等工作机制，电磁特性分析理论等技术方法，得出微波近似无衍射波束的电磁模型，利用该工作机制，设计方法和电磁模型，能够快速准确的进行微波近似无衍射波束发射装置的设计。
附图说明
图1是本发明中二维Airy函数初始参考面的幅度和相位信息；
图2是本发明中矩形C-字互补型金属开口谐振环单元结构示意图；
图3是本发明中矩形C-字互补型金属开口谐振环单元在不同旋转角度下的电磁波透射幅度和相位特性；
图4是本发明Pancharatnam-Berry超表面阵列中不同位置处矩形C-字互补型金属开口谐振环单元旋转角度值；
图5是本发明基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置结构示意图；
图6是本发明基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置的实现效果图；
图7是本发明基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置的自弯曲效果图；
图8是本发明基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置的自愈效果图；
图9是本发明基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置的无衍射效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图2和图5所示，本发明的基于Pancharatnam-Berry(PB)超表面的微波近似无衍射波束发射装置，，包括介质基板和Pancharatnam-Berry超表面阵列，Pancharatnam-Berry超表面阵列由若干个互补型金属开口谐振环单元组成。互补型金属开口谐振环通过在金属上刻蚀出矩形C-字型缝隙构成，每个超表面单元的尺寸一致，旋转角度通过满足近似无衍射波束辐射的初始参考相位信息和幅度信息确定。整个Pancharatnam-Berry超表面阵列制备在低损耗的介质基板上。
在本实施例中，介质基板的介质材料为罗杰斯4350b，厚度为0.762mm。覆铜层厚度为0.035mm，介电常数为3.66，介质损耗角正切值为0.004。阵列单元排列方式为方形阵列排布。阵列单元尺寸为5.2mm，阵列单元自身的缝隙宽度为0.8mm，阵列单元旋转角度为-45～45度。阵列单元旋转角度根据Airy波束幅度和相位的变化进行采样，结合阵列单元的透射性能与旋转角度进行综合设计。阵列单元之间的间距为8mm，阵列单元数量为151×151，发射装置最大尺寸为：1200mm×1200mm×0.8mm。
如图6所示，为平面电磁波经过PB超表面后的电磁波透射强度分布情况，表明其满足基本的二维Airy波束场分布特性。
如图7所示，为经过PB超表面后的透射电磁波在距超表面不同距离位置处参考面上采集到的电场强度分布图。由图7可知，随着电磁波传播距离的增加，其电磁波瓣中心位置在x轴和y轴上均能观察到明显的横向位移特性，证明了其自弯曲传播特性。
如图8所示，为在PB超表面后方放置一金属遮挡物后，电磁波束经过该遮挡物后电磁波瓣的恢复特性。由图8可知，在有金属遮挡物的情况下，其波束的电磁波瓣并未出现明显的变形，证明了其自愈特性。
如图9所示，为在图7的传播情况下，其主波瓣的波瓣宽度变化情况。由图9可知，随着电磁波束的传播，其主波瓣并未出现明显的增大，证明了其近似无衍射特性。
以下对本发明的原理进行进一步的详细说明，以进一步展示本发明的优点：
首先，对于二维近似无衍射波束，其在x和y方向均满足Airy波包分布，因此具有如下形式：
式(1)中sx＝x/x0，sy＝y/y0，分别是横向(x轴和y轴)和传播方向(z轴)上无量纲的坐标变量，ax和ay分别为x方向和y方向上Airy波包的截断因子。基于式(1)，可以获得二维Airy函数的在z＝0时的初始参考面的幅度和相位信息，如图1所示。
其次，对于矩形C-字互补型金属开口谐振环单元(如图2所示)，其电磁响应特点为在其谐振频率附近具有特定的透射电磁波幅度和相位值；当矩形C-字互补型金属开口谐振环单元相对于入射电磁波具有不同的旋转角度时，其电磁响应的幅度变化和相位变化曲线如图3所示。
最后，根据二维Airy函数初始参考面所需的幅度和相位信息，以及矩形C-字互补型金属开口谐振环单元的幅度和相位响应特性，对比即可获得二维微波近似无衍射波束的PB超表面阵列中每个单元的角度信息，如图4所示。
基于上述工作原理，本发明设计出的基于Pancharatnam-Berry(PB)超表面的微波近似无衍射波束发射装置结构图如图5所示。
本发明的创新点在于首次采用PB超表面技术实现了微波频段的近似无衍射波束发射装置的设计。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，其特征在于：包括介质基板以及制备于介质基板上的Pancharatnam-Berry超表面阵列，所述Pancharatnam-Berry超表面阵列由若干个互补型金属开口谐振环单元组成。
2.根据权利要求1所述的基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，其特征在于：所述互补型金属开口谐振环单元为矩形C-字互补型金属开口谐振环单元，包括金属层及在金属层上刻蚀出的矩形C-字型缝隙。
3.根据权利要求2所述的基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，其特征在于：所述矩形C-字互补型金属开口谐振环单元尺寸为3-8mm，金属层厚度0.018-0.035mm，所述缝隙宽度为0.2-1.4mm，缝隙缺口长度为1-4mm。
4.根据权利要求1所述的基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，其特征在于：所述的矩形C-字互补型金属开口谐振环单元的阵列排列方式为方形阵列排布，Pancharatnam-Berry超表面阵列中单元与单元间的间距为6-12mm。
5.根据权利要求1所述的基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，其特征在于：所述Pancharatnam-Berry超表面阵列中每个单元旋转角度为-50至50度，旋转角度值由近似无衍射波束初始参考面的相位信息和幅度信息所确定。
6.根据权利要求1所述的基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，其特征在于：所述Pancharatnam-Berry超表面阵列中单元数量为N×N个，其中50<N<300。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于Pancharatnam-Berry超表面的微波近似无衍射波束发射装置，其特征在于：所述介质基板由低损耗的介质材料构成，厚度为0.254-1mm，所述低损耗的介质材料的介电常数为2.2-6，介质损耗角正切值为0.0009-0.02。
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