三維放大透鏡的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種三維放大透鏡，為半球形結(jié)構(gòu)，包括位于中心且介電常數(shù)恒定的半球形的放大部分和位于放大部分外部的匹配部分，可以在微波頻段實現(xiàn)放大成像的作用。無論是光波段還是微波頻段，由于凋落波的存在，都不可避免的存在衍射極限的問題，分辨率極限值為1/2波長。本實用新型首次實現(xiàn)了微波頻段三維高分辨率成像，打破了傳統(tǒng)的衍射極限。在本實用新型中，放大倍數(shù)是可以人為設(shè)定的。由于透鏡折射率的值變化范圍比較大，一種材料難以實現(xiàn)，故本實用新型中共采用了四種高頻板材，采用亞波長結(jié)構(gòu)打孔的辦法，實現(xiàn)折射率的離散漸變。此外，本實用新型還具有穩(wěn)定性高，損耗小，工作頻帶寬等優(yōu)良性能。
【專利說明】三維放大透鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于微波成像領(lǐng)域，涉及一種微波三維放大裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著納米科學(xué)和生命科學(xué)的研究不斷深入，希望獲得更高的空間分辨率的要求也 變得更為突出。由于凋落波迅速衰落，其所攜帶的高頻信息就無法在自由空間中進(jìn)行傳輸， 所以傳統(tǒng)的顯微鏡的分辨率都被限制在半個波長。如何克服衍射限制超越傳統(tǒng)的分辨極 限，是當(dāng)前非常重要的一個熱點(diǎn)研究問題。
[0003] 為了打破這個瓶頸，一系列的基于超材料的超透鏡應(yīng)運(yùn)而生，但是這些超透鏡都 有個共同的缺點(diǎn)就是工作頻段比較窄，而且僅僅存在在實驗階段，很難推廣到具體應(yīng)用。本 實用新型利用一個改善的內(nèi)嵌式透鏡很好的解決了這些問題，性能穩(wěn)定，工作頻帶較寬，這 些都更便于將其推廣到實際應(yīng)用。 實用新型內(nèi)容
[0004] 技術(shù)問題：本實用新型提供一種充分利用了新型人工電磁材料調(diào)控電磁波的特 性，可將分辨率提升到原來的4倍，在整個X波段都起作用，整套裝置易于加工可批量生產(chǎn)， 還可推廣到米波毫米波太赫茲以及光波段的三維放大透鏡。
[0005] 技術(shù)方案：本實用新型的三維放大透鏡為半球形結(jié)構(gòu)，包括位于中心且介電常數(shù) 恒定的半球形的放大部分和位于放大部分外部的匹配部分，匹配部分界面的介電常數(shù)與放 大部分的介電常數(shù)相同，外界面的介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)相同，匹配部分的介電常數(shù) 沿半球形的徑向，按如下函數(shù)關(guān)系遞減：
[0006] ^=(-)2.￡·〇 ⑴ r
[0007] 其中eb為匹配部分上距離球心為r 一點(diǎn)的介電常數(shù)，％為外部空氣的介電常數(shù)， r為匹配部分上一點(diǎn)距離球心的距離，b為球心到匹配部分外界面的距離。
[0008] 本實用新型中，放大部分的介電常數(shù)表達(dá)式為： /b、2
[0009] 弋=(_)々;〇 ⑵ a
[0010] 其中ε a為放大區(qū)域的介電常數(shù)，a為球心到放大部分和匹配部分分界面的距離。 [0011] 本實用新型的優(yōu)選方案中，透鏡的半球形結(jié)構(gòu)由平行于底面的圓盤狀切片疊加而 成，切片上位于匹配部分的區(qū)域加工有用以減小介電常數(shù)的通孔，通孔在切片上的設(shè)置和 分布方式滿足匹配部分的介電常數(shù)遞減關(guān)系。
[0012] 本實用新型的上述優(yōu)選方案中，透鏡的半球形結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一個切片采用單一介電 常數(shù)材質(zhì)不能滿足匹配部分的介電常數(shù)遞減關(guān)系時，則該切片由介電常數(shù)從內(nèi)向外依次減 小的多個環(huán)形片材拼接而成。
[0013] 本實用新型是根據(jù)光學(xué)變換的理論設(shè)計的，利用光學(xué)變換，我們把介電常數(shù)、磁導(dǎo) 率等張量和空間變換進(jìn)行等效。整個變換實際上是人眼所看到的等效空間和實際客觀存在 的物理空間一種映射關(guān)系，在變換前后，空間沒有發(fā)生變化，只是材料的電磁參數(shù)發(fā)生了轉(zhuǎn) 化。換言之，空間的扭曲完全等效為材料電磁參數(shù)的變換。經(jīng)過一系列的公式推導(dǎo)，最終得 到透鏡折射率分布的參數(shù)表達(dá)式為（推導(dǎo)過程在【具體實施方式】中詳細(xì)介紹）： ,、 \b / a r < a
[0014] n{r) = (3)
[b / r a < r < b
[0015] 本實用新型只是制作了一個半球型透鏡，根據(jù)上述的原理分析，這個三維放大裝 置是球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，所以半球型的透鏡并不會對其放大效果產(chǎn)生太大的影響。根據(jù)理論公式 所構(gòu)建的理想模型的縱切面如圖3所示，區(qū)域I對應(yīng)放大部分1，區(qū)域II對應(yīng)的則是匹配 部分。按照理論設(shè)計，區(qū)域II應(yīng)該對應(yīng)為一個整體球殼，而且折射率由內(nèi)向外線性變化，漸 變?yōu)?。現(xiàn)實中無法實現(xiàn)介電常數(shù)連續(xù)的變化，所以在本實用新型中，初步想法是把的區(qū)域 II離散成15層厚度均勻的同心球殼，用意是將折射率由理想線性變化變成離散線性變化， 實際生活中更易于實現(xiàn)，這15層球殼折射率由內(nèi)向外線性遞減。
[0016] 區(qū)域II中15層球殼的介電常數(shù)跨度較大，需要用到很多種介電常數(shù)不同的材料， 現(xiàn)實生活中也很難找到介電常數(shù)值相吻合的材料。在本實用新型中，超材料的作用得到有 力的發(fā)揮，有一種超材料的實現(xiàn)方式為打孔的方式。即將原有的介質(zhì)板進(jìn)行打孔，根據(jù)孔徑 的大小，最后得到的材料的介電常數(shù)也會隨之變化。其變化關(guān)系大致遵循著，孔徑越大介電 常數(shù)越小的一個規(guī)律。
[0017] 球殼的加工難度比較大，加工精度也是難以保證，故在理想半球形透鏡的基礎(chǔ)上， 再次進(jìn)行二次離散化。如圖4(a)所示，將半球離散化成了 22個圓片，在實用新型中22片 圓片用來模擬半球透鏡。每片圓片的厚度限制于超材料的等效媒質(zhì)理論。簡單來說超材料 是有一個個細(xì)微的單元結(jié)構(gòu)陣列組成，針對不同的工作頻段，對單元結(jié)構(gòu)的尺寸要求也是 不同的。一般來講，組成超材料的每一個單元結(jié)構(gòu)的尺寸大小是其工作波長的十分之一左 右。僅僅橫向的離散還不夠，還要進(jìn)行縱向的離散化。再次離散后的縱向切面圖如圖4(b) 所示，橫向切面圖則如圖5?8所示。第二次離散相當(dāng)于將每一個圓片分割成一個個同心 圓環(huán)，每個圓環(huán)的寬度同樣也限制于超材料的等效媒質(zhì)理論。
[0018] 實際物理空間中的區(qū)域II的理想情況是由內(nèi)向外，折射率線性遞減，如圖4(b)所 示，半球型的放大透鏡被離散化成為一個個小方塊，每個小方塊的折射率可以通過打孔的 孔徑大小不同來調(diào)節(jié)。計算出每個單元塊的中心點(diǎn)到球心的距離，然后根據(jù)折射率分布公 式推算出此單元塊的折射率的值，通過調(diào)節(jié)打孔的孔徑大小即可實現(xiàn)所需要的折射率。
[0019] 經(jīng)過多方面的權(quán)衡，最終選取了四種材料來作為制作微波三維高分辨率放大裝置 的基材。這四種材料分別為介電常數(shù)16的TP-2板材；介電常數(shù)6的TP-2板材；介電常數(shù) 為3的F4B型板材；介電常數(shù)為2. 2的F4B型板材，這四種板材的組合順序以及孔徑的大小 分布會在【具體實施方式】中明確給出。
[0020] 有益效果：本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 本實用新型提供的基于新型人工電磁材料的微波三維高分辨率放大透鏡，是一種 高分辨率放大裝置，可以成倍的提高分辨率?，F(xiàn)有很多放大透鏡，它們的分辨率往往是限制 于其結(jié)構(gòu)，也就是說其放大倍數(shù)并不能人為的進(jìn)行設(shè)定。而我們的實用新型，其放大倍數(shù)是 由我們來設(shè)定，也就是說我們可以根據(jù)不同的需要來設(shè)計不同的放大透鏡。
[0022] 市面上現(xiàn)有的一些放大透鏡采用的是諧振結(jié)構(gòu)，利用諧振來實現(xiàn)亞波長成像，而 本實用新型采用的是打孔的方式來實現(xiàn)的。打孔方式相比于其他的實現(xiàn)方案有幾個優(yōu)點(diǎn)： 其一，電磁波從不同的方向入射時打孔結(jié)構(gòu)的電磁特性變化不大，基本上可以等效成成是 各項同性材料；其二，打孔結(jié)構(gòu)并不是通過諧振來實現(xiàn)特定的電磁特性，所以這種材料的損 耗非常??；其三，這種打孔超材料可以在很寬的頻段內(nèi)保持相同的電磁特性，這就可以保證 它可以工作在一個很寬的工作頻帶。
[0023] 相比于其他放大透鏡繁瑣的加工工藝，以及其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，本實用新型制作簡單、 工藝成熟、價格不高、便于推廣。
[0024] 大部分放大透鏡都是針對性設(shè)計，只能使用在固定的頻段，而本實用新型是原理 性實用新型，可通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的縮放，適用于微波、毫米波和太赫茲波等不同波段。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖
[0026] 圖2為本實用新型所用到的坐標(biāo)變換示意圖：
[0027] 圖3為本實用新型的理想結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖4(a)以及圖4(b)為本實用新型離散化后的縱向切面圖；
[0029] 圖5為本實用新型第二層打孔圓片的橫切面示意圖；
[0030] 圖6為本實用新型第十二層打孔圓片的橫切面示意圖；
[0031] 圖7為本實用新型第十七層打孔圓片的橫切面示意圖；
[0032] 圖8為本實用新型第十九層打孔圓片的橫切面示意圖；
[0033] 圖9為實驗測試中無高分辨率透鏡情況下，兩個饋源距離為7mm，8Ghz頻率下的近 場電場分布圖；
[0034] 圖10為實驗測試中無高分辨率透鏡情況下，兩個饋源距離為7mm，lOGhz頻率下的 近場電場分布圖；
[0035] 圖11為實驗測試中無高分辨率透鏡情況下，兩個饋源距離為7mm，12Ghz頻率下的 近場電場分布圖；
[0036] 圖12為實驗測試中無高分辨率透鏡情況下，兩個饋源距離為28mm，8Ghz頻率下的 近場電場分布圖；
[0037] 圖13為實驗測試中無高分辨率透鏡情況下，兩個饋源距離為28mm，lOGhz頻率下 的近場電場分布圖；
[0038] 圖14為實驗測試中無高分辨率透鏡情況下，兩個饋源距離為28mm，12Ghz頻率下 的近場電場分布圖；
[0039] 圖15為實驗測試中有高分辨率透鏡情況下，兩個饋源距離為7mm，8Ghz頻率下的 近場電場分布圖；
[0040] 圖16為實驗測試中有高分辨率透鏡情況下，兩個饋源距離為7mm，lOGhz頻率下的 近場電場分布圖；
[0041] 圖17為實驗測試中有高分辨率透鏡情況下，兩個饋源距離為7mm，12Ghz頻率下的 近場電場分布圖。
[0042] 圖中有：放大部分1、匹配部分2。

【具體實施方式】
[0043] 下面結(jié)合實施例和說明書附圖，進(jìn)一步闡述說明本實用新型。
[0044] 如圖2中圖（a)和圖（b)所示，為了設(shè)計這個超透鏡需要進(jìn)行雙重變換。實際的 物理空間和虛擬空間分別建立在（x，y，z)和（X'，y'，z')坐標(biāo)系之下。先是虛擬空間 的一個球形區(qū)域（r'彡b-δ)被壓縮到實際物理空間的區(qū)域A(r彡a)中。第二步將虛擬 空間中的環(huán)形區(qū)域（b-δ <r'彡b)拉伸到實際空間物理中的區(qū)域B(a<r<b)。進(jìn)行 了如上變換之后，實際物理空間中兩個靠的很近的源S1和S2的遠(yuǎn)場方向圖可以等效成為 虛擬空間中兩個距離較遠(yuǎn)的源sr和s2'的遠(yuǎn)場方向圖，這樣就相當(dāng)于實現(xiàn)了放大透鏡 的功能。
[0045] 為了將虛擬空間中的球形區(qū)域（r'彡b-δ)壓縮到實際空間中的區(qū)域A(r<a)， 會使用到下列公式：
[0046] r = ^Zsr>, φ = φ\ Θ = & ⑷
[0047] 相應(yīng)的實際物理空間中區(qū)域Α中的參數(shù)表達(dá)式變更為： ,.(b-δ b-δ b-δΛ
[0048] ε-u-d I a g-,-,- (5) V a a a )
[0049] 將虛擬空間中的環(huán)形區(qū)域（b-δ <r'彡b)拉伸到實際空間中的區(qū)域B(a < r < b)所用到的變換公式如下所示： T
[0050] r = --b)+b , φ = φ'. θ = θ' (6) δ
[0051] 對應(yīng)實際物理空間中區(qū)域Β中的參數(shù)表達(dá)式為： (b-af/)2 δ δ Λ
[0052] s = u = diag ---,---,--- (7) 、? \r J b-a b-a ^
[0053] 公式（7)可以用含有折射率的表達(dá)式來替代，經(jīng)過簡化后的表達(dá)式為： i b-0 ζ - r<a
[0054] η(ι) = < / / r，(8) diag -，一，一 a < r < b ^ [b-a r r)
[0055] 當(dāng)δ - 〇時，公式⑶可以進(jìn)一步簡化： ? b - r <a
[0056] n(r) = \ 廣 b 9) diag a <r< b 、r r)
[0057] 區(qū)域B中的材料是各向異性的，而且鏡像折射率接近于零，而現(xiàn)實生活中很難實 現(xiàn)各向異性的材料，所以材料的參數(shù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的簡化。關(guān)鍵的一點(diǎn)在于，數(shù)值分析表 明徑向折射率發(fā)生變化時遠(yuǎn)場方向圖幾乎保持不變。所以，可以對參數(shù)做如下簡化，即讓\ =h = ηθ = b/r，最終得到透鏡的折射率表達(dá)式為： \b!a r <a
[0058] n{r) = \ CIO)
[b!r a <r<b
[0059] 進(jìn)一步寫出介電常數(shù)的表達(dá)式為： (//)" r<a
[0060] ε(χ)二》/c\ - (11) (h/rf a<r^h
[0061] 放大部分1的外界面和匹配部分2的內(nèi)界面是完全重合的。由公式（11)可以看 出，匹配部分2的介電常數(shù)是連續(xù)變化的。匹配部分2對應(yīng)的是圖3中的區(qū)域II。為了 實現(xiàn)折射率的線性遞減，本實用新型中采取的辦法是讓每一個匹配層的相對磁導(dǎo)率保持不 變，通過調(diào)節(jié)相對介電常數(shù)來實現(xiàn)折射率的線性變換。區(qū)域II所對應(yīng)的15層球殼由內(nèi)向 外相對介電常數(shù)分布為：
[0062] 層數(shù) |第一層|第二層|第三層|第四層|第五層|第六層|第七層 介電常數(shù) --1 93 Z6 625 52 4A 3^8~ 第八層~~第九層第十層第十一第十二~~1+ξWTm~~第十五 ____Μ__Μ__Μ__Μ__層 3.3 2.9 2.56 2.3 2.04 1.84 1.66 1.51
[0063] 如同技術(shù)方案中的描述，將球殼再次進(jìn)行二次離散化。如圖4(a)所示，將半球離 散化成了 22個圓片，每片圓片厚度設(shè)定為3mm，圓片的厚度限制于超材料的等效媒質(zhì)理論。 僅僅橫向的離散還不夠，還要進(jìn)行縱向的離散化。再次離散后的縱向切面圖如圖4(b)所 示，橫向切面圖則如圖5?8所示。第二次離散相當(dāng)于將每一個圓片分割成一個個同心圓 環(huán)，每個圓環(huán)的寬度設(shè)定為3_，同樣也限制于超材料的等效媒質(zhì)理論。
[0064] 半球型的放大透鏡被離散化成為一個個小塊，每個小方塊的折射率可以通過打孔 的孔徑大小不同來調(diào)節(jié)。計算出每個單元塊的中心點(diǎn)到球心的距離，然后根據(jù)折射率分布 公式推算出此單元塊的折射率的值。將原有的介質(zhì)板進(jìn)行打孔，根據(jù)孔徑的大小，最后得到 的材料的介電常數(shù)也會隨之變化。其變化關(guān)系大致遵循著，孔徑越大介電常數(shù)越小的一個 規(guī)律。
[0065] 圖5給出的是第一層高頻介質(zhì)圓片橫切面的示意圖，是由四塊高頻板材組合而 成。由內(nèi)向外的組成依次為：介電常數(shù)16的TP-2板材半徑為31. 5mm ;介電常數(shù)6的TP-2 板材，外徑為43. 5mm ;介電常數(shù)為3的F4B型板材，外徑為52. 5mm ;介電常數(shù)為2. 2的F4B 型板材，外徑為66. 5mm。
[0066] 為了實現(xiàn)折射率漸變，將圓形介質(zhì)片離散成二十二個同心圓環(huán)，離散的步長為 3mm，然后采用分層打孔的辦法來實現(xiàn)我們需求的折射率數(shù)值。孔的半徑大小分布情況由圓 盤中心向外依次為（mm):
[0067] 0 ?ο ?ο ?ο ?ο ?ο ?ο |〇· 65 |〇· 9 |?· 1 |?· 2 0. 5 0. 75 0. 95 1. 1 0. 25 0. 65 0. 9~0Γδ~0. 8 ? ~L2
[0068] 注：表格中的孔徑為Ο表示其所在的離散層并沒有進(jìn)行打孔
[0069] 第二層到第十一層介質(zhì)片有一個共同點(diǎn)在于都是由4個不同材質(zhì)的高頻介質(zhì)材 料組合而成，由內(nèi)向外四種圓環(huán)的組成材質(zhì)分別是介電常數(shù)16的ΤΡ-2板材；介電常數(shù)6的 ΤΡ-2板材；介電常數(shù)為3的F4B型板材；介電常數(shù)為2. 2的F4B型板材。由內(nèi)向外把四種 板材組成的圓環(huán)分別標(biāo)記成1，2,3,4,這四個圓環(huán)的尺寸如下表所示：
[0070] 內(nèi)徑/mm 外徑/mm ? 2 3 4 ? 2 3 4 第 2 層 0 3L5 433 5Z5 3L5 43J 525 66J~ 第 3 層 0 28J 433 52J 28J 4^5 5Z5 663~ 第4 層 0 28J 43^5 523 283 4?5 5Z5 66J~ 第 5 層 0 283 433 49^ 28^ 43^ 49J 66^5^ 第6層 0 253 403 493 2^5 403 493 663~ 第7層 0 253 403 493 2^5 403 495 663~ 第 8 層 〇 2?5 403 49J 2^5 403 4^5 63^~ 第9層 〇 19J 3X5 463 1^5 3X5 463 63J~ 第 10層 0 163 343 463 163 34J 463 603~ 第 11層 0 ?(λ5 34J 4?5 ?05 34^ 4?5 605^
[0072] 第2層到第11層高頻介質(zhì)板上孔的半徑大小分布情況由圓盤中心向外依次為 (mm)：
[0073] 第2層I第3層I第4層I第5層I第6層I第7層I第8層I第9層I第10 I第11 _________屋__層 0 ~ 0 0 ~ 0 ~ 0 0 ~ 0 ~ 0.8 1 1.15 0 ~ 0 0 ~ 0 ~ 0 0-0 ~ 0.85 1.05 1.15 0 ~ 0 0 ~ 0 ~ 0 0 ~ 0 ~ 0.9 1.05 1.2 0 0 0 - 0 ~ 0 ~0 0.75 0.95 ~1.1 1.2 0 ~ 0 0 ~ 0 ~ 0 0.65- 0.9 ~ 1.05 1.15 0.2 0 ~ 0 0 ~ 0 ~0.65 0.85- 1 ~ 1.1 1.2 0.45 0 ~ 0 0.5 ~ 0.7 ~0.85 1 - 1.1 ~ 1.2 0.3 0.6 0.7 ~ 0.75 0.85~ 0.9 " 1 ~Γ.1 1.2 0.2 ~0.55 0.75 0.95 ~0.95 1 - 1.1 ~ 1.15 1.2- 0.25 ~ 0.55 0.75 0.9 1.1 ~ 1.1 1.15- 1.2 ~0.15 0.35- 0.6 _ 0.75 0.9 1 1.2 ~ 0.15 0.1 廠 0.35 0.55 ~1λ65 0.8 0.9 -1 1.1 0.5 ~ 0.55 0.6~ 0.7 0.75 ~085 0.95 1 ~1.1 1.15 0,75 ~ 0.8 0.85~~ 0.9 0.95 ^? 1.05 1.1 1.15 0.5 0.95 ~ 0.95 1 一 1.05 " 1.05 ~Γ.1 1.15 0.35 ~0.55 0.75 1.1 1.1 1.1 ~ 1.15 0.15 ~〇Γ35 0.55 0.65 ~5.8 0.9 0.25 ~ 0.3 0.4~ 0.5 " 0.6 ~0.7 0.8 0.85 ~~0.95 0.45 0.65 ~ 0.7 0.7~ 0.75 0.85 ~0.9 0.95 0.4 ~0.6 0.75 0.9 ~ 0.9 0.95~~ 0,15 0.35 ~(?5 0.6 0.75 ~~0.85 0.95 0.5 ~ 0.55 0.6~ 0.65 " 0.7 ~0.8 0.85 0.95 "Τ.05 1.1 0.8 ~0.85 0.85- 0.9 ~0.95 1 1.05 1.1 1.2 1.25 1 ~T〇5~ 1.05 1.1 -1.1 1.15 1.2 1.25 1.2 1,2 1.2 1.25 1.25 1.3 [
[0074] 放大透鏡中第12層高頻介質(zhì)板的橫切面如圖6所示。這放大透鏡中的第12層到 第16層介質(zhì)片的共同點(diǎn)在于都是由3種不同高頻介質(zhì)材料組合而成，由內(nèi)向外三種圓環(huán)的 組成材質(zhì)分別是介電常數(shù)6的ΤΡ-2板材；介電常數(shù)為3的F4B型板材；介電常數(shù)為2. 2的 F4B型板材。由內(nèi)向外把三種圓環(huán)標(biāo)記成1，2, 3,這三個圓環(huán)的尺寸如下表所示：
[0075] 內(nèi)徑/mm 外徑/mm ? 2 3 ? 2 3 第 12 層 0 3L5 405 3L5 403 55^ 第 13 層 0 253 3?3 253 3?3 553 第 14 層 0 223 34J 223 34J 523 第 15 層 0 163 3L5 163 3L5 4^5 第 16 層 0 7^5 28^5 7^5 28^5 463
[0077] 第12層到第16層介質(zhì)板上孔的半徑大小分布情況由圓盤中心向外依次為（mm):
[0078] 第12層 第13層 第14層 第15層 第16層 0.25 0.65 " 0.85 1 1.15 ~ 0.3 0.65 " 0.9 1.05 1.15 - 0.4 0.7 " 0.9 1.05 1.15 - 0.5 0.75 " 0.95 1.05 0.15 ~ 0.6 0.85 1 ~ 1.1 0.35 0.7 0.9 " 1.05 1.15 0.5 ~ 08 095 Ο (?2 06 0.9 1.05 ~ 1.15 ~ 0.45 0.7 1 1.1 ~ 0.25 ~ 0.6 0.85 1.1 0.15 " 0.55 0.75 0.95 ~ 1.15 0.45 " 0.7 0.9 0.4 - 0.45 0.7 " 0.85 0.3 0.65 - 0.7 0.85 " 0.2 0.6 0.8 ~ 0.85 0.25 " 0.6 0.8 0.95 - 0.35 0.6 " 0.8 0.95 1.1 ~ 0.65 0.85 " 0.95 1.1 1.2 ~ 0.9 1 1.1 1.2 1.05 1.15 1.2 1.2 1.25
[0079] 三維放大透鏡中第17層介質(zhì)片的橫切面如圖7所示。第17層和第18層介質(zhì)片 的共同點(diǎn)在于都是由2個不同材質(zhì)圓環(huán)組合而成，由內(nèi)向外兩種圓環(huán)的組成材質(zhì)分別是介 電常數(shù)為3的F4B型板材和介電常數(shù)為2. 2的F4B型板材。由內(nèi)向外把兩種圓環(huán)標(biāo)記成1， 2,這兩個介質(zhì)圓環(huán)的尺寸如下表所示：
[0080] 內(nèi)徑/m m 外徑/mm _ 1 2 1 I 2 第 17 層 0 2Z5 2Z5 4?5 第 18 層 0 16.5 16^ 405
[0081] 第17層和第18層介質(zhì)板上孔的半徑大小分布情況由介質(zhì)片中心向外依次為 (mm)：
[0082] ^ 0,5 0.5 〇55 0.6 0.7 〇57 〇58 0.9 0.3 〇55 0.7 〇58 1 U 1.2 ^ 0.8 0.8 0.8 °, 8 0.9 °,9 °, 3 °,5 °,. 6 0.8 0.9 1 1.1 1.2
[0083] 三維放大透鏡中第19層介質(zhì)片的橫切面如圖8所示。這四片圓盤都是由介電常 數(shù)為2. 2的F4B型板材組成。這四個圓盤的尺寸如下表所示：
[0084] |第19層|第20層|第21層|第22層~ 半徑 /nun 34. 5 28Γδ 22. 5 16. 5
[0085] 第19層到第22層介質(zhì)板上孔的半徑大小分布情況由圓盤中心向外依次為（mm):
[0086] " 0.2 0 25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 層_____________ 第20 _ 0.65 0.7 0.7 0.75 0.8 0.85 0.95 1 1.05 1.15 層___________ ^J1 0.9 0.95 0 95 1 1 1.05 1.1 1.15 層_________ ^J2 1.1 1.1 1.15 1 15 1.2 1.2 層 I I I II
[0087] 如圖9?11所示，為了對比出基于超材料的三維高分辨率透鏡的放大效果，測試 了一組在沒有放置透鏡情況下的近場電場分布圖，由左向右對應(yīng)的是選取的X波段三個頻 率點(diǎn)，8GHz，10GHz，12GHz，這三個頻點(diǎn)對應(yīng)的波長分別為37. 5mm，30mm，25mm。本實驗中選取 了兩個單極子天線作為饋源，二者間距7mm，小于三個頻點(diǎn)所對應(yīng)的1/2波長（分辨極限）。 理論上來講，由于凋落波的存在，兩個距離小于半波長的源將難以區(qū)分。故如圖25?27所 示，測得近場電場圖和只有一個單極子天線時的場圖相似，兩個單極子天線并沒有有效的 區(qū)分開來。
[0088] 由于衍射極限的存在，如果在不借助高分辨率放大透鏡的情況下將兩個源有效的 區(qū)分開來，只能是增加兩個源之間的距離，讓其大于工作頻率對應(yīng)波長的1/2。故實施了另 一組實驗，測試條件和上述相類似，只是兩個單極子天線之間的距離擴(kuò)大了四倍，由7mm轉(zhuǎn) 變成了 28mm。這一距離大于三個頻點(diǎn)對應(yīng)的半波長，也就是大于分辨極限，理論上兩個單極 子天線應(yīng)該可以有效區(qū)分。如圖12?14所示，實驗測試所得的近場電場分布和只有一個 源時的場型分布顯著不同，進(jìn)一步證明了推導(dǎo)的正確性。
[0089] 相同的測試環(huán)境，在天線前放置了半球型高分辨率放大透鏡，兩個單極子天線分 別放置在球心左右各3. 5_的位置，測得近場電場分布圖如圖31?33所示。觀察可以發(fā) 現(xiàn)在三個頻點(diǎn)，場型分布都和在饋源相距28mm時的場型非常相似。因此可以說明，高分辨 率放大透鏡將兩個距離小于分辨極限的饋源實現(xiàn)了有效的分離，并且證明本實用新型中提 到高分辨率放大透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)4倍放大。
[0090] 本實用新型中的高分辨率率放大透鏡根據(jù)工作頻段不同，可采用不同加工工藝實 現(xiàn)。
[0091] 以上僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對本實 用新型權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本實用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種三維放大透鏡，其特征在于，該透鏡為半球形結(jié)構(gòu)，包括位于中心且介電常數(shù)恒 定的半球形的放大部分（1)和位于所述放大部分（1)外部的匹配部分（2)，所述匹配部分 (2)內(nèi)界面的介電常數(shù)與放大部分（1)的介電常數(shù)相同，外界面的介電常數(shù)與空氣的介電 常數(shù)相同，匹配部分（2)的介電常數(shù)沿半球形的徑向，按如下函數(shù)關(guān)系遞減： ￡b = (_) ' ε? r 其中ε b為匹配部分⑵上距離球心為r一點(diǎn)的介電常數(shù)，ε ^為空氣的介電常數(shù)，r為 匹配部分（2)上一點(diǎn)距離球心的距離，b為球心到匹配部分（2)外界面的距離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維放大透鏡，其特征在于，所述放大部分（1)的介電常 數(shù)表達(dá)式為： ε?=(~)2 'εο a 其中ε a為放大區(qū)域（1)的介電常數(shù)，a為球心到放大部分（1)和匹配部分（2)分界面 的距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種三維放大透鏡，其特征在于，所述透鏡的半球形結(jié)構(gòu) 由平行于底面的圓盤狀切片疊加而成，所述切片上位于匹配部分（2)的區(qū)域加工有用以減 小介電常數(shù)的通孔，所述通孔在切片上的設(shè)置和分布方式滿足匹配部分（2)的介電常數(shù)遞 減關(guān)系。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種三維放大透鏡，其特征在于，所述透鏡的半球形結(jié)構(gòu)中， 當(dāng)一個切片采用單一介電常數(shù)材質(zhì)不能滿足匹配部分（2)的介電常數(shù)遞減關(guān)系時，則該切 片由介電常數(shù)從內(nèi)向外依次減小的多個環(huán)形片材拼接而成。
【文檔編號】H01Q15/02GK203883131SQ201420277624
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】蔣衛(wèi)祥, 戈碩, 崔鐵軍 申請人:東南大學(xué)