CN107959122A - 一种超轻人工介质多层圆柱透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超轻人工介质多层圆柱透镜，包括n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，为一个实心圆柱体；围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，分别为n‑1个同心圆环，n个同心层被装配成一个多层圆柱体，其特征在于，所述n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05至1.05间变化；所述n个同心层由低介电常数的基材添加高介电常数、低比重的材料制成。该超轻人工介质圆柱透镜的层数、直径和高度可以根据预定的天线指标要求设计，制成的透镜总表观密度为0.08‑0.095g/cm3，重量超轻，且频率超宽，能够满足各种天线的应用需求，抗老化、无污染，符合环保要求，设计简便，安全可靠，特别适用于密集用户及大数据业务区。

Description

一种超轻人工介质多层圆柱透镜
技术领域
本发明涉及天线工程技术领域，尤其涉及一种超轻人工介质多层圆柱透镜。
背景技术
随着移动通信4G、5G、MIMO、卫星通信、雷达、电子战等无线领域市场的需求迅速扩张，对作为无线出入口的天线也提出了新的技术要求。在满足高增益、低副瓣、窄波束、波束覆盖范围广等要求的同时还要提高网速，考虑成本、环境等需要。其中最重要的是天线既要能承载超大信息容量，又不能增加其数量、重量和站址。
近年发展的多波束天线是一种解决方案。传统的多波束天线是用多波束形成网络(BFN)激励辐射单元平面阵列、或用多级巴特勒矩阵等做成。然而，由于存在不对称波束、隔离度、网络损耗导致增益损失、频带窄等问题，使其难以大规模应用。传统的龙伯球透镜技术具有承载多天线、多波束潜力，但由于龙伯透镜重量太重及制造工艺极其复杂，长期以来只能作为雷达无源目标探测、机场跑道盲降等8GHz以上频段少量应用，难以进入民用领域。
传统的龙伯球天线主要通过打孔和发泡两种工艺来制作，过程耗时繁琐且产品质量太重。打孔方式在孔定位和加工上操作难度非常大，而且由于孔的数目较多，制作过程中存在形变和机械强度不足等问题，各部分间的牢固性低，而且这种设计方案只能实现宏观上的介电常数等效，实际上透镜天线的效率非常低；采用发泡方式制作龙伯透镜也存在一定缺陷，传统发泡方法得到的材料介电常数很难超过1.4，再想提升，材料的密度必然会很大，增大重量。而且由于发泡材料的密度难以精确控制，且发泡珠容易发生二次发泡或收缩，导致材料之间存在间隙，其介电常数难以精确控制。
为了解决以上问题，减轻龙伯球的重量，研究人员进行了几十年的努力。最近在市场上已见到应用于移动通信领域的多波束龙伯球透镜天线(在2017年美国特朗普总统就职典的百万群众集会上使用的Matsine Ball，US20110003131A1)该发明人介绍，Matsine龙伯球比天然介质材料(聚四氟乙烯)要轻8倍，比市场上有的人造介质龙伯球要轻3-4倍，是迄今最轻的人造介质龙伯球，天线增益为21dBi。Matsine龙伯球天线与传统移动通信基站天线一样，也配有复杂的垂直波束下倾机构，这是由于垂直面波束宽度窄的缘故，这增加了应用的操作难度、复杂性和成本。
中国发明专利(201511027751.3：一种轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线)公开了一种三层柱面龙伯介质透镜天线，该发明主要通过在低介电常数圆盘状基底材料上开孔填充高介电常数介质材料来实现所需渐变介电常数，三层透镜上面的孔密度由外向内依次变密集。这种方法得到各透镜层的介电常数难以控制，很难得到各层的具体介电常数值，只能从宏观上实现介电常数的变化。且在基底材料上开孔的过程较为繁琐，钻孔加工难度较大，孔数目较多，需考虑材料的形变和机械强度。并且该透镜天线是扁平状的，在垂直面辐射上也没有优势。
中国发明专利(201610393370.5：龙伯透镜天线的制造方法)公开了一种龙伯透镜天线的制造方法，包括如下步骤：对发泡原料进行预发泡处理；根据龙伯透镜天线各透镜层的设计值，对预发泡后的发泡原料进行配置，得到发泡原料粒子组合，并制作对应的模具；将发泡原料粒子组合加入到对应的模具中进行成型，得到龙伯透镜天线的各透镜层；将各透镜层进行组装。该发明虽然能够提高龙伯透镜各透镜层的介电常数的精确度，提高龙伯透镜天线的工作性能。但制作过程较为繁琐，且使用模具复杂，对温度和反应时间控制非常精确，难以大批量生产。
另外，航天特种材料及工艺技术研究所申请了一系列龙伯透镜天线相关专利，包括球形和半球形龙伯透镜，结构和制造方法较为类似。以中国实用新型专利(201520112560.6：一种半球龙伯透镜天线)为例，其公开了一种半球龙伯透镜天线，由n个介电常数不同的半球层组成，该透镜使用增材制造(通常称3D打印)的方式制作，所制作的透镜中包含各种形状、大小的空腔，最终实现介电常数的渐变。使用该方法制备透镜虽然不需要模具，各层介电常数可以得到较为精确的控制，但是，使用增材制造方式来制作透镜在材料的选择上有一定限制，无法使用密度非常低的泡沫类材料。例如该实用新型实施例中使用的PLA或ABS，材料的密度都较大，即使制备的透镜中包含一定的空腔，透镜的总表观密度也很难达到非常低的水平，制作的透镜重量还是很难有大的突破性的降低。应用于民用领域中时质量上仍不占优势。
中国发明专利(200580038415.7：Luneberg介电透镜及其制造方法)公开了一种半球形介电透镜，其包括多个同心的半球层，每层都是含0至80重量％陶瓷的热塑性树脂膨胀珠的泡沫模制品。该发明公开的半球形介电透镜虽然能够克服传统天线的缺点能够实现较大增益且质量较轻，但透镜制造过程中需要将陶瓷与泡沫膨胀珠混合后再使用模具进行发泡，对工艺条件要求较高，且制备模具花费时间较长。另外，其实施例中提供的半球形透镜总表观密度在0.17-0.27g/cm3之间，这个密度虽然已经比现有技术中大多数透镜要低，但仍有继续优化的可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有球形或半球形龙伯透镜存在的加工不易、质量过大、垂直面波束宽度窄的缺陷，提供一种加工简单、质量超轻、频率超宽、垂直面波束宽覆盖的人工介质圆柱透镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超轻人工介质多层圆柱透镜，包括n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，为一个实心圆柱体；围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，分别为n-1个同心圆环，n个同心层被装配成一个多层圆柱体，其特征在于，所述n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05至1.05间变化；所述n个同心层中每层都包括低介电常数的基材和高介电常数、低比重的添加材料；所述基材为轻型发泡介质材料，具体为密度0.02-0.03g/cm3的材料；其中，每单位体积所述n个同心层中添加材料的含量从第1层至第n层逐渐减少。
优选地，所述轻型发泡介质材料为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯。
优选地，所述添加材料包括陶瓷粉、铝银粉、金属丝中的一种或几种。
优选地，各同心层介电常数由各层中包含所述添加材料的电磁响应和密度决定。
其中，所述圆柱透镜中n个同心层的介电常数值是通过通过介电常数测试仪测试确定的。
其中，所述第2至第n个同心层制备完成后形成n-1个同心圆环，并与所述第1层套叠成所述圆柱透镜，套叠时应保证各层之间紧密无缝隙。
其中，所述圆柱透镜的结构参数和性能参数根据天线的实际工作需要确定。
优选地，所述结构参数包括所述圆柱透镜的直径、高度、层数，所述性能参数包括各同心层的介电常数值。
优选地，所述圆柱透镜的直径为20-90cm，高度为20-70cm。
其中，所述圆柱透镜的总表观密度为0.08-0.095g/cm3。
另外，本发明提供的圆柱透镜还可用于天线系统中构造超宽频多波束天线，所述超宽频是指频率为0.6GHz-28GHz。
本发明提供的超轻人工介质多层圆柱透镜，其制作方法包括如下步骤：
(1)选取轻型发泡介质材料作为基材；
(2)确定人工介质多层圆柱透镜的各项参数；
(3)向所述基材中加入不同配比的高介电常数、低比重的添加材料，初制各层基片小样，测试各层基片小样的介电常数值；
(4)根据所测各层基片小样的介电常数值调整每层中添加材料的量，最终得到符合介电常数设计要求的各层基片小样；
(5)将步骤(4)中各层基片小样均匀放大，将第2-n层制成同心圆环，并与第1个同心层装配成n层同心圆柱体，作为粗制的圆柱透镜；
(6)将初制的圆柱透镜在天线测量的微波暗室检验，测试天线的增益、方向图，根据天线参数调整各同心层的介电常数值；
(7)根据第(6)步确定的介电常数值最终确定各同心层中应加入的添加材料的量；
(8)制备各同心层基片小样，并参考步骤(5)的方式放大、套叠成所需圆柱透镜；
(9)测试制得的圆柱透镜的与天线单元结合后形成天线的增益、方向图，直至符合设计要求。
与现有技术相对比，本发明产生的有益效果是：
(1)本发明提供的超轻人工介质透镜通过将高介电常数材料加入低介电常数基材中的方法来改变透镜不同层的介电常数，制作工艺简单，方便快捷，且最终制得的各层材料介电常数可通过测量得到精确值，克服了传统工艺中打孔容易造成的机械形变以及介电常数不准确的问题，也不会出现发泡工艺中可能出现的二次发泡或材料收缩造成各层之间有间隙的情况。
(2)与传统球形或半球形龙伯透镜相比，本发明提供的人工介质多层圆柱透镜制作工艺更为简单，选用圆柱形代替球形或半球形，用于天线中，具备多波束且垂直平面方向图宽的特性。
(3)本发明提供的人工介质多层圆柱透镜，其层数、高度以及直径都可以根据天线指标的具体需要制作，最重要的是，制得的透镜质量超轻，密度超低，总表观密度仅为0.08-0.095g/cm3，低于现有技术中所有人工介质透镜，而且具有超宽频(甚至可应用于28GHz以上频率)特性。这将大大拓宽该透镜在第五代(5G)民用及军用领域的应用，与天线技术结合成人工介质透镜天线，尤其适用于人群密集区域及大数据流量业务区。
(4)本发明提供的透镜能够应用于天线领域，为构建多波束天线提供实用载体，使用时，通常将天线单元固定在人工介质多层圆柱透镜外侧，与传统的电调天线相比能够实现垂直面波瓣更宽覆盖，且在覆盖大部分区域内场强全面占优，因此能够省去传统的垂直波瓣电调下倾机构，能够将传统基站天线(包括龙伯球多波束天线)中的二维扫描固定宽扇区化(水平面及垂直面宽覆盖同时存在)，节省大量能耗及成本，节省站点资源，特别适用于人群密集区域及大数据流量业务区。
(5)本发明提供的人工介质多层圆柱透镜，制造工艺简单，且由于透镜体积较小，重量超轻，频带超宽，使用该透镜的天线能够应用于军民领域，克服了传统天线过于笨重或设备复杂难以进入民用领域的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明提供的人工介质6层圆柱透镜立体图；
图2是本发明提供的人工介质6层圆柱透镜横截面图；
图3是本发明提供的人工介质10层圆柱透镜横截面图。
具体实施方式
本发明提供的一种超轻人工介质多层圆柱透镜，包括n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，为一个实心圆柱体；围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，分别为n-1个同心圆环，n个同心层被装配成一个多层圆柱体，其特征在于，所述n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05至1.05间变化；所述n个同心层中每层都包括低介电常数的基材和高介电常数、低比重的添加材料，通过在基材中添加高介电常数的材料提高其介电常数。
其中，所述基材为轻型发泡介质材料，可以由以下的材料所制成：聚乙烯，聚苯乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯，聚氨酯和聚氯乙烯，其中优选密度为0.02-0.03g/cm3的材料，更优选为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯。
其中，每单位体积所述n个同心层中所包含添加材料的量从第1层至第n层逐渐减少，所述添加材料为介电常数较高的材料，与低介电常数的基材配合，使n个同心层能够实现介电常数渐变。在选择添加材料时，应考虑其密度和电磁响应，为拓宽透镜的应用范围，降低透镜质量，应尽量选择密度较低而介电常数较高的材料。综合考虑以上因素，本发明中所述添加材料优选为陶瓷粉、铝银粉、金属丝中的一种或几种，该添加材料外形上可以为圆柱状、粉末状、块状、针状、球状等，优选为针状或球状。
制备本发明所述的圆柱透镜时，首先根据设计的介电常数值，在所选基材中加入根据密度和电磁响应选择的添加材料，初制出各层基片小样。各层中每单位体积所含添加材料的量由第1层向第n层逐层减少。由于本发明所用基材是低介电常数的轻质泡沫材料，在基材中添加高介电常数的添加材料后，圆柱透镜的各个同心层的介电常数值会随着单位体积中添加材料量的增加而提高。应当注意，最外层也就是第n层中所含添加材料的量应该极少，也可以为0，以保证最外层介电常数更接近空气。
随后使用介电常数测试仪测试各初制小样的介电常数值，根据测量所得介电常数等效值的+/-0.05调整每层中所加高介电常数的添加材料的量，并重新制作小样，重新测试，直至最终得到符合介电常数初始设计要求的各同心层基片小样。
将各同心层基片小样均匀放大，得到各个同心层。随后将第2-n层制成同心圆环，与放大成实心圆柱状的第1层装配在一起，形成一个n层同心圆柱透镜的粗制品。应当注意，透镜的效率会受到各层之间间隙的影响，间隙越多、越大，透镜效率越低。这是因为，缝隙大时，无线电波通过空气—层界面时会被不必要地反射或折射，这将导致天线增益的减少或旁瓣的增加。因此，在将n个同心层装配成圆柱透镜时应尽量保证不留缝隙，紧密粘接成多层圆柱体。
将以上制得的初制圆柱透镜与天线技术结合成人工介质透镜天线，在天线测量的微波暗室检验，测试天线的增益、方向图，根据天线参数调整各同心层的介电常数值；测试天线的增益、方向图(具体见本发明人的其他发明专利申请：201711016223.7：基于人工介质圆柱透镜扇区多波束天线；201711016267.X：基于人工介质圆柱透镜高楼覆盖多波束天线；201711009402.8：基于人工介质圆柱透镜全向多波束天线)，根据天线参数调整各同心层的介电常数值，最终确定各同心层中应加入的添加材料的量。
根据确定的添加量重新制备各同心层基片小样，并放大，套叠成所需圆柱透镜。随后对制得的圆柱透镜与天线单元结合后形成天线进行测量，测试天线的增益、方向图，保证各项指标参数符合设计要求。
应当注意，添加材料的电磁响应不同应当会影响到介电常数值，所以每层中添加材料的量不同会影响各层小样的介电常数值，实质上也是添加材料的电磁响应不同影响透镜各层的介电常数值。添加材料的电磁响应值对透镜性能的影响是通过介电常数测试仪测试的介电常数值以及最后制成的天线测量指标表现出来的，因此在制作过程中要综合考虑透镜各项指标选择添加材料及添加量。
本发明所用圆柱透镜的层数、高度、直径，以及天线单元的个数，在圆柱透镜外的排列方式等均可以根据应用场景和天线指标选择或制作，可适应各种应用需要。
因为需要令人满意的天线性能和安装空间需求，本发明提供的圆柱透镜高度优选20-70cm，更优选25-60cm，最优选30-50cm，圆柱透镜的直径优选20-90cm，更优选30-60cm，最优选35-50cm。
本发明提供的超轻人工介质多层圆柱透镜中所述“超轻”是在透镜最终制备完成后，整个透镜的总表观密度为0.08-0.095g/cm3，对比聚苯乙烯密度1.05g/cm3可计算出本发明提供的超轻人工介质多层圆柱透镜比聚苯乙烯约轻11倍。与中国发明专利(200580038415.7：Luneberg介电透镜及其制造方法)中实施例透露的透镜总表观密度0.17-0.27g/cm3相比，本发明提供的透镜密度比它低2-3倍，与传统天线相比较也具有极大优势。这一超轻特性使它的应用范围比过去将大大扩展。
本发明提供的超轻人工介质多层圆柱透镜具有频率超宽的特性，具体是指其应用频率可从移动通信的0.6GHz直至28GHz及以上频段呈现几乎相同的性能(介电常数、低插损)。使它在电磁辐射和散射领域具有极其广阔前景。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细的说明。
实施例1：
参考图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，提供一种6层人工介质圆柱透镜，透镜高度为30cm，直径为36cm，表1为透镜各层指标的具体参数，最终制成的透镜总表观密度仅为0.092g/cm3，密度超低，质量超轻。
表1
层 1层 2层 3层 4层 5层 6层
设计介电常数值 1.85 1.6 1.45 1.3 1.15 1.08
最终介电常数值 1.85+/-0.05 1.6+/-0.05 1.45+/-0.06 1.3+/-0.07 1.15+/-0.03 1.08+/-0.03
内径(mm) — 95.5 156.4 208.6 256.9 311.4
外径(mm) 95.4 156.3 208.4 256.8 311.2 360.2
当该圆柱透镜应用于多波束天线中时，由于其柱状结构在俯仰面上的特殊作用，与传统球形或半球形龙伯透镜相比，能够省去复杂的电调下倾机构，例如本发明提供的6层圆柱透镜，在2500MHz频率下工作时，单元天线激励所得到的天线增益能达到18.39dBi。
实施例2：
参考图3所示，在本发明的另一个实施例中，提供一种10层人工介质圆柱透镜，高度为50cm，直径为65cm，表2为透镜各层指标的具体参数，最终制成的透镜总表观密度仅为0.086g/cm3，密度超低，质量超轻，应用范围更广。
表2
另外，当该圆柱透镜应用于天线系统中构造多波束天线时，其与天线单元结合可构造一种去电调下倾机构10波束全频180°扇区水平覆盖天线，能够省去传统天线中安装的复杂的垂直波束电调下倾机构，该天线在850MHz/1920MHz频率下工作时，低频天线增益能够达到14.6dBi，高频天线增益能够达到20dBi。
本发明所提供的人工介质多层圆柱透镜，其层数、高度、直径以及各层介电常数都是根据天线指标实际需要设计，且制备方法简便，制得的透镜介电常数值更符合理想设计。最重要的是，制得的透镜质量超轻，密度超低，应用频率超宽，这将大大拓宽该透镜在军民领域的应用，尤其适用于人群密集区域及大数据流量业务区。
当本发明提供的透镜作为载体与天线单元结合后，能够实现垂直面更宽覆盖，不再需要安装复杂的垂直波束下倾机构，这也是传统龙伯球天线所不具备的。也是本发明的最大亮点之一。
上文所述的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并不是用以限制本发明的保护范围，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超轻人工介质多层圆柱透镜，包括n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，为一个实心圆柱体；围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，分别为n-1个同心圆环，n个同心层被装配成一个多层圆柱体，其特征在于，
所述n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05至1.05间变化；
所述n个同心层中每层都包括低介电常数的基材和高介电常数、低比重的添加材料；
所述基材为轻型发泡介质材料，具体为密度0.02-0.03g/cm3的材料；
其中，每单位体积所述n个同心层中添加材料的含量从第1层至第n层逐渐减少。
2.如权利要求1所述的圆柱透镜，其特征在于，所述轻型发泡介质材料为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯。
3.如权利要求1所述的圆柱透镜，其特征在于，所述添加材料包括陶瓷粉、铝银粉、金属丝中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的圆柱透镜，其特征在于，各同心层介电常数由各层中包含所述添加材料的电磁响应和密度决定。
5.如权利要求1所述的圆柱透镜，其特征在于，所述圆柱透镜中n个同心层的介电常数值通过介电常数测试仪测试确定。
6.如权利要求1所述的圆柱透镜，其特征在于，所述第2至第n个同心层制备完成后形成n-1个同心圆环，并与所述第1层套叠成所述圆柱透镜，套叠时应保证各层之间紧密无缝隙。
7.如权利要求1所述的圆柱透镜，其特征在于，所述圆柱透镜的结构参数和性能参数根据天线的实际工作需要确定。
8.如权利要求7所述的圆柱透镜，其特征在于，所述结构参数包括所述圆柱透镜的直径、高度、层数，所述性能参数包括各同心层的介电常数值。
9.如权利要求1-8中任一项所述的圆柱透镜，其特征在于，所述圆柱透镜的总表观密度为0.08-0.095g/cm3。
10.将权利要求9所述的圆柱透镜应用于天线系统中构造超宽频多波束天线的应用，所述超宽频是指频率为0.6GHz-28GHz。
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