CN114050418B - 一种介质腔组成的透镜体及透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种更优的介质腔组成的透镜体和透镜天线。透镜体，包括若干锥状件，所述锥状件的内部形成有空腔，该空腔称为介质腔；这些锥状件组成球体，所组成的球体由球心至球面方向平均介电常数越来越低。本发明具有以下优点：1）锥状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）生产效率高；3）组件化生产，产品电性能的一致性高。本发明还提供一种使用该透镜体的透镜天线。

Description

一种介质腔组成的透镜体及透镜天线

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和电磁波透镜天线。

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，其重量相当可观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，本发明提供一种更优的介质腔组成的透镜体和透镜天线。

采用以下的技术方案：

一种介质腔组成的透镜体，特别地，包括若干锥状件，所述锥状件的内部形成有空腔，该空腔称为介质腔；这些锥状件组成球体，所组成的球体由球心至球面方向平均介电常数越来越低。

通过将多个锥状件组成球体，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较高的涂层或颗粒，或者在锥状件的内部嵌入介电常数较高的材料，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。

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。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。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。

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。

在同一透镜体内，锥状件可以有两种或两种以上。此时相当于可以用多种不相同的锥状件来共同组成球体，而不是仅使用一种锥状件来构成球体。譬如：一种是开口端形状为圆形的锥状件，另一种是开口端形状为等边三角形的锥状件，由这两种锥状件均匀地错落分布而共同组成球体。

锥状件的壁体的厚度可以是均匀的，也可以是不均匀的。在锥状件的壁体厚度不是均匀的情况下，锥状件的壁体厚度可以是自锐端至开口端平滑地减少的，也可以是自锐端至开口端形成有阶梯状结构。另外，在锥状件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。通过优化锥状件的壁体结构可以使得所组成的球体其介电常数的分布规律十分逼近龙伯透镜理论模型的要求。

再者，在锥状件的介质腔内还可以设置有用于令所组成的球体的介电常数分布趋于更优的调节件。调节件通常具有较高的平均介电常数，用于提升单位体积内介电常数分布的均匀性。譬如当锥状件的平均锥角较大时，介质腔内的靠近开口端的附近是具有较大空间的，此时虽然从整个透镜体的宏观来看可以认为该部位的介电常数分布是均匀的，但从微观来看该部位的介电常数分布又是不足够均匀的。调节件是位于或可触及至介质腔内的这些具有较大空间的部位的，其相当于能将这些具有较大空间的部位“划分”开来，从而可以改善本发明的透镜体微观情况下介电常数分布不足够均匀的问题。作为比较可取的方案，调节件可以制成是杆状的或者是锥壳状的，且最好位于介质腔的中央。

在锥状件的介质腔内还可以设有支撑件，用于防止锥状件因碰撞而变形。至于支撑件的材质是需要考虑支撑件所在位置的目标平均介电常数而定的，有可能采用具有较高介电常数的材料制成，也有可能采用介电常数尽可能低的材料制成。在介质腔内设有调节件的情况下，支撑件还可与调节件机械连接而对调节件起到支撑和定位的作用。

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。

另外，锥状件之间可以是紧邻地组成球体，或者是非接触地组成球体，或者是部分锥状件紧邻，部分锥状件非接触地组成球体。在锥状件的锐端的平均直径很小的情况下，这些锥状件的锐端都集中在所组成的球体的球心部位，此时不同锥状件的锐端之间的空间非常狭小，通过在这些狭小空间之间填充粘合剂就可以将锥状件固定在一起。并且可以根据需要而选择具有较低介电常数的粘合剂或者具有较高介电常数的粘合剂以达到优化球体介电常数分布规律的目的，譬如：将具有较高介电常数的粘合剂仅涂覆在锥状件的锐端附近以使球心部位的介电常数被拉升至2。此处所讲的较高介电常数与较低介电常数是以1.5作为分界。在锥状件之间是非接触地组成球体且锥状件之间的空隙相对大的情况下，锥状件之间可以填充多孔材料，如发泡材料。锥状件之间填充多孔材料后可以在不显著增加所组成球体的重量情况下增加锥状件之间的力传递面积，从而提高所组成的球体的抗震能力以及避免锥状件之间碰撞破损。另外，在所组成的球体的球面上，锥状件之间存在空隙的情况下，该空隙的面积最好等于锥状件的开口端所包围的面积，这样相当于球面被划分为面积相等的份数，理论上能提高电磁波在透镜体内的传播均匀性。更进一步地，在所组成的球体的球面上，锥状件之间存在空隙的情况下，该空隙的形状及面积与锥状件的开口端的形状及所包围的面积相同。

作为另一种实施方案，还可以包括一内核体，锥状件的锐端固定在内核体上，内核体的平均介电常数定为目标介电常数，一般为2，且内核体的中心与锥状件所组成的球体的球心共心。这样的结构可以首先确保透镜体中心部位的介电常数达到要求，从而减少需要控制的因素。

本发明所述的锥状件和内核体的材质可以是塑料或陶瓷或多孔材料等。

本发明还提供另一种介质腔组成的透镜体，特别地，包括若干锥状件，所述锥状件的内部形成有空腔，该空腔称为介质腔；这些锥状件组成半球体，所组成的半球体由球心至球面方向介电常数越来越低。

由于并非所有应用场合都需要一个完整的球形透镜体，半球形的透镜体能满足使用需求的情况下能节省生产成本和安装空间。

对于这种半球形的透镜体，也都可以设置有半球内核体，锥状件的锐端固定在半球内核体上，且半球内核体的球中心与锥状件所组成的半球体的球心共心。

本发明还提供一种透镜天线，包括透镜体和辐射振子；特别地，所述透镜体为以上所述两种透镜体之一。

本发明具有以下优点：

1）锥状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）一款透镜体一般只对应1到2种锥状件，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的立体结构示意图；

图2是实施例1的锥状件的纵向剖面结构示意图；

图3是实施例2的锥状件的纵向剖面结构示意图；

图4是实施例3的锥状件的纵向剖面结构示意图；

图5是实施例4的锥状件的纵向剖面结构示意图；

图6是实施例5的锥状件的纵向剖面结构示意图；

图7是实施例6的锥状件的纵向剖面结构示意图；

图8是实施例7的锥状件的纵向剖面结构示意图；

图9是实施例7的锥状件之间的配合原理示意图；

图10是实施例8的锥状件的纵向剖面结构示意图；

图11是实施例9的锥状件的纵向剖面结构示意图；

图12是实施例10的剖面结构示意图；

图13是实施例11的剖面结构示意图；

图14是实施例12的结构示意图。

附图标记说明：11-透镜体；12-锥状件；121-介质腔；122-锐端；123-开口端；63-凹坑；72-锥状件；721-凸点；722-凹坑；82-锥状件；821-通孔；822-调节件；823-支撑件；92-锥状件；921-第一涂层；922-第二涂层；102-锥状件；103-内核体；104-多孔材料；15-辐射阵子。

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，本实施例的一种介质腔组成的透镜体11包括若干锥状件12，锥状件12呈圆锥状，锥状件12的内部形成有空腔，该空腔称为介质腔121。如图2所示，锥状件12的平均直径较小的一端称为锐端122，平均直径较大的一端称为开口端123。锥状件12的锐端122都紧靠在一起并用粘合剂粘合在一起，于是这些锥状件12构成一个球体，而这些锥状件12的开口端123所组成的面近乎球体的球面。另外，在透镜体11的外表面可以加上外壳体或保护膜。

本实施例中，如图2所示，锥状件12的锥角α为18°，壁体厚度是均匀的，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。在锥状件12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。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：锥状件的壁体厚度不是均匀的，而是自锐端至开口端线性地平滑地减少的。具体为：锥状件的纵截面上代表介质腔内表面的线条是一段直线段。

实施例3

如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：锥状件的壁体厚度不是均匀的，而是自锐端至开口端非线性地平滑地减少的。具体为：锥状件的纵截面上代表介质腔内表面的线条是半径为R的一段圆弧。

实施例4

如图5所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：锥状件的壁体厚度不是均匀的，而是自锐端至开口端在介质腔内形成有阶梯状结构。

实施例5

如图6所示，本实施例与实施例4的不同之处在于：介质腔内的阶梯状结构是区别于实施例4的另一种样式的阶梯状结构，且在锥状件的外表面也形成有阶梯状结构。

实施例6

如图7所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：在锥状件的外表面形成有凹坑63。无论这些凹坑63的分布是规律的或者是不规律的，其目的是为使得锥状件能满足预定的有关介电常数或者重量的设计要求。

实施例7

如图8所示，本实施例与实施例6的不同之处在于：在锥状件72的外表面同时形成有凸点721和凹坑722。如图9所示，锥状件72的凸点721能落入到相邻锥状件72的凹坑722中。这样不同锥状件72之间形成局部交错，一方面相互之间可进行一定程度的机械限位，另一方面可以减轻锥状件外表面对电磁波的反射作用，改善电磁波在透镜体内的行走路径。

实施例8

如图10所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：在锥状件82的壁体上形成有众多均匀分布的通孔821，并且在介质腔内设有调节件822，调节件822是一杆状件，调节件822位于介质腔的中央。通孔的分布还可以是自锐端至开口端密度越来越大的，且可以有不同的形状和大小。另外本实施例的锥状件82还设有支撑件823，支撑件823处于介质腔内靠近开口端的位置，因为该位置的目标平均介电常数是1，因此支撑件823应当选用介电常数尽可能低的材料制成，综合考虑其他因素后，本实施例的支撑件823采用介电常数为1.05的发泡材料制成。并且调节件822穿入到支撑件823内由支撑件823对其进行支撑和定位。

实施例9

如图11所示本实施例透镜体的锥状件92的材质是发泡材料，发泡材料自身的介电常数为1.05，在锥状件92的锐端的外表面涂覆有自身介电常数为3的第一涂层921，在锥状件92的内表面涂覆有自身介电常数为2的第二涂层922，并且第二涂层922是喷涂工艺加工的，对于单件锥状件92，第二涂层922沿锐端至开口端的方向所喷涂的液滴的密度越来越低，于是这样的锥状件在组成球体后，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1.03越来越低。

实施例10

如图12所示，本实施例的透镜体包括锥状件102和内核体103，内核体103为正圆球体，内核体103的平均介电常数为2，锥状件102的介电常数为2，锥状件102的锐端插入到内核体103的内部且通过粘合剂固定。然而本实施例的锥状件的锐端也可以不是一种尖端。而锥状件102之间是互相非接触地但均匀地分布在内核体103的表面而组成球体的。在锥状件102之间还填充有多孔材料104。

实施例11

如图13所示，本实施例的介质腔组成的透镜体与实施例1的不同之处在于：锥状件组成半球体，所组成的半球体由球心至球面方向介电常数越来越低。

实施例12

如图14所示，本实施例是一种透镜天线，包括了实施例1的透镜体11，在距离透镜体11的球面1至5cm的位置设置有辐射振子15。在需要构建多波束天线的情况下，可以增加辐射振子15的数量。

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 (15)

1.一种介质腔组成的透镜体，其特征是：包括若干锥状件，所述锥状件的内部形成有空腔，该空腔称为介质腔；锥状件的一端为锐端，另一端为开口端；锥状件的锐端都靠在一起；在锥状件的壁体上形成有凸点、凸柱、凸片、凹坑和通孔中的一种或多种；这些锥状件组成球体，所组成的球体由球心至球面方向平均介电常数越来越低。

2.如权利要求1所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：同一透镜体内，锥状件有两种或两种以上。

3.如权利要求1所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：锥状件的壁体厚度是自锐端至开口端平滑地减少的。

4.如权利要求1所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：锥状件的壁体厚度是自锐端至开口端形成有阶梯状结构。

5.如权利要求1所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：在锥状件的介质腔内设置调节件。

6.如权利要求5所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：调节件制成是杆状的或者是锥壳状的。

7.如权利要求1所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：在锥状件的介质腔内还设有支撑件。

8.如权利要求1所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：锥状件的平均锥角在4°～30°范围内。

9.如权利要求1所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：锥状件之间是非接触地组成球体的。

10.如权利要求9所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：锥状件之间填充有多孔材料。

11.如权利要求1所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：还包括一内核体，锥状件的锐端固定在内核体上；内核体的中心与锥状件所组成的球体的球心共心。

12.如权利要求11所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：锥状件和内核体的材质是塑料或陶瓷或多孔材料。

13.一种介质腔组成的透镜体，其特征是：包括若干锥状件，所述锥状件的内部形成有空腔，该空腔称为介质腔；锥状件的一端为锐端，另一端为开口端；锥状件的锐端都靠在一起；在锥状件的壁体上形成有凸点、凸柱、凸片、凹坑和通孔中的一种或多种；这些锥状件组成半球体，所组成的半球体由球心至球面方向介电常数越来越低。

14.如权利要求13所述的一种介质腔组成的透镜体，其特征是：设置有半球内核体，锥状件的锐端固定在半球内核体上，且半球内核体的球中心与锥状件所组成的半球体的球心共心。

15.一种透镜天线，包括透镜体和辐射振子，其特征是：所述透镜体为权利要求1或权利要求13所述的透镜体。