CN110998373B - 新型中空轻量型透镜结构 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露一种中空、轻量型、低成本及高性能的3D Luneburg透镜结构，其使用部分金属化的薄膜、线、细线、纤维或金属线基超材料来实施连续变化的相对介电常数分布(Luneburg透镜结构的特性)。该中空轻量型透镜结构是基于有效介质方法并可通过若干方式实施。另外，该透镜结构的大部分体积是自由空间，因此，该透镜的重量显著小于具有相同尺寸的传统3D Luneburg透镜结构。
Description
交叉参考
本申请要求2017年6月16日提交的美国临时专利申请号62/521,098的优先权，其说明书通过参考整体包含于此。
技术领域
本发明涉及中空3D透镜结构的设计及制造，尤其涉及使用部分金属化的薄膜、线、细线、纤维或金属线基超材料的中空轻量型Luneburg透镜结构的设计及制造。
背景技术
Luneburg透镜因其高增益、宽带行为，以及形成多光束的能力而成为用于多光束跟踪的一种具有吸引力的梯度折射率装置。Luneburg透镜的表面上的每个点都是来自相对侧的平面波入射的焦点。Luneburg透镜的介电常数分布由以下公式给出：
其中，εr是介电常数，R是该透镜的半径，以及r是从该位置至该透镜的中心的距离。在目前的技术中，三维(“3D”)打印的Luneburg透镜结构通过控制组成该透镜的聚合物与空气之间的填充率来构建。该透镜结构的大部分通常由聚合物制成；因此，当该透镜的尺寸变为较大时，它的重量显著增加。另外，对于较大的透镜尺寸，与当前技术关联的制造成本通常很高。本发明的特征在于使用部分金属化的薄膜、线、细线、纤维或金属线基超材料的中空轻量型、低成本及高性能3DLuneburg透镜结构。
本文中说明的任何特征或特征的组合都被包括于本发明的范畴内，只要被包括于任意此类组合中的特征不会互相不一致，如依据上下文、本说明书，以及本领域的普通技术人员的知识将显而易见的那样。本发明的额外优点及态样在下面的详细说明及权利要求中显而易见。
发明内容
本发明的特征在于一种制造可操作于RF频率范围的中空轻量型3D透镜结构的方法。在一些具体例中，使用部分金属化的薄膜或金属线来实施透镜结构的连续变化的相对介电常数分布特性。在替代具体例中，利用金属线基介电质来实施相对介电常数分布。
本发明的独特的且创造性的技术特征之一是使用有效介质方法以相对传统3DLuneburg透镜增加包括当前的3D Luneburg透镜结构的体积的自由空间量。不希望将本发明限于任何理论或机制，相信本发明的技术特征有利地提供中空的较轻量型透镜结构，且由于需要较少的材料，因此提供较高的制造速率。当前已知的现有参考文献或工作都不具有本发明的独特创造性技术特征。
附图说明
通过考虑下面结合附图呈现的详细说明，本发明的特征及优点将变得更加清楚，该些附图中：
图1A是中空结构透镜的原理图。
图1B是虚单元的金属化以及依据其接合点位置的金属化的程度的图式。
图1C是中空轻量型Luneburg透镜结构的中心截面的照片。
图1D是本发明的中空轻量型Luneburg透镜结构的照片。
图2A显示具有5毫米的单位单元尺寸的部分金属化金属线基中空轻量型Luneburg透镜结构的单位单元结构的图式。
图2B显示具有10毫米的单位单元尺寸的部分金属化线基中空轻量型Luneburg透镜结构的单位单元结构的图式。具有铜涂层的该介电导线具有0.5毫米的直径以及2.8的介电常数。金属迹线包括全部三个轴(X、Y，以及Z)。
图2C显示具有5毫米的单位单元尺寸的部分金属化线基中空轻量型Luneburg透镜结构的单位单元结构的一个替代具体例的图式。该介电导线具有0.14毫米的厚度以及2.5的介电常数。该金属迹线具有1×10-5S/m的电导率，以模仿烧结前的导电墨。金属迹线包括全部三个轴(X、Y，以及Z)。
图3A显示具有多个单位单元结构的25层部分金属化线基中空轻量型Luneburg透镜结构的一个例子，每个单位单元结构如图2A中详细所示。
图3B显示具有多个单位单元结构的25层部分金属化线基中空轻量型Luneburg透镜结构的一个例子，每个单位单元结构如图2B中详细所示。
图3C显示具有多个单位单元结构的25层部分金属化线基中空轻量型Luneburg透镜结构的一个例子，每个单位单元结构如图2C中详细所示。
图4显示针对图2B的单位单元的层0的金属长度分布的一个例子。
图5A显示针对图2A的单位单元结构的单位单元模拟及有效介电常数。
图5B显示针对图2B的单位单元结构的单位单元模拟及有效介电常数。
图5C显示针对图2C的单位单元结构的单位单元模拟及有效介电常数。
图6A显示如图5A中详细所示的金属长度与有效介电常数之间的模拟关系图。
图6B显示如图5B中详细所示的金属长度与有效介电常数之间的模拟关系图。
图6C显示如图5C中详细所示的金属长度与有效介电常数之间的模拟关系图。
图7显示所测量的图1B的轻量型Luneburg透镜的包含磁场向量的平面(“H平面”)辐射图案。
图8显示图1B的轻量型Luneburg透镜从8至12GHz的不同频率下的增益及H平面半功率光束宽度(“half-power beamwidth；HPBW”)。
图9显示所测量的图1B的轻量型Luneburg透镜的包含电场向量的平面(“E平面”)辐射图案。
图10显示图1B的轻量型Luneburg透镜从8至12GHz的不同频率下的增益及E平面HPBW。
图11显示构建部分金属化板基中空轻量型Luneburg透镜结构的两种额外方法。
具体实施方式
在一个广泛的具体例中，本发明的特征在于一种具有半径R(102)的中空结构透镜(100)，包括：
a)具有多个接合点(110)的三维支架(104)；其中，位于该透镜内部的各接合点被至少部分金属化(170)、(180)至一定程度；
b)由该三维支架(104)形成的该中空结构透镜(100)的中心点(120)；以及
c)由该三维支架(104)形成的该中空结构透镜(100)的外边缘(130)；
其中，该三维支架(104)形成位于该透镜内部的该接合点(110)；
其中，该接合点(110)从位于该中心点(120)或附近的该透镜的最内部朝向位于该透镜(100)的该边缘(130)或附近的该透镜的最外部设置；
其中，各接合点(110)驻留于虚单位单元(140)中；各虚单位单元被至少部分金属化至驻留于各虚单位单元(140)内的该至少部分金属化接合点(170)的程度；
其中，该部分金属化接合点(180)离该中心点(120)越远，该虚单元(140)的该金属化的程度越小。
在一些具体例中，该虚单元的该金属化的程度可通过全波有限元素模拟软件来计算，以产生该虚单元的介电常数εr，其中，
其中，r是该接合点至该中心点(120)的距离。
在一些具体例中，该至少部分金属化接合点由至少部分金属化的薄膜(180)、细线、纤维、金属线或线(190)构建。
在一些具体例中，可使用金属蚀刻或喷墨打印来金属化超材料衬底，以形成该部分金属化接合点(180)、(190)。
在一些具体例中，该支架(104)通过堆叠该至少部分金属化的薄膜、金属线、细线、纤维或线的层来构建，以使各层相互纵横交错，从而产生该中空结构透镜(100)。
在一些具体例中，该纵横交错层被固定于支撑架(200)上。
在一些具体例中，该支撑架为3D打印。
在一些具体例中，该支架及部分金属化接合点通过互扣至少部分金属化薄膜板(210)、(220)来构建，其中，互扣是指至少两块板彼此相交并形成该接合点(110)；其中，该至少部分金属化板在它们互扣时形成至少部分金属化接合点。
在一些具体例中，由于3D支架结构，该空间的大部分为自由空间。
在一些具体例中，该中空结构透镜(100)为Luneburg透镜。
在一个广泛的具体例中，本发明的特征在于一种通过利用部分金属化的超材料薄膜、金属线、细线、纤维或线的有效介质近似来制造操作于射频(RF)的中空轻量型透镜结构的方法，该方法包括：
a)用导电墨在介电衬底的一系列层上蚀刻一系列图案，其描述该轻量型透镜结构的连续变化的相对介电常数特性；
b)提供支撑架；
c)通过堆叠该介电衬底的该系列层组装该轻量型透镜结构；以及
d)用该组支撑架固定该堆叠。
在一个广泛的具体例中，本发明的特征在于该透镜为Luneburg透镜。
在一个广泛的具体例中，本发明的特征在于一种操作于RF频率的中空轻量型透镜结构，其通过利用部分金属化的介电薄膜、金属线、线、细线或纤维的有效介质近似来实现Luneburg透镜结构的梯度折射率要求，该方法包括用多条部分金属化线构建代表该轻量型Luneburg透镜结构的连续变化的相对介电常数特性的一组设计图案，其中，各条部分金属化线包括设于超材料上的金属涂层。
现在请参照图1A至11，本发明的特征在于一种制造可操作于RF频率范围内的中空轻量型Luneburg透镜结构的方法。该透镜结构的该轻量(相对于传统Luneburg透镜结构)通过利用部分金属化的介电薄膜、金属线或线的有效介质近似来达成，以增加包括该轻量型Luneburg透镜结构的体积的自由空间量。在一些具体例中，该方法包括用导电墨在介电衬底的一系列层上蚀刻一系列图案，其描述该轻量型Luneburg透镜结构的连续变化的相对介电常数特性。在另外的具体例中，通过3D打印机打印由聚合物组成的一组支撑架。可通过堆叠该介电衬底的该系列层并用该组支撑架固定该堆叠来组装该轻量型Luneburg透镜结构。
具有与当前的轻量型Luneburg透镜结构相同的尺寸的传统3D打印Luneburg透镜结构具有500克的重量，而该轻量型Luneburg透镜结构的重量小于20克(不包括该组支撑架)。而且，该轻量型Luneburg透镜结构的大部分重量由该组支撑架的重量(其为约180克)导致。通过用其它更轻的材料(例如，泡沫橡胶)替代该支撑架，可进一步降低该轻量型Luneburg透镜结构的重量。
在一个替代具体例中，该轻量型Luneburg透镜结构的连续变化的相对介电常数特性通过采用多条部分金属化线来实现。每条部分金属化线可包括设于介电衬底上的金属涂层。用该金属部分涂布该介电衬底的方法的例子包括但不限于：导电墨印刷、铜漆，以及电子电镀。
图2A至2C显示用于该部分金属化线或薄膜基中空轻量型Luneburg透镜结构的具有不同尺寸的单位单元结构的例子。该单位单元的有效介电常数通过全波有限元素模拟软件ANSYS HFSS模拟。较深的部分代表金属化涂层，较浅的部分代表介电质。图4显示针对图2B的单位单元的层0的金属长度分布。该透镜是对称的。因此，层1与层-1的分布相同，层2与层-2的分布也一样，以此类推。图7显示所测量的图1B的轻量型Luneburg透镜的H平面辐射。在10GHz所测量的增益为18.5dB。在10GHz所测量的增益比图1D的3D打印Luneburg透镜低0.5dB。旁瓣比该3D打印Luneburg透镜高5dB。该较低的增益及较高的旁瓣可能是由于用以安装该透镜的外部支撑架。
图9显示所测量的图1B的轻量型Luneburg透镜的H平面辐射。在10GHz所测量的增益为18.3dB。在E平面中的旁瓣甚至高于在H平面中的旁瓣，尤其在12GHz。移除该支撑架可导致进一步改进。
本文中所使用的术语“约”是指参考数字的正负10％。
通过上面的说明，除本文中所述的修改以外，本发明的各种修改对于本领域的技术人员将显而易见。此类修改也意图落入所附权利要求的范围内。在本申请中引用的每个参考文献都整体通过参考包含于此。
尽管已显示并说明本发明的优选具体例，但本领域的技术人员将清楚，可对其作修改，该修改不超出所附权利要求的范畴。因此，本发明的范畴仅受下面的权利要求限制。权利要求中列出的参考符号是示例性的，仅为方便专利局审查，不以任何方式限制。在一些具体例中，本申请中呈现的图是按比例绘制的，包括角度、尺寸比等。在一些具体例中，该些图仅为代表性，权利要求不受该些图的尺寸限制。在一些具体例中，使用短语“包括”在本文中描述的本发明的说明包括可被描述为“由...组成”的具体例，因此，满足了要求本发明的一个或多个具体例使用短语“由...组成”的书面描述要求。
下面的权利要求中列出的参考符号仅是为了方便此专利申请的审查，并作为示例，并非意图以任何方式将权利要求的范围限于附图中具有相应参考符号的特定特征。
Claims (13)
1.一种中空结构透镜，包括：
具有多个接合点的三维支架，其中，各接合点被至少部分金属化；其中，
该透镜的中心点由该三维支架形成的；
该透镜的外边缘由该三维支架形成；
其中，该接合点从位于该中心点或附近的该透镜的最内部朝向位于该透镜的外边缘或附近的该透镜的最外部设置；
其中，各接合点驻留于虚单位单元中，各虚单位单元被至少部分金属化至驻留于各虚单位单元内的该至少部分金属化接合点的程度；以及
其中，该至少部分金属化接合点离该中心点越远，该虚单位单元的该金属化的程度越小。
2.如权利要求1所述的透镜，其中，该透镜是Luneburg透镜。
3.如权利要求1所述的透镜，其中，该虚单位单元的该金属化的程度可通过全波有限元素模拟软件来计算，以产生该虚单位单元的介电常数εr，其中，εr＝2-(r/R)2，其中，r是该接合点至该中心点的距离。
4.如权利要求1至3中任一项所述的透镜，其中，该至少部分金属化接合点由至少部分金属化的薄膜或线构建。
5.如权利要求1至3中任一项所述的透镜，其中，可使用金属蚀刻或喷墨打印来金属化介电衬底，以形成该至少部分金属化接合点。
6.如权利要求1至3中任一项所述的透镜，其中，该三维支架通过堆叠至少部分金属化的薄膜或线的层来构建，以使各层相互纵横交错，从而产生该中空结构透镜。
7.如权利要求6所述的透镜，其中，该纵横交错层被固定于支撑架上。
8.如权利要求7所述的透镜，其中，该支撑架为3D打印。
9.如权利要求1至3中任一项所述的透镜，其中，该三维支架及该至少部分金属化接合点通过互扣至少部分金属化薄膜板来构建，其中，互扣是指至少两块至少部分金属化薄膜板彼此相交并形成该接合点；其中，该至少部分金属化薄膜板在它们互扣时形成该至少部分金属化接合点。
10.如权利要求1至3中任一项所述的透镜，其中，由于该三维支架，该透镜的空间的大部分为自由空间。
11.一种通过利用部分金属化的介电薄膜或线的有效介质近似制造操作于射频(RF)的如权利要求1所述的中空结构透镜的方法，该方法包括：
a)用导电墨在介电衬底的一系列层上蚀刻一系列图案，其描述该中空结构透镜的连续变化的相对介电常数特性；
b)提供支撑架；
c)通过堆叠该介电衬底的该系列层组装该中空结构透镜；以及
d)用该支撑架固定该堆叠。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该透镜为Luneburg透镜。
13.一种制造操作于RF频率的如权利要求2所述的中空结构透镜的方法，其通过利用部分金属化的介电薄膜或线的有效介质近似来实现Luneburg透镜结构的梯度折射率要求，该方法包括:
用多条部分金属化线构建代表该中空结构透镜的连续变化的相对介电常数特性的一组设计图案，其中，各条部分金属化线包括设于介电材料上的金属涂层。
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