CN112662060A - 一种龙伯透镜天线介质材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于透镜天线领域，公开了一种龙伯透镜天线介质材料及其制备方法和应用，该龙伯透镜天线介质材料包括泡孔直径为10‑50μm的聚合物微孔发泡卷材；聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚碳酸酯中的至少一种。本发明采用聚合物卷材作为原材料，通过调节高压釜压力、加热池温度/加热时间即可对微孔发泡聚合物的孔泡大小和分布密度进行精确控制，进而实现所需梯度变化的介电常数，再通过设置卷材的厚度和圈数可以制作不同直径要求的龙伯透镜。

Description

一种龙伯透镜天线介质材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于透镜天线领域，具体涉及一种龙伯透镜天线介质材料及其制备方法和应用。

背景技术

龙伯透镜(Luneberg Lens)是德裔美国数学家鲁道夫.卡尔.龙伯于1944年提出的一种透镜模型，该透镜最初设计为球形，从球心到球面折射率沿径向呈梯度下降分布，这种设计使任意方向入射的光线经过折射后总能汇聚到透镜表面的一点。龙伯透镜的上述特性使其在高增益窄波束/多波束天线、目标探测、电磁对抗等领域获得广泛关注。在无线通信领域，透镜天线是一种射频波束成型(RBF：Radio Beam Forming)技术，跟相控阵天线类似，如果用作单用户波束赋形(SUBF)可以用于提升覆盖，而用作多用户波束赋形(MUBF)则可等价于小区分裂。传统的龙伯透镜天线受到制造工艺、尺寸和成本限制主要用于毫米波信号传输。近年来，随着中高频5G无线网络建设的蓬勃开展，热点区域和隧道、桥梁、地铁等纵深区域的信号覆盖和高速数据传输问题愈加突出；与此同时，塑料加工工艺的进步，提高了龙伯透镜材料的生产效率，降低了成本，使大尺寸龙伯球的批量生产成为可行。龙伯透镜天线的辐射单元沿龙伯球切面放置，发出的球面波经过介电常数呈梯度分布的龙伯球折射被转化为平面波，因此，即使只使用单一辐射单元，龙伯透镜天线仍能形成窄波束和较高增益；而且，沿着龙伯球切面也可放置多个辐射单元，每个辐射单元都能形成一个独立波束，且不同波束之间除指向不同外，其它辐射特性几乎完全一致。以上特点使龙伯透镜天线在窄波束和多波束天线方面相对主流的板状天线(包括5G Massive MiMo有源相控阵)具有功耗低、重量轻、尺寸小、增益高、波束一致性好等突出优势。由此，龙伯透镜天线成为5G时代Sub-6GHz有源相控阵在上述特殊场景下增强覆盖，提升无线数据传输速率的有力补充。Sub-6GHz龙伯透镜天线分为固定倾角和电调下倾两种。前者每波束采用单个辐射单元，龙伯透镜呈球形；后者每波束采用多个辐射单元，辐射单元与移相器连接实现电调下倾，对应的龙伯透镜呈圆柱状。目前制造龙伯透镜常用的方法有两种：一种是3D打印聚合物多孔球/圆柱-通过调节孔的大小和分布密度对局部等效介电常数进行调控，该方法成本高、3D打印周期长、介电常数梯度不连续，而且难以打印较大的物体；另一种被称为“光子晶体”法，首先在实心聚合物圆柱体轴向钻出小孔，为了模拟介电常数的梯度变化，孔的密度从圆心到柱面沿径向渐次增加，对应介电常数从圆心到柱面渐次减小，类似光波导加工过程，“光子晶体”法由此得名。受限于钻头或激光钻孔深度限制，“光子晶体”法制作龙伯透镜时需对圆柱进行切片，然后对切片施行钻孔，最后将一层一层的圆形片材通过胶水粘合成完整的圆柱状龙伯透镜。如果要生产球形龙伯透镜，则需依据球冠直径选用不同直径的片材进行粘合拼接。由此可见：无论球形还是圆柱状龙伯透镜天线都存在透镜介质制备流程长、工艺复杂、难以适应工业化大批量生产的困难。

为此，亟需研发一种高效率、低成本、适用于“卷对卷”工业化大批量生产的龙伯透镜材料制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种龙伯透镜天线介质材料及其制备方法和应用，采用聚合物卷材作为原材料，通过超临界流体微孔发泡工艺在聚合物基材内部生成大小和分布密度可控的微米级泡孔从而实现所需介电常数。该制备方法可大批量、低成本地生产龙伯透镜天线介质材料，是一种“卷对卷”工业化生产方法，该方法显著地缩短了龙伯透镜天线介质材料的生产流程，使生产效率提高数倍。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种龙伯透镜天线介质材料，包括泡孔直径为0.5-50μm的聚合物微孔发泡卷材；所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚碳酸酯中的至少一种。

优选地，所述聚合物微孔发泡卷材的体积膨胀倍率为10-70倍，平均孔径为0.5-50μm，孔密度为：1.0×10⁸-1.0×10¹⁵个/cm³。

优选地，所述聚合物微孔发泡卷材的相对介电常数沿径向方向梯度递减，从卷材中心的2.0下降至卷材最外层的1.0。

更优选地，所述聚合物微孔发泡卷材选自聚丙烯微孔发泡卷材。

一种龙伯透镜天线介质材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚合物卷材用植物纤维材料浸润，再注入超临界二氧化碳加压浸润，扩散，得到超临界二氧化碳流体-聚合物基材；

(2)取出所述超临界二氧化碳流体-聚合物基材形成气泡内核，加热生长成泡孔，冷却固化，得到聚合物微孔发泡卷材，卷切，即得所述龙伯透镜天线介质材料；步骤(1)中，所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯或聚碳酸酯中的至少一种；步骤(2)中，所述加热的温度为30℃-160℃，加热的时间为5-20s；步骤(2)中，所述冷却是将温度冷却至30℃-160℃，冷却的时间为5-10s。

优选地，步骤(2)中，所述加热的速率为10³-10⁴K/s；步骤(2)中，所述冷却的速度为10³-10⁴K/s。

步骤(2)中由于高压环境消失和温度上升，聚丙烯卷材内部的超临界二氧化碳很快达到过饱和，在聚丙烯内部扩散形成大量微小的气泡内核；与此同时，加热成熔融态的聚丙烯更有利于气泡内核长大形成微米级的泡孔，之后，将加热后的聚丙烯卷材通过滚筒牵引至冷却池使上述过程生成的微泡孔固化稳定下来，形成微孔发泡聚丙烯卷材。

优选地，步骤(1)中，所述聚合物为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)中的至少一种。

优选地，步骤(1)中，所述植物纤维材料为竹纤维、剑麻纤维、黄麻纤维中的一种。

优选地，步骤(1)中，所述加压浸润的压力为7-8MPa，加压浸润的时间为10-50min。

聚合物卷材中可加入辅助浸润材料(植物纤维材料)，使卷材整体呈现“植物纤维-浸润辅材”三明治结构，浸润辅材具有多孔、蓬松的结构，作用是辅助浸润薄片状的聚合物卷材，加速发泡流体向聚丙烯卷材内部扩散。

优选地，步骤(2)中，所述加热的温度为70℃-160℃，加热的时间为5-15s。

优选地，步骤(2)中，所述冷却是将温度冷却至60℃-140℃，冷却的时间为7-10s。

通过调节高压釜的压力、加热池温度/加热时间对泡孔的直径和分布密度进行调控，从而实现同一卷微孔发泡聚合物卷材上介电常数随着发泡时间先后呈现梯度变化，其中卷材中心的微孔发泡聚合物膜泡孔分布密度较低，对应较大的介电常数，卷材边缘的微孔发泡聚合物膜泡孔密度较高，对应较小的介电常数。与此同时，经发泡工艺生成的微孔发泡聚丙烯膜通过卷膜机进行收集，一边通过间歇法生成介电常数梯度变化的微孔发泡聚合物膜，另一边卷膜机将先生成的，介电常数较高的微孔发泡聚丙烯膜卷在圆筒中心，而后生成的，介电常数较低的微孔发泡聚丙烯膜则在圆筒较为靠近边缘的地方。

优选地，步骤(2)中，所述聚合物微孔发泡卷材的泡孔直径为10-50μm。

优选地，步骤(2)中，所述聚合物微孔发泡卷材中，从内向外相邻层的介电常数变化梯度为0.2。

一种龙伯透镜天线，包括上述的龙伯透镜天线介质材料。

本发明的优点：

(1)本发明采用聚合物卷材作为原材料，通过调节高压釜压力、加热池温度/加热时间即可对微孔发泡聚合物的孔泡大小和分布密度进行精确控制，进而实现所需梯度变化的介电常数，再通过设置卷材的厚度和圈数可以制作不同直径要求的龙伯透镜。

(2)本发明的标准化制造工艺，适合工业化生产。超临界二氧化碳注入间歇法生产微孔发泡材料是成熟的塑料生产工艺，其中聚丙烯泡孔“成核-生长-固化”这一微孔发泡关键工艺仅需三十秒即可完成。从原材料投料到最终产品龙伯透镜介质卷材，全过程“卷对卷”自动化生产，“超临界流体浸泡-加热-冷却-成品组装”所有步骤均在滚筒牵引下完成，容易实现全自动工业生产流水线。

(3)本发明介电常数精确，根据设计要求可实现不同的介电常数梯度变化和龙伯透镜直径。微孔发泡聚合物通过泡孔大小和分布密度调控介电常数，泡孔直径不超过50微米，且分布均匀，与3D打印和“光子晶体”相比较介电常数更加精准。

附图说明

图1为本发明实施例1的微孔发泡聚丙烯卷材的生产工艺流程图；

图2为本发明实施例1制得的微孔发泡聚丙烯卷材龙伯透镜介电常数分布示意图；

图3为本发明实施例1的微孔发泡聚丙烯卷材制备的三波束柱状龙伯透镜天线示意图；

图4为本发明实施例1制得的龙伯透镜天线方向图。

具体实施方式

为了对本发明进行深入的理解，下面结合实例对本发明优选实验方案进行描述，以进一步的说明本发明的特点和优点，任何不偏离本发明主旨的变化或者改变能够为本领域的技术人员理解，本发明的保护范围由所属权利要求范围确定。

本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例的龙伯透镜天线介质材料，包括泡孔直径为1-30μm的聚丙烯微孔发泡卷材，卷材相对介电常数沿径向方向梯度递减，从卷材中心的2.0下降至卷材最外层的1.0，从内向外相邻层的介电常数变化梯度为0.2。

本实施例的龙伯透镜天线介质材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将聚丙烯卷材用无纺纸浸润，使卷材整体呈现图1所示“聚丙烯-浸润辅材”三明治结构，在高压釜中经扩散进入聚丙烯卷材的液体二氧化碳与聚丙烯基材之间形成“超临界二氧化碳流体-聚丙烯基材”均相系统；

(2)取出经过高压釜浸润和扩散形成均相系统的聚丙烯卷材形成气泡内核，通过滚筒牵引至加热池在15s内进行加热至100℃生长成泡孔，将加热后的聚丙烯卷材通过滚筒牵引至冷却池在10s内使上述过程生成的微泡孔固化稳定下来，形成微孔发泡聚丙烯卷材，通过卷机将生成的微孔发泡聚丙烯卷材卷成一卷，切割成需要的长度，即得龙伯透镜天线介质材料。

如图1所示：以聚丙烯卷材作为原材料，采用超临界二氧化碳注入“高压釜浸泡-加热-冷却”间歇法对聚丙烯卷材原材料进行微孔发泡加工：经过高压釜浸润和扩散形成均相系统的聚丙烯卷材通过滚筒牵引至加热池进行加热，由于高压环境消失和温度上升，聚丙烯卷材内部的超临界二氧化碳很快达到过饱和，在聚丙烯内部扩散形成大量微小的气泡内核；与此同时，加热成熔融态的聚丙烯更有利于气泡内核长大形成微米级的泡孔。通过调节加热池温度和加热时间即可精确控制泡孔尺寸和密度，从而设计微孔发泡聚丙烯卷材的介电常数。经上述发泡工艺生成的微孔发泡聚丙烯膜通过卷膜机进行收集，一边通过间歇法生成介电常数梯度变化的微孔发泡聚丙烯膜，另一边卷膜机将先生成的，介电常数较高的微孔发泡聚丙烯膜卷在圆筒中心，而后生成的，介电常数较低的微孔发泡聚丙烯膜则在圆筒较为靠近边缘的地方。根据龙伯透镜的直径和介电常数梯度分布要求合理设置膜厚和卷材圈数，最终生成的微孔发泡聚丙烯卷材即可作为龙伯透镜材料。对于圆柱状龙伯透镜，只需将前述微孔发泡聚丙烯卷切割成龙伯透镜所需长度即可直接使用。

图2是本发明所述之微孔发泡聚丙烯卷材介电常数分布示意图：卷材(圆筒)中心相对介电常数2.0，从圆心到边缘介电常数沿径向呈梯度下降，最外面一圈(边缘)卷材介电常数1.0。生产中可让每一圈卷材取相同介电常数，从中心到最外圈介电常数呈梯度递减。以图2所示六层卷材为例，卷材中心介电常数为2.0，卷材最外层介电常数为1.0，从内向外相邻层卷材介电常数变化梯度为0.2。

图3是利用本发明实施例1得微孔发泡聚丙烯卷材制备的三波束柱状龙伯透镜天线示意图：该龙伯透镜天线外形呈圆柱状，具有三个波束，波束之间夹角30°，带宽为1695～2690MHz。本实施例的龙伯透镜天线微孔发泡聚丙烯卷材厚度15.9mm，一共有11层，龙伯透镜直径为350mm，高度为500mm。每波束采用5个辐射单元，相邻辐射单元间距100mm，辐射单元与移相器连接实现电调下倾。如果要获得更窄的水平半功率角，可以采用较厚的卷材或增加聚丙烯卷材的圈数使圆柱体的直径增加；而如果要增加波束的数量，只需要沿着圆柱周长方向放置更多(列)的辐射单元。要注意的是，介电常数梯度过大会使波束水平副瓣恶化，因此缩小水平波宽最好的方法是增加聚丙烯卷材的圈数，从而避免介电常数梯度过大。

图4是图3所示三波束龙伯透镜天线方向图测量结果。三个波束分别指向-30°，0°和30°方向，除波束指向外其它指标几乎完全一致。波束水平半功率角22～34°，副瓣抑制优于-17dB。如前所述，要获得较窄的水平半功率角应增加卷材直径；而要优化副瓣可在维持卷材圆柱直径不变的前提下减少卷材厚度增加圈数，从而使介电常数梯度更加平缓。

实施例2

本实施例的龙伯透镜天线介质材料，包括泡孔直径为10-45μm的聚苯乙烯微孔发泡卷材，卷材相对介电常数沿径向方向梯度递减，从卷材中心的2.0下降至卷材最外层的1.0，从内向外相邻层的介电常数变化梯度为0.2。

本实施例的龙伯透镜天线介质材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将聚苯乙烯卷材用无纺纸浸润，使卷材整体呈现“聚苯乙烯-浸润辅材”三明治结构，在高压釜中经扩散进入聚苯乙烯卷材的液体二氧化碳与聚苯乙烯基材之间形成“超临界二氧化碳流体-聚苯乙烯基材”均相系统；

(2)取出经过高压釜浸润和扩散形成均相系统的聚苯乙烯卷材形成气泡内核，通过滚筒牵引至加热池在15s内进行加热至100℃生长成泡孔，将加热后的聚苯乙烯卷材通过滚筒牵引至冷却池在10s内使上述过程生成的微泡孔固化稳定下来，形成聚苯乙烯微孔发泡卷材，通过卷机将生成的聚苯乙烯微孔发泡卷材卷成一卷，切割成需要的长度，即得龙伯透镜天线介质材料。

实施例3

本实施例的龙伯透镜天线介质材料，包括泡孔直径为10-50μm的聚碳酸酯微孔发泡卷材，卷材相对介电常数沿径向方向梯度递减，从卷材中心的2.0下降至卷材最外层的1.0，从内向外相邻层的介电常数变化梯度为0.2。

本实施例的龙伯透镜天线介质材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将聚碳酸酯卷材用无纺纸浸润，使卷材整体呈现“聚碳酸酯-浸润辅材”三明治结构，在高压釜中经扩散进入聚碳酸酯卷材的液体二氧化碳与聚碳酸酯基材之间形成“超临界二氧化碳流体-聚碳酸酯基材”均相系统；

(2)取出经过高压釜浸润和扩散形成均相系统的聚碳酸酯卷材形成气泡内核，通过滚筒牵引至加热池在15s内进行加热至100℃生长成泡孔，将加热后的聚碳酸酯卷材通过滚筒牵引至冷却池在10s内使上述过程生成的微泡孔固化稳定下来，形成聚碳酸酯微孔发泡卷材，通过卷机将生成的聚碳酸酯微孔发泡卷材卷成一卷，切割成需要的长度，即得龙伯透镜天线介质材料。

对比例1

本实施例的龙伯透镜天线介质材料，包括泡孔直径为40-100μm的聚丙烯微孔发泡卷材。

本实施例的龙伯透镜天线介质材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将聚丙烯卷材用无纺纸浸润，使卷材整体呈现“聚丙烯-浸润辅材”三明治结构，在高压釜中经扩散进入聚丙烯卷材的液体二氧化碳与聚丙烯基材之间形成“超临界二氧化碳流体-聚丙烯基材”均相系统；

(2)取出经过经过高压釜浸润和扩散形成均相系统的聚丙烯卷材，得到40-100μm微孔发泡聚丙烯卷材，通过卷机将生成的微孔发泡聚丙烯卷材卷成一卷，切割成需要的长度，即得龙伯透镜天线介质材料。

实施例1-3和对比例1制备的聚合物微孔发泡卷材

从表1可得，本发明的实施例1-3制备的龙伯透镜天线介质材料的泡孔直径为0.5-50μm，体积膨胀倍率为10-70倍，平均孔径为0.5-50μm，孔密度为：1.0×10¹⁰-1.0×10¹⁵个/cm³，微孔发泡卷材的相对介电常数沿径向方向梯度递减，从内向外相邻层的介电常数变化梯度为0.2，从卷材中心的2.0下降至卷材最外层的1.0。而对比例1中的泡孔直径为40-100μm，体积膨胀倍率为5-10倍，孔密度为：1.0×10⁸-1.0×10¹⁰个/cm³。

以上对本发明提供的一种龙伯透镜天线介质材料及其制备方法和应用进行了详细的介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种龙伯透镜天线介质材料，其特征在于，包括泡孔直径为5-50μm的聚合物微孔发泡卷材；所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚碳酸酯中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的龙伯透镜天线介质材料，其特征在于，所述聚合物微孔发泡卷材的相对介电常数沿径向方向梯度递减，从卷材中心的2.0下降至卷材最外层的1.0。

3.权利要求1-2任一项所述的龙伯透镜天线介质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将聚合物卷材用植物纤维材料浸润，再注入超临界二氧化碳加压浸润，扩散，得到超临界二氧化碳流体-聚合物基材；

(2)取出所述超临界二氧化碳流体-聚合物基材形成气泡内核，加热生长成泡孔，冷却固化，得到聚合物微孔发泡卷材，卷切，即得所述龙伯透镜天线介质材料；步骤(1)中，所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯或聚碳酸酯中的至少一种；步骤(2)中，所述加热的温度为30℃-160℃，加热的时间为5-20s；步骤(2)中，所述冷却是将温度冷却至30℃-160℃，冷却的时间为5-10s。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述植物纤维材料为竹纤维、剑麻纤维、黄麻纤维中的一种。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述加压浸润的压力为7-8MPa，加压浸润的时间为10-50min。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加热的温度为70℃-160℃，加热的时间为5-15s。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述冷却是将温度冷却至60℃-140℃，冷却的时间为7-10s。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述聚合物微孔发泡卷材的泡孔直径为10-50μm。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述聚合物微孔发泡卷材中，从内向外相邻层的介电常数变化梯度为0.2。

10.一种龙伯透镜天线，其特征在于，包括权利要求1-2任一项所述的龙伯透镜天线介质材料。

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