【摘 要】
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梯度折射率（Gradient-index,GRIN）透镜具有渐变的折射率分布,理论上通过控制GRIN器件的折射率分布,可以实现各种奇异电磁特性。然而,现有的GRIN透镜普遍缺乏重组能力,一旦被制造出来就只具有静态功能,这一问题极大限制了GRIN器件的应用。本文着眼于现有GRIN器件设计的不足之处,创造性地提出了全电介质GRIN器件的重组方案,利用一种可插拔结构单元,设计了可任意拼接的超材料透镜。首
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梯度折射率（Gradient-index,GRIN）透镜具有渐变的折射率分布,理论上通过控制GRIN器件的折射率分布,可以实现各种奇异电磁特性。然而,现有的GRIN透镜普遍缺乏重组能力,一旦被制造出来就只具有静态功能,这一问题极大限制了GRIN器件的应用。本文着眼于现有GRIN器件设计的不足之处,创造性地提出了全电介质GRIN器件的重组方案,利用一种可插拔结构单元,设计了可任意拼接的超材料透镜。首先,本文提出了一种全新的类似于乐高积木拼接方式的可重组方案,该方案的关键是利用定制设计的可插拔结构单元,完成超材料透镜的拆卸与重装。该单元采用特殊的几何结构,可以在三维空间中无限拼接,并且具有良好的各向同性、透射性质和波前调控能力。可用大量不同尺寸的单元组成单元库,根据等效媒质理论,选择相应的单元完成透镜搭建。得益于可插拔结构单元组装灵活性高的优势,该可重组方案在实现有效介电常数空间分布多样的全电介质GRIN器件方面具有巨大的潜力。其次,本文根据该可重组方案,利用可插拔结构单元,完成了二维及三维可拼接透镜的设计,并对其特性进行了验证。本文在12-18GHz频率范围内分别对二维及三维龙勃透镜的近场及远场进行了仿真,验证了其良好的宽带特性。随后,以二维龙勃透镜为例,以移动馈源位置的方式论证了其多波束特性,通过改变透镜口径大小,在同一频率下实现了性能指标定制,且在不同频率下实现了几乎相同的性能指标,并完成了工作频带的搬移。之后,又设计了可拼接麦克斯韦鱼眼透镜,验证了可拼接透镜的功能多样性。仿真结果表明可拼接透镜具有优异的性能,验证了该可重组方案的可行性。最后,为对该可重组方案进行实验验证,本文通过3D打印的方式,加工了一系列可插拔结构单元,利用这些单元拼接了二维和三维龙勃透镜,并在微波暗室中对实物进行了实验测试。实验采用单极子天线作为馈源,在12-18GHz频率范围内对透镜天线的近场及远场特性进行了测量。实验表明该二维及三维龙勃透镜在宽频率范围工作良好,且测试结果与仿真结果吻合较好。研究结果表明,本文利用可重组方案基于超材料技术设计的可插拔结构任意拼接透镜为实现具有任意电磁操纵能力的全电介质透镜提供了技术储备,具有广阔的应用前景。
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