[发明专利]一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜

说明书

本发明涉及一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，属于微波技术领域。本发明包括n层同圆心的电磁谐振器单元模块。每层电磁谐振器单元模块，是由多个结构相同的电磁谐振器单元构成的一个圆环。电磁谐振器单元包括介质层和蚀刻图案层，蚀刻图案层采用金属铜材质，压合在介质层上。不同层电磁谐振器单元模块中的电磁谐振器单元的蚀刻图案层上的图案相同、图案尺寸不同，介质层完全相同。将所述的二维龙伯透镜置于波导型结构中，水平极化的电磁波沿着二维龙伯透镜一边平行入射，能在入射波180°方向得到电磁波会聚效果。本发明通过PCB加工技术实现，具有易加工、成本低、可重复性高的特点，可以广泛用于DOA估测技术和天线波束会聚的场景。

技术领域

本发明涉及一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，属于微波技术领域。

背景技术

龙伯透镜是一种电磁波会聚装置，可以实现多波束，进行大角度扫描，主要应用于通信、电子对抗等领域。常用龙伯透镜一般为龙伯球，但其体积大、重量大和球形结构不易固定等缺点，在实际应用中受到很大的限制。同时传统三维龙伯球对制造工艺要求很高，实现性和重复性差。由于DOA(Direction of Arrival波达方向)估计中是对方位角和俯仰角在两个正交平面分别进行测量的，所以龙伯透镜只需在某一平面内具有良好的汇聚特性即可满足要求。因此二维结构的龙伯透镜具有较高性价比，在保证其性能的条件下大大降低了制作难度。目前已有的采用交指型电磁谐振器单元结构的二维龙伯透镜，由于空气间隙的存在，单元之间并不相连，无法制作实物。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，为了实现体积小、重量轻的具有会聚作用的龙伯透镜，提出了一种基于电磁谐振器单元的二维龙伯透镜。本发明通过PCB(PrintedCircuit Board，印刷电路板)加工技术实现，具有易加工、成本低、可重复性高的特点，可以广泛用于DOA(Direction of arrival，波达方向)估测技术和天线波束会聚的场景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，包括n层同圆心的电磁谐振器单元模块。每层电磁谐振器单元模块，是由多个结构相同的电磁谐振器单元构成的一个圆环。同一层电磁谐振器单元模块中的电磁谐振器单元的几何中心到二维龙伯透镜平面几何中心距离相等。

所述的电磁谐振器单元包括介质层和蚀刻图案层，蚀刻图案层采用金属铜材质，压合在介质层上。不同层电磁谐振器单元模块中的电磁谐振器单元的蚀刻图案层上的图案相同、图案尺寸不同，介质层完全相同。距离二维龙伯透镜平面几何中心越远，电磁谐振器单元中的蚀刻图案层上的图案尺寸越小。

所述的介质层是一个边长为a、厚度数毫米，具有固定介电常数、各向同性的均匀介质块。边长a远小于透镜工作波长；介质块介电常数大于2。

所述的蚀刻图案层的图案为中心对称的四个C形结构，为两个同心圆环分别沿着互相垂直的、且与介质板的边相平行的两条直径开槽而形成。所述的两个同心圆环分别称为内谐振环与外谐振环，内谐振环、外谐振环的宽度相同。改变该蚀刻图案层的内谐振环内径b的大小能改变电磁谐振器单元的等效介电常数。

为确定内谐振环内径，利用HFSS电磁仿真软件对电磁谐振器单元等效介电常数进行仿真。考虑到透镜应用场景，仿真建模时，将电磁谐振器单元介质层水平放置，其下方紧贴放置一层人工磁导体表面；距离蚀刻图案层上方h高度处放置一层同样的人工磁导体表面，从而形成高度为h的空气层。空气层高度为介质层厚度的3-5倍。电磁谐振器单元左右两侧的边界为金属铜。将电磁谐振器单元水平面上的前后两个面设置为端口。通过仿真得到的两个端口的散射参数，计算出此时电磁谐振器单元与空气层共同形成的等效介电常数。在没有蚀刻图案层的情况下，电磁谐振器单元等效介电常数最小为ε_min；在加入蚀刻图案层的情况下，当内谐振环内径b值变化时，仿真得到不同的等效介电常数值，从而得到各个b值与等效介电常数一一对应的关系。