CN112436289B - 一种波束分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种波束分离器，包括N个介质透镜和馈源，其中，N≥2，N为自然数；所述介质透镜为实心的球形或半球形，且所述介质透镜由均匀的绝缘材料制成，所述馈源的主辐射方向朝向所述介质透镜的球心。能够将单一馈源辐射出的电磁波波束在空间中分离为多个子波束，通过改变介质透镜的排列位置以及介质透镜和馈源之间的距离可以调整子波束的辐射方向和区域；介质透镜是由绝缘的介质材料形成的实心球，由馈源所辐射的电磁波经本方案中的介质透镜可转换为平面电磁波，获得笔形、扇形或其他形状的指向性波束，从而提高了增益，并且还具有旁瓣和后瓣小，方向性好等优点，经介质透镜可以使分离后的子波束更为聚集，使其增益和方向性更好。

Description

一种波束分离器

技术领域

本发明涉及波束分离技术领域，尤其涉及一种波束分离器。

背景技术

波束分离是指将辐射源所辐射的电磁波转换为两束或多束向不同方向传播的电磁波，由于可将单一的馈源辐射出的电磁波转换成多束，使用起来较为方便，因此可进行波束分离的设备被广泛的应用在各类电器产品，如雷达或天线中。

现有的波束分离设备结构较为复杂，生产成本较高，对应的，在设计时内部外部零件的配合需要非常精密才能保证波束分离的效果；并且现有的波束分离设备对电磁波分离后得到的子波束，其辐射效果较差，增益较低，子波束电磁波的传输速率降低，使用感较差。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种波束分离器，旨在解决现有的波束分离设备结构复杂，分离出的子波束辐射效果差的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种波束分离器，包括N个介质透镜和馈源，其中，N≥2，N为自然数；

所述介质透镜为实心的球形或半球形，且所述介质透镜由均匀的绝缘材料制成，所述馈源的主辐射方向朝向所述介质透镜的球心。

优选地，所述馈源与所述介质透镜间的距离为0.6λ-12λ，所述λ为所述馈源辐射出的电磁波的波长。

优选地，所述绝缘材料的介电常数为2-5。

优选地，多个所述介质透镜的球心均处于同一水平面上。

优选地，多个所述介质透镜的半径均相等。

优选地，各个所述介质透镜的半径不等。

优选地，多个所述介质透镜的投影面部分重叠；

或，多个所述介质透镜的投影面未重叠。

优选地，包括N个介质透镜和馈源，其中，N≥2，N为自然数；

所述介质透镜为实心的球形或半球形，且所述介质透镜由多层具有不同介电常数的绝缘材料制成，所述馈源的主辐射方向朝向所述介质透镜的球心。

优选地，所述介质透镜设有若干个开孔，所述开孔从所述介质透镜的表面延伸至其球心，且从外至内所述开孔的直径逐渐减小。

优选地，所述绝缘材料包括光聚合物树脂、红蜡、ABS、PLA、尼龙、PMI或陶瓷。

本发明的波束分离器具有如下有益效果：通过2个以上的实心介质透镜和馈源组合形成波束分离器，能够将单一馈源辐射出的电磁波波束在空间中分离为多个子波束，通过改变介质透镜的排列位置以及介质透镜和馈源之间的距离可以调整子波束的辐射方向和区域；介质透镜是由绝缘的介质材料形成的实心球；馈源辐射出的电磁波能量经过介质透镜阵列组之后，子波束的最大能量发射位置处于辐射源口径中心与每个球心的连线上。由馈源所辐射的电磁波经本方案中的介质透镜可转换为平面电磁波，获得笔形、扇形或其他形状的指向性波束，从而提高了增益，并且还具有旁瓣和后瓣小，方向性好等优点，经介质透镜可以使分离后的子波束更为聚集，使其增益和方向性更好。

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为本发明波束分离器的介质透镜第一种实施例的结构示意图；

图2为本发明波束分离器的介质透镜第二种实施例的结构示意图；

图3为本发明波束分离器的介质透镜第三种实施例的结构示意图；

图4为本发明波束分离器的介质透镜第三种实施例的内部结构示意图；

图5为本发明波束分离器的第一种实施例的结构示意图；

图6为本发明波束分离器的第二种实施例的结构示意图；

图7为本发明波束分离器的第三种实施例的结构示意图；

图8为本发明波束分离器的第四种实施例的主视图；

图9为本发明波束分离器的第四种实施例的侧视图；

图10为本发明波束分离器的馈源在phi＝0deg和phi＝90deg时的辐射方向图；

图11为本发明波束分离器的介质透镜在phi＝0deg和phi＝90deg时的辐射方向图；

图12为本发明波束分离器由均匀绝缘材料制得的介质透镜和由不同介电常数的绝缘材料制得的介质透镜的增益效果对比图；

图13为本发明波束分离器的馈源与介质透镜在各个距离下的增益变化趋势图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	介质透镜	13	开孔
11	第一介质透镜	2	馈源
				12	第二介质透镜

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种波束分离器。波束分离器用于对单个馈源2发射出的电磁波波束进行分离，且分离得到的子波束仍具有较好的增益效果和电磁波传输速率。

如图1至图13所示，一种波束分离器，包括N个介质透镜1和馈源2，其中，N≥2，N为自然数；

介质透镜1为实心的球形或半球形，且介质透镜1由均匀的绝缘材料制成，馈源2的主辐射方向朝向介质透镜1的球心。

具体的，如图1至图13所示，该波束分离器由2个以上的实心介质透镜1和馈源2组合而成，多个介质透镜1组成介质透镜1阵列组，改变介质透镜1的个数以及介质透镜1的空间位置排列，能够将单一馈源2辐射出的电磁波波束在空间中分离为多个子波束，介质透镜1在空间中的排列位置决定了波束被分离后的发射方向：即子波束的辐射方向由介质实心球的排列位置决定，各个子波束间的夹角θ由馈源2与介质透镜1之间的距离，以及各个介质透镜1之间的距离共同决定，当馈源2与介质透镜1之间的距离固定时，随着各个介质透镜1间的距离增大，各个子波束间的夹角θ逐步增大；当各个介质透镜1间的距离固定时，随着馈源2与介质透镜1之间的距离增大，各个子波束间的夹角θ逐步减小，由此，可以适应性的调整子波束间的夹角θ，从而调整子波束的最终辐射区域。本方案中选用的介质透镜1的个数决定了波束被分离后的子波束个数，子波束个数与介质透镜1的个数一一对应，仅需要一个馈源2，经波束分离器分离后得到的多个波束可辐射至多个区域，覆盖面拓宽。本方案中的介质透镜1的个数可以是2个、3个、4个或者更多个，在多个介质透镜1排布时呈弧形排列设置在馈源2的电磁波辐射面。

本方案中的介质透镜1是由绝缘的介质材料形成的实心球；馈源2辐射出的电磁波能量经过介质透镜1阵列组之后，子波束的最大能量发射位置处于辐射源口径中心与每个球心的连线上。由馈源2所辐射的电磁波经本方案中的介质透镜1可转换为平面电磁波，获得笔形、扇形或其他形状的指向性波束，从而提高了增益，并且还具有旁瓣和后瓣小，方向性好等优点，馈源2所辐射出的电磁波到达介质透镜1的外壁后进入介质透镜1的内部，经介质透镜1可以使进入的电磁波波束更为聚集，从而使其增益和方向性更好。因此，经多个介质透镜1分离后的子波束仍具有较高的功率，子波束辐射区域的电磁波信号的传输速率仍较高。介质透镜1优选为正球形或正半球形，此时对于电磁波的传输及增益效果最佳。

由图10至图11所示，单独馈源2的辐射方向图中，其最大增益仅为7.07dBi，而在增设有介质透镜1后，电磁波的最大增益达到了22.6dBi，其中介质透镜1的半径为20mm，即介质透镜1的增益效果较佳。

进一步地，馈源2与介质透镜1间的距离为0.6λ-12λ，λ为馈源2辐射出的电磁波的波长。如此，馈源2与各个介质透镜1表面的距离约控制在0.6λ-12λ的范围内其中λ为电磁波工作频率对应的波长，此时的子波束的分离效果最佳，副瓣低，对应的增益效果最佳。

进一步地，绝缘材料的介电常数为2-5。可以理解，当制作介质透镜1的绝缘材料的介电常数较高时，对进入介质透镜1一侧的电磁波产生的折射较大，不利于在另一侧形成稳定的平面波，并且介电常数在大于5时的增益效果恶化，在实际使用时较为不便，因此，本方案中的绝缘材料的介电常数优选在2-5的范围以内，保证介质透镜1对电磁波具有较好的增益效果及较高的无线通信传播速率；在介电常数逐渐增大时，介质透镜1的增益效果并不是一直增强，而是在介电常数为2.5-3时出现了极点，此时的增益效果最好，使得电磁波通信的传输速率较高。

进一步地，多个介质透镜1的球心均处于同一水平面上。可以理解，随着介质透镜1个数的增多，各个介质透镜1的球心的位置不同，本方案中多个介质透镜1的球心优选处在同一水平面上，这主要是由于多个介质透镜1存在时，当各个介质透镜1的球心不处在同一水平面时，尽管也能实现波束分离，但是子波束的副瓣会增大，会导致辐射效果变差。

进一步地，多个介质透镜1的半径均相等。介质透镜1包括第一介质透镜11和第二介质透镜12，第一介质透镜11的半径和第二介质透镜12的半径相等。具体地，本方案提供一种实施例，在该实施例中，介质透镜1由第一介质透镜11和第二介质透镜12两组组成，且两者的半径相等，馈源2辐射出的电磁波波束经过均匀同等大小的第一介质透镜11和第二介质透镜12后，分离出2组子波束，且子波束为具有相同增益、相同波束宽度的辐射波束；尽管两个子波束的指向不同，但其余辐射特性保持一致，使用该实施例的波束分离器可以控制每个辐射范围内的电磁波信号的传输效率一致，均保持较好的传输效率。除此之外，本方案中的波束分离器可由3组、4组或更多组等大的介质透镜1和馈源2组成，分离得到的3组、4组或更多组的子波束均具有同样的传输效率，在辐射面拓宽的同时，保证了各个辐射区域的电磁波波束传输效率均较高。

进一步地，各个所述介质透镜1的半径不等。介质透镜1包括第一介质透镜11和第二介质透镜12，第一介质透镜11的半径和第二介质透镜12的半径不相等。本方案提供另一种实施例，在该实施例中第一介质透镜11和第二介质透镜12的半径不一致，具体为，第一介质透镜11的半径大于或小于第二介质透镜12的半径，如此，经馈源2辐射出的电磁波可分离为2组不等功率的子波束，子波束具有不同的增益和波束宽度；如图7所示，左侧的子波束是由半径小的介质透镜11辐射出来的，右侧的子波束是由半径较大的介质透镜12辐射出来的，相比之下，半径小的介质透镜11较于半径大的介质透镜12的增益较低，比如，某区域仅需要传输效率较低的波束，另一区域则需要传输效率较高的波束。此种实施例可运用在不同的区域要求不同的辐射和增益效果的情况，并且子波束的辐射效果也可以适应性的调整。同样的，本方案也可以采用3组、4组或更多组不等大的介质透镜1组成介质透镜1阵列组，在不同的辐射区域的增益效果有所不同。通过上述不同的实施例，使波束分离器可以将馈源2分离为多个相等功率的子波束或是不同功率的子波束。

进一步地，多个介质透镜1的投影面部分重叠；或，多个介质透镜1的投影面未重叠。

如此，波束分离器的各个介质透镜1之间存在部分重叠，且重叠的区域可自由调控，各个介质透镜1间重叠区域的大小决定了子波束间的夹角θ：当重叠区域为0时，即多个介质透镜1之间没有交叠区域，此时子波束间的夹角θ最大；当介质透镜1之间开始重叠时，子波束间的夹角θ的夹角缩小，随着重叠面积的增大，子波束间的夹角θ的夹角进一步缩小。通过调整各个介质透镜1之间是否重叠以及重叠面积，来调整各个子波束的辐射面积，从而对波束分离器最终的辐射面积得以调整。

进一步地，包括N个介质透镜1和馈源2，其中，N≥2，N为自然数；介质透镜1为实心的球形或半球形，且介质透镜由多层具有不同介电常数的绝缘材料制成，馈源2的主辐射方向朝向介质透镜的球心。

可以理解，除上述单层均匀的实心介质透镜1外，本方案中的介质透镜1还可由多层不同介质常数的绝缘材料所制得，如图2所示，该图中展示了由均匀绝缘材料制得的介质透镜1、2层不同介电常数的绝缘材料制得的介质透镜1以及4层不同介电常数的绝缘材料制得的介质透镜1的增益方向图，上述介质透镜1的半径均为20mm，3个不同的介质透镜的增益效果均有所不同，但对于电磁波信号的增益效果均较佳，用户可以根据需求选择不同的介质透镜1，当然，介质透镜1除上述的2层或4层不同介电常数的材料所制得以外，还可由3层、5层、6层等具有不同介电常数的材料所制得。

如图12所示，单层和多层的介质透镜1对电磁波波束的辐射均具有较好的增益效果，但较于多层的介质透镜1而言，单层的介质透镜1便于制作，加工工艺更为简单。

如图13所示，在馈源与介质透镜距离不同的情况下，除了增益发生变化，天线的副瓣电平值也不一致，距离为100mm比距离为50mm所产生的天线副瓣高；进一步地，介质透镜1设有若干个开孔13，开孔13从介质透镜1的表面延伸至其球心，且从外至内开孔13的直径逐渐减小。在介质透镜1上设置开孔13后能使得馈源2辐射出的电磁波波束具有更高的增益效果和方向性。从结构上实现介质透镜1内部等效介电常数的渐变。

进一步地，绝缘材料包括光聚合物树脂、红蜡、ABS、PLA、尼龙、PMI或陶瓷。采用上述光聚合物树脂、红蜡、ABS、PLA、尼龙、PMI或陶瓷制作介质透镜1时，其中采用光聚合物树脂制作介质透镜1时，可采用3D打印技术来制作本介质透镜，制作效率较高，其原料来源广泛，生产制造的成本相对较低，并且具有较好的强度以及耐老化性，介质透镜1在制备完成后，能保证其具有较久的使用寿命。介质透镜1的加工也可以采用其它材料或者其它增材制造技术实现，可以根据实际应用的需求选择合适的3D打印材料和3D打印机。同时，显而易见地，介质透镜1的加工也可以采用常用的机械加工技术实现。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种波束分离器，其特征在于，包括N个介质透镜(1)和馈源(2)，其中，N≥2，N为自然数；

所述介质透镜(1)为实心的球形，且所述介质透镜(1)由均匀的绝缘材料制成，所述馈源(2)的主辐射方向朝向所述介质透镜(1)的球心；

所述绝缘材料的介电常数为2.5-3，各个所述介质透镜(1)的半径不等，多个所述介质透镜(1)的投影面部分重叠，各个所述介质透镜(1)间重叠区域的大小决定了子波束间的夹角θ。

2.根据权利要求1所述的一种波束分离器，其特征在于，所述馈源(2)与所述介质透镜(1)间的距离为0.6λ-12λ，所述λ为所述馈源(2)辐射出的电磁波的波长。

3.根据权利要求1所述的一种波束分离器，其特征在于，多个所述介质透镜(1)的球心均处于同一水平面上。

4.根据权利要求1所述的一种波束分离器，其特征在于，所述介质透镜(1)设有若干个开孔(13)，所述开孔(13)从所述介质透镜(1)的表面延伸至其球心，且从外至内所述开孔(13)的直径逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的一种波束分离器，其特征在于，所述绝缘材料包括光聚合物树脂、红蜡、ABS、PLA、尼龙、PMI或陶瓷。

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