CN113851855A - 一种电磁波透镜的单元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁波透镜的单元件，其具有可组合的功能。一种电磁波透镜的单元件，特别地，包括锥状件和附加件，所述锥状件的内部形成有空腔，该空腔称为介质腔；在锥状件的开口端还形成有减薄部，该减薄部为整周减薄结构；附加件的一端通过减薄部连接锥状件。本发明具有以下优点：1）锥状件和附加件的组装结构天然地与龙伯透镜的理论模型契合，因此透镜体对理论效果的还原力强；2）一种规格的锥状件可以搭配多种规格的附加件从而生产多种不同规格的透镜体，产品开发和生产成本较低，生产效率高；3）组件化生产，产品电性能的一致性高；4）可适用于广泛的目标尺寸；5）结构紧凑稳定。

Description

一种电磁波透镜的单元件

技术领域

本发明涉及通信设备生产领域，更具体地说，涉及一种电磁波透镜的单元件。

背景技术

龙伯透镜由RKLuneberg于1944年基于几何光学法提出，用作天线和散射体的应用，主要用于快速扫描系统、卫星通信系统、汽车防撞雷达、雷达反射器等领域。

龙伯透镜的经典模型是：龙伯透镜从球心到外径其介电常数应该是从2到1遵从一定的数学规律连续变化。但自然界里并不存在这样理想的结构，所以在实际设计中常用分层的、介电常数阶变的结构来逼近理论结构。

现有技术中，分层的、介电常数阶变的结构大致可分为以下三类：第一类是包裹类；第二类是卷制类，第三类是空穴类。这些不同的结构其缺点与优点同样鲜明。

包裹类结构的生产通常需要使用模具，如果层数太多则工艺太复杂且成本高昂，而且不同个体的性能一致性通常较差。

卷制类结构的分层层数虽容易做成较多层，但现有技术只能将其制成圆柱体或椭圆柱体而非经典模型的球体，且在圆柱体和椭圆柱体的中轴方向上不是符合经典模型的理论的，使得其性能效果大打折扣，以致于不能满足很多场景下的性能要求。

空穴类通常是采用3D打印的方式制成，而3D打印出来的构体通常都是单一种热熔材料，现时适用于3D打印的热熔材料要么介电常数不合适，要么密度不足够低，在面对制作大尺寸透镜时，其重量相当沉重以致引起安装和使用的各种困难。

后来还出现了组装类的结构，是指多个形状相同或基本相同的单元构体按照一定的分布规律共同构成透镜整体。如专利号为202010092466.4，名称为“通信装置、透镜天线及球透镜”的中国发明专利所公开的技术方案。该方案公开了一种由介质载体和若干个介质锥体构成的透镜结构，由于其介质锥体为实心结构，于是该方案是通过调整介质锥体的外形轮廓来控制介质的填充比，然而这样的做法使得只要想逼近龙伯透镜的原理，则即使介质锥体的长度或锥尖的角度有所不同，但介质锥体的形状基本上都会呈现两头尖中间鼓的形态，而介质锥体这样的形态会导致两个问题：1）介质锥体之间的排列并不紧密，容易出现介质锥体偏离既定位置的问题；2）目标的球状透镜的直径一定的情况下，所能设置的介质锥体的数量不能太多，否则就严重偏离所需的介电常数的分布规律，但介质锥体的数量较少的情况也就说明透镜的局部的介电常数分布其实并不很均匀；3）由于介质锥体自身的形状以及它们的组装规律所限，单一个球体透镜所能设置的介质锥体的最大数量也不能太多，这又会造成透镜整体的外形并不接近于球形或圆柱面，而这又是与龙伯透镜的理论模型相违背的。

为获得生产效率更高、成本更低、重量轻、性能指标更好、性能一致性更佳的龙伯透镜产品，需要对现有的产品结构进行创新。

发明内容

为解决现有技术中存在的缺点，本发明提供一种电磁波透镜的单元件，其具有可组合的功能。

采用以下的技术方案：

一种电磁波透镜的单元件，特别地，包括锥状件和附加件，所述锥状件的内部形成有空腔，该空腔称为介质腔；在锥状件的开口端还形成有减薄部，该减薄部为整周减薄结构；附加件的一端通过减薄部连接锥状件。

应当说明的是，本发明的锥状件是指一端的平均直径较小，一端的平均直径较大的空心构件，平均直径较小的一端称为锐端，平均直径较大的一端称为开口端，锐端的平均直径不大于开口端的二分之一。本发明的附加件是锥台状的筒件，用来扩展锥状件的尺寸和轮廓，该筒件平均直径较小的一端称为小径端，小径端用于配合减薄部而连接锥状件，该筒件平均直径较大的一端称为大径端。由于锐端和开口端的形状不限于圆形，譬如也可以是三角形或者正六边形或者独特设计的形状，因此本发明以平均直径来描述锐端和开口端之间的大小关系，小径端和大径端也是如此。锐端的平均直径也可以无限接近零，此时锐端就相当于锥状件的锥尖。另外由于本发明的锥状件的外表面也不限定为标准的圆锥面而可能具有额外的细节结构，因此本发明以平均锥角来描述锥状件的尖锐程度。

通过将多个锥状件作为单元件而组成球体或半球体，此时球心部位单位体积内锥状件的材质占比最高，球面部位单位体积内锥状件的材质占比最低，且由球心至球面方向单位体积内锥状件的材质占比是越来越低的。此时，第一种情况：如果用介电常数在2.1～3.5范围内的材质来制成锥状件，则通过调整锥状件的平均锥角大小并考虑空气在单位体积内的占比后，就可以令到所组成的球体的球心部位的平均介电常数达到2或很接近2，球面部位的平均介电常数很接近1，且球心部位至球面部位之间的平均介电常数可以比较均匀地过渡。第二种情况：如果用介电常数在1.0001～1.2范围内的材质来制成锥状件，则通过在锥状件的外表面和/或内表面附加介电常数更高的涂层或颗粒，或者在锥状件的内部嵌入介电常数更高的材料，也都可以令到所组成的球体的球心部位的平均介电常数达到2或很接近2，球面部位的平均介电常数很接近1，且球心部位至球面部位之间的平均介电常数是比较均匀地过渡。于是将多个锥状件组成球体的结构自然地与龙伯透镜理论模型的要求非常契合，实际生产时只要对锥状体的结构进行一定的优化就可以获得性能效果非常理想的电磁波透镜体，且此时产品性能的一致性能被更好地控制。

但由于透镜的直径大小与工作频率有关，不同的工作频率需要的单元件的高度不同，如果都为这些工作频率设置单独的单元件，那么就需要很多模具来对应生产这些锥状件，这将大大增加生产成本。而通过在锥状件的靠近开口端的部位形成减薄部的方案，则所需锥状件的高度较低时，利用减薄部就可以达到降低透镜外周介电常数的目的；而所需锥状件的高度较高时，在减薄部连接上附加件后，附加件除了可延伸锥状件的外轮廓尺寸以外，由于附加件与减薄部连接时两者会产生壁体重叠，因此该连接部位的介电常数会变得或能够做得比没有连接附加件前的高，相当于在连接了附加件之后减薄部本身的较低的介电常数会被附加件的小径端的较高介电常数所提拉，从而使得即使延伸了锥状件的外轮廓尺寸也不会破坏透镜从球心部位至球面部位介电常数平滑降低这个目标。而此时高度较低的锥状件的模具费用加上附加件的模具费用也会比高度较低的锥状件的模具费用加上高度较高的锥状件的模具费用要低出不少，于是达到了节省模具费用的目的。

本发明所述的锥状件的开口端的形状可以是圆形、正多边形或者其他形状，从而锥状件的形状可以是圆锥状或棱锥状或其他锥状。

本发明的附加件的大径端优选也设有减薄部。这样可以在一件附加件的大径端的减薄部再扩展另一附加件。

锥状件的非减薄部的壁体的厚度可以是均匀的，也可以是不均匀的。在锥状件的非减薄部的壁体厚度不是均匀的情况下，锥状件的非减薄部的壁体厚度可以是自锐端至开口端方向平滑地减少的，也可以是自锐端至开口端方向形成有阶梯状结构。而锥状件的减薄部的壁体厚度也可以是均匀的或者是不均匀的，在减薄部的壁体厚度不均匀的情况下，该壁体厚度可以是线性减少的，或者是非线性减少的。另外，在锥状件的减薄部和/或非减薄部的壁体上还可以形成有凸点、凸柱、凸片、凹坑和通孔等结构中的一种或多种。通过优化锥状件的减薄部和/或非减薄部的壁体结构可以使得在连接附加件之前及之后，该单元件所组成的球体其介电常数的分布规律逼近龙伯透镜理论模型的要求。

所述减薄部与附加件之间最好还通过凸缘和凹槽的配合，或者凸点与凹坑的配合进行机械连接。应当说明的是，减薄部可以形成在开口端的外表面或者内表面，此时减薄部与附加件之间的连接关系是：减薄部形成在开口端的外表面，减薄部插入到附加件的小径端之内；减薄部形成在开口端的内表面，附加件的小径端插入到减薄部之内。

本发明所述的锥状件的平均锥角最好在4°～30°范围内。平均锥角的角度越小意味着可由更多的锥状件组成球体，此时所组成的球体的表面越接近正圆球表面。但锥状件的数量太多有可能导致透镜体过重，这需要进行一定取舍。

本发明所述的锥状件和附加件的材质可以是塑料或陶瓷或多孔材料等。

本发明具有以下优点：

1）锥状件和附加件的组装结构天然地与龙伯透镜的理论模型契合，因此透镜体对理论效果的还原力强；2）一种规格的锥状件可以搭配多种规格的附加件从而生产多种不同规格的透镜体，产品开发和生产成本较低，生产效率高；3）组件化生产，产品电性能的一致性高；4）可适用于广泛的目标尺寸；5）结构紧凑稳定。

附图说明

图1是实施例1的剖视结构示意图；

图2是实施例1的锥状件的剖视结构示意图；

图3是实施例1的附加件的剖视结构示意图；

图4是实施例1的单元件构成透镜后的结构立体结构示意图；

图5是实施例2的剖视结构示意图；

图6是实施例2的锥状件的剖视结构示意图；

图7是实施例2的附加件的剖视结构示意图；

图8是实施例3的剖视结构示意图；

图9是实施例3的锥状件的剖视结构示意图；

图10是实施例3的附加件的剖视结构示意图；

图11是实施例4的剖视结构示意图；

图12是实施例4的锥状件的剖视结构示意图；

图13是实施例4的附加件的剖视结构示意图。

附图标记说明：

10-单元件；11-锥状件；12-附加件；111-介质腔；112-锐端；113-开口端；114-减薄部；121-小径端；122-大径端；211-凹槽；221-凸缘。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明内容作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的电磁波透镜的单元件10包括：锥状件11和附加件12。

其中，如图2所示，锥状件11的内部形成有空腔，该空腔称为介质腔111。锥状件11的一端为锐端112，另一端为开口端113，在锥状件11的开口端113还形成有减薄部114，该减薄部114为整周减薄结构。如图3所示，附加件12的一端为小径端121，另一端为大径端122。如图1所示，本实施例的锥状件11的减薄部114形成在开口端113的内表面，而附加件12的小径端121是插入到减薄部114内而实现附加件12与锥状件11的连接的。

本实施例中，如图2所示，锥状件11的锥角α为18°，锥状件11的非减薄部的壁体厚度是均匀的，而减薄部114的厚度是线性减少的。而在与附加件12连接之后，如图1所示，所构成的单元件10其壁体的厚度几乎是均匀的。本实施例的壁体的材质是ABS工程塑料掺入其他材料，该材质的平均介电常数为2.3。如图4所示，在将多个单元件10组成球体后，考虑粘合剂以及空气的介电常数以及它们所占的体积比例后，只要适当地调整锥状件11的壁体厚度，就能使得所组成的球体在任何的由球心至球面方向平均介电常数越来越低，且是从介电常数2至介电常数1.2越来越低。

这样的单元件结构在制作小尺寸透镜体时，可以考虑仅以锥状件11就作为单元件，而在制作较大尺寸透镜体时，可以在锥状件11的基础上再结合尺寸合适的附加件由此得到尺寸匹配的单元件来制作透镜体。这相当于不论目标透镜体的尺寸是多少，锥状件都是通用的，从而可以节省模具的制作费。

实施例2

如图5至7所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：在锥状件11的减薄部114形成有凹槽211，在附加件12上形成有凸缘221，锥状件11与附加件12之间通过凸缘221和凹槽211的配合进行机械连接。

实施例3

如图8至10所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：锥状件11的非减薄部的壁体厚度是线性减少的，其减薄部114的壁体也是线性减少的，但由于减薄部114的存在，使得非减薄部的壁体厚度能被察觉减薄得更厉害，在与附加件12连接之后，如图8所示，所构成的单元件10其壁体的厚度几乎也是线性减少的。

实施例4

如图11至13所示，本实施例与实施例3的不同之处在于：锥状件11的非减薄部的壁体厚度是线性减少的，而其减薄部114的壁体是均匀的。在与附加件12连接之后，如图11所示，所构成的单元件10其壁体的厚度几乎也是线性减少的。

本说明书列举的仅为本发明的较佳实施方式，凡在本发明的工作原理和思路下所做的等同技术变换，均视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电磁波透镜的单元件，其特征是：包括锥状件和附加件，所述锥状件的内部形成有空腔，该空腔称为介质腔；在锥状件的开口端还形成有减薄部，该减薄部为整周减薄结构；附加件的一端通过减薄部连接锥状件。

2.如权利要求1所述的一种电磁波透镜的单元件，其特征是：用介电常数在2.1～3.5范围内的材质来制成锥状件。

3.如权利要求1所述的一种电磁波透镜的单元件，其特征是：用介电常数在1.0001～1.2范围内的材质来制成锥状件，在锥状件的外表面和/或内表面附加介电常数更高的涂层或颗粒，或者在锥状件的内部嵌入介电常数更高的材料。

4.如权利要求1所述的一种电磁波透镜的单元件，其特征是：锥状件的形状是圆锥状或棱锥状。

5.如权利要求1所述的一种电磁波透镜的单元件，其特征是：附加件的大径端也设有减薄部。

6.如权利要求1所述的一种电磁波透镜的单元件，其特征是：锥状件的非减薄部的壁体的厚度是均匀的。

7.如权利要求1所述的一种电磁波透镜的单元件，其特征是：锥状件的非减薄部的壁体厚度是自锐端至开口端方向平滑地减少的，或者是自锐端至开口端方向形成有阶梯状结构。

8.如权利要求1所述的一种电磁波透镜的单元件，其特征是：减薄部的壁体厚度不均匀，该壁体厚度是线性减少的，或者是非线性减少的。

9.如权利要求1所述的一种电磁波透镜的单元件，其特征是：在锥状件的减薄部和/或非减薄部的壁体上还形成有凸点、凸柱、凸片、凹坑和通孔结构中的一种或多种。

10.如权利要求1所述的一种电磁波透镜的单元件，其特征是：所述减薄部与附加件之间还通过凸缘和凹槽的配合，或者凸点与凹坑的配合进行机械连接。

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