CN114566807A - 柱状电磁波透镜 - Google Patents

Abstract

本发明为获得生产效率更高、成本更低、重量轻、性能指标更好、柱体透镜上各个方向的性能指标一致性更佳的电磁波透镜产品，采用以下的技术方案：包括有介质颗粒和外构体；所述外构体为柱筒状结构，在外构体的内部的周向上分布有复数个齿状结构；齿状结构的顶部的宽度比齿状结构的根部的宽度更短，齿状结构的顶部朝向外构体的内部；外构体内部的空间称为介质腔，介质颗粒填充于介质腔内；所述的外构体和齿状结构它们的介电常数值比介质颗粒的介电常数值更低。本发明的柱状电磁波透镜具有结构简单、成本较低、容易批量生产、产品一致性高以及电性能较为稳定的优点。

Description

柱状电磁波透镜

技术领域

本发明涉及通信设备生产领域，更具体地说，涉及一种由内至外介电常数越来越低的柱状电磁波透镜。

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；第二类是空穴类；第三类是卷制类。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。

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。

卷制类结构通常就是形成圆柱体或椭圆柱体，如中国专利号：202010055740.0，名为“一种人工介质多层柱状透镜制造方法”所公开的结构，其分层层数容易做成较多层，而且即使在圆柱体或椭圆柱体的中轴方向上不是符合经典模型的理论，但实际测试数据显示其性能指标也能满足部分特定场景的要求。然而该种结构有其缺陷：当高介电常数颗粒材料是长度达2～3mm的金属线段时，这些金属线段又只是撒布在基材的表面上，当基材被卷起来后这些金属线段相当于是沿一个螺旋曲面分布，这意味着这种结构的透镜在其某一局部上的多根金属线段它们在卷成的圆柱的径向上几乎都是没有长度分量的，即该种结构的透镜虽然在透镜整体上其金属线段是三维随机的，但对于透镜的任一局部其金属线段只能是二维随机。这容易导致柱体透镜上各个方向的性能指标出现较大偏差。

为获得生产效率更高、成本更低、重量轻、性能指标更好、柱体透镜上各个方向的性能指标一致性更佳的电磁波透镜产品，需要对现有的产品结构进行改进。

发明内容

为解决现有技术中存在的缺点，本发明提供电性能指标更优的柱状电磁波透镜。

采用以下的技术方案：

柱状电磁波透镜，特别地，包括有介质颗粒和外构体；所述外构体为柱筒状结构，在外构体的内部的周向上分布有复数个齿状结构；齿状结构的顶部的宽度比齿状结构的根部的宽度更短，齿状结构的顶部朝向外构体的内部；外构体内部的空间称为介质腔，介质颗粒填充于介质腔内；所述的外构体和齿状结构它们的介电常数值比介质颗粒的介电常数值更低。

本发明的结构原理如下：

现有技术中由介质颗粒构成的电磁波透镜通常会分为若干层，这些层是逐层包裹的（全包裹或半包裹），从最内层至最外层各层的目标介电常数值是从2至1逐渐降低的。由于不同的层它们的目标介电常数值不同，因此需要制作多种目标介电常数值不同的介质颗粒且要确保这些不同的介质颗粒处在正确的位置上，而这就造成这类电磁波透镜产品生产成本的高企以及电性能控制的困难。本发明利用齿状结构来挤占外构体内部的柱形空间，由于齿状结构的尺寸形状以及位置是可以被预先设定好的，当众多的介质颗粒被填充入介质腔内时，这些介质颗粒所能到达的位置也就是被预先设定的。外构体及其齿状结构选择介电常数值尽量低的材料来制作，而众多的介质颗粒它们是具有较高的介电常数值的，齿状结构的存在令到单位体积内的介电常数值会同时受到介质颗粒和齿状结构两者的影响，具体地，如果单位体积内介质颗粒的体积占比比较高，则此时该单位体积其介电常数值也会比较高，如果单位体积内齿状结构的体积占比比较高，则此时该单位体积其介电常数值却会比较低。由于本发明的透镜其齿状结构的顶部的宽度比齿状结构的根部的宽度更短，这相当于在齿状结构触及之处越靠近外构体的中轴线的位置其单位体积内介质颗粒的体积占比越高，而越远离外构体的中轴线的位置其单位体积内介质颗粒的体积占比越低，而这个规律刚好是与想要的介电常数值由内至外逐渐降低的规律相符的。在适当控制齿状结构的形状尺寸、数量以及位置情况下，此时甚至可以只用一种介电常数值的介质颗粒去填充介质腔就能获得理想的介电常数分布。

虽然以上提及到本发明的柱状电磁波透镜有可能只用1种介电常数值的介电颗粒去填充介质腔，但本申请也可以使用2种或2种以上的不同介电常数值的介质颗粒去填充介质腔。在使用2种或以上的不同介电常数值的介质颗粒去填充介质腔时，这些介质颗粒可以是均匀混合的，也可以是介电常数值相同的介质颗粒聚集在一起构成一层介质层，介电常数值较低的介质层比介电常数值较高的介质层更越远离外构体的中轴线。

本申请所述的齿状结构可以是类机械齿的结构，或者是锥状的结构。在齿状结构的外表面可以形成有凸起和/或凹陷。当齿状结构是类机械齿的结构时，齿状结构的齿宽可以达到外构体高度的70%以上，此时相当于在外构体的高度方向上只有1层齿状结构。然而齿状结构的齿宽也可以做得不那么大，可以只有外构体高度的5%左右，此时相当于在外构体的高度方向上可以有20层或以上的齿状结构。有关齿状结构的层数，可以根据实际的需要而定，通常是1至50层。在有多层齿状结构的情况下，不同层的齿状结构可以在外构体的周向上互相错开地分布，以进一步消除透镜可能出现的增益不均匀的问题。另外，当齿状结构是类机械齿的结构时，齿状结构的齿面可以是单一平面，或者是单一曲面，或者是若干平面的组合，或者是若干曲面的组合，或者是平面和曲面的组合。当齿状结构是锥状的结构时，齿状结构可以是圆锥状，或者是棱锥状，或者是其他的形似锥状的结构。

所述的齿状结构它们的根部可以是相连的或者是不相连的。当齿状结构它们的根部不相连的情况下，相当于能容许更大体积或者更多数量的介质颗粒到达齿状结构的根部位置，这视乎设计的需要。

另外，处在外构体的同一高度位置的齿状结构，它们沿外构体在该高度的周向的分布最好是均匀的。

所述外构体可以是一体制成的或者是组合制成的。当外构体是组合制成的情况下，外构体最好是由若干环状构体层叠组成。作为进一步改进的结构，在单件环状构体的一个端面上最好形成有凸出部位，同时在另一个端面上形成有相应的凹陷部位。这样相邻的环状构体之间，一件环状构件的凸出部位能刚好落入另一件环状构件的凹陷部位中，实现两者之间进行定位和连接的效果，同时由于单件环状构件的模具体积要比整件外构件的模具体积小，于是这样的结构也能节省模具成本，再者在生产不同层的齿状结构在外构体的周向上互相错开地分布的透镜时，由于单件环状构体的高度较低，于是更便于介质颗粒的填充工作。此时可以先把介质颗粒填充至单件环状构体内，然后再错开齿状结构地放上另一件环状构体，然后再把介质颗粒填充至该另一件环状构体内，如此重复直至获得目标数量的环状构件的层叠体而作为电磁波透镜成品。应当说明的是，单件环状构件内其可以包括1层或以上的齿状结构。

所述外构体的两个端面上最好还设有端盖，端盖的介电常数值比介质颗粒的介电常数值更低。端盖用于增强外构体的强度防止外构体因外力而变形，并且用于保护介质腔内的介质颗粒。而当在介质腔内填入稍多的介质颗粒，然后利用端盖将介质颗粒稍微压缩地封存在外构体与端盖构成的介质腔内时，此时由于介质颗粒之间存在一定的挤压变形，于是这种情况下是可以不采用粘合剂对这些介质颗粒进行粘连固定的，这样的透镜产品可以不考虑粘合剂的介电常数值因素以及粘合剂分布不均匀而对透镜产品电性能的影响。

所述外构体及其齿状结构优选采用模内发泡工艺制得。所述的介质颗粒可以采用现有技术结构，尤其优选采用在发泡颗粒中嵌入有金属线段的结构。

另外，在外构体的同一高度上齿状结构的数量优选在10～80个范围内。

本发明的柱状电磁波透镜具有结构简单、成本较低、容易批量生产、产品一致性高以及电性能较为稳定的优点。

附图说明

图1是实施例1的主视结构示意图；

图2是实施例1的外构体的立体结构示意图；

图3是实施例1的外构体的主视结构示意图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是实施例2的外构体的主视结构示意图；

图6是实施例3的外构体的主视结构示意图；

图7是实施例4的外构体的主视结构示意图；

图8是实施例5的外构体的主视结构示意图；

图9是实施例6的外构体的主视结构示意图；

图10是实施例6的外构体的立体结构示意图；

图11是实施例7的外构体的主视结构示意图；

图12是实施例8的外构体的主视结构示意图；

图13是实施例8的外构体的局部放大示意图；

图14是实施例9的外构体的立体结构示意图；

图15是实施例9的环状构体的一个立体结构示意图；

图16是实施例9的环状构体的另一个立体结构示意图；

图17是图14的半剖结构示意图。

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、图2、图3、图4所示，本实施例的柱状电磁波透镜包括：外构体1、介质颗粒2、上端盖和下端盖（上端盖和下端盖图中没有示出）。其中：如图2、图3、图4所示，外构体1为柱筒状结构，在外构体1的内部的周向上均匀分布有54个齿状结构3，外构体1及其齿状结构3是采用发泡材料通过模内发泡一体制成的。齿状结构3的顶部均朝向外构体1的中轴线C；外构体1内部的空间称为介质腔4，介质颗粒2则填充于介质腔4内，并且介质颗粒2之间不采用任何粘合剂。本实施例的外构体1和齿状结构3它们的介电常数值为1.01，而介质颗粒2的介电常数值为2.1。

本实施例中的齿状结构3是类机械齿的结构。如图3所示，齿状结构3的齿面F是单一平面，齿状结构3的顶部的宽度d比齿状结构3的根部的宽度g更短，而齿状结构3的齿宽h则是与外构体1的高度H相同，如图4所示，这代表本实施例的柱状电磁波透镜只有1层齿状结构。另外，如图3所示，本实施例的齿状结构3之间它们的根部是不相连的。

本实施例的电磁波透镜利用齿状结构3来挤占外构体1内部的柱形空间，并由此限定介质颗粒2的分布位置以及分布数量，从而令到透镜产品的介电常数值由内至外是逐渐降低的，满足透镜的电性能效果要求。

实施例2

如图5所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：介质颗粒分为第一种介质颗粒21和第二种介质颗粒22。其中，第一种介质颗粒21的介电常数值是1.8，第二种介质颗粒22的介电常数值是2.1，且第一种介质颗粒21所构成的层比第二种介质颗粒22所构成的层更远离外构体的中轴线。

第一种介质颗粒21和第二种介质颗粒22它们的物理结构几乎是相同的，都是在两层发泡材料之间嵌入金属线段，区别在于所嵌入的金属线段的数量和/或长度不同，使得它们具有不同介电常数值。

实施例3

如图6所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：外构体1的齿状结构3的数量更多，且齿状结构3之间它们的根部是不相连的。

实施例4

如图7所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：外构体的齿状结构3的齿面F上还形成凹陷。本实施例的凹陷是形成于齿面F上的若干直凹槽301，这些直凹槽301的底部是圆弧面，直凹槽301的轴线方向与外构体1的中轴线方向互相平行。

实施例5

如图8所示，本实施例与实施例4的不同之处在于：直凹槽301的宽度更宽，底部是平面。

实施例6

如图9、图10所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：外构体的齿状结构3的齿面F是单一曲面，具体地，本实施例的齿状结构3的齿面F是圆柱面（非外构体的柱面）的一部分。

实施例7

如图11所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：外构体的齿状结构3的齿面F是平面和曲面的组合，具体地，本实施例单个齿状结构3的单面齿面F是由平面P和曲面S构成的。

实施例8

如图12、图13所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：外构体的齿状结构3的齿面F是若干平面的组合，具体地，本实施例单个齿状结构3的单面齿面F是由平面P1、平面P2、平面P3、平面P4、平面P5、平面P6、平面P7构成的。

实施例9

如图14、图15、图16、图17所示，本实施例与实施例6的区别在于：外构体1是由11件环状构体11层叠组成的，由此组成了外构体1的总高度。由于每件环状构件11包括1层齿状结构3，于是本实施例的柱状电磁波透镜相当于具有11层齿状结构3。本实施例中，各件环状构体11的结构和尺寸都是相同的，单件环状构体11的结构可理解为是实施例6的外构体1沿其高度方向等分11份后的其中1件，并在此基础上在单件环状构体11的一个端面上形成8个凸出部位12，同时在另一个端面上形成有8个相应的凹陷部位13。如图15、图16、图17所示，本实施例中相邻的环状构体11之间是通过凸出部位12和凹陷部位13的插合而进行定位和连接，并且在组装环状构体11的过程中还让相邻的环状构体11它们各自的齿状结构3互相错开。具体到本实施例的结构，如图15、图16所示，一件环状构体的序号1的凸出部位12是插入到另一件环状构体的序号3的凹陷部位内13的。如果想要相邻的环状构体11它们各自的齿状结构3是互相对齐的话，只要将一件环状构体的序号1的凸出部位12插入到另一件环状构体的序号1的凹陷部位13内即可。通过这样的层叠组装结构可以进一步消除透镜可能出现的增益不均匀的问题。

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 (20)

1.柱状电磁波透镜，其特征是：包括有介质颗粒和外构体；所述外构体为柱筒状结构，在外构体的内部的周向上分布有复数个齿状结构；齿状结构的顶部的宽度比齿状结构的根部的宽度更短，齿状结构的顶部朝向外构体的内部；外构体内部的空间称为介质腔，介质颗粒填充于介质腔内；所述的外构体和齿状结构它们的介电常数值比介质颗粒的介电常数值更低。

2.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：只用一种介电常数值的介质颗粒去填充介质腔。

3.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：使用2种或2种以上的不同介电常数值的介质颗粒去填充介质腔。

4.如权利要求3所述的柱状电磁波透镜，其特征是：介质颗粒是均匀混合的，或者相同的介质颗粒聚集在一起构成一层介质层，介电常数值较低的介质层比介电常数值较高的介质层更越远离外构体的中轴线。

5.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：所述的齿状结构是类机械齿的结构。

6.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：所述的齿状结构是锥状的结构。

7.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：在齿状结构的外表面形成有凸起和/或凹陷。

8.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：齿状结构的层数是1至50层。

9.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：在有多层齿状结构的情况下，不同层的齿状结构在外构体的周向上互相错开地分布。

10.如权利要求5所述的柱状电磁波透镜，其特征是：齿状结构的齿面是单一平面，或者是单一曲面，或者是若干平面的组合，或者是若干曲面的组合，或者是平面和曲面的组合。

11.如权利要求6所述的柱状电磁波透镜，其特征是：齿状结构是圆锥状，或者是棱锥状。

12.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：齿状结构它们的根部是不相连的。

13.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：处在外构体的同一高度位置的齿状结构，它们沿外构体在该高度的周向的分布是均匀的。

14.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：所述外构体是组合制成的。

15.如权利要求14所述的柱状电磁波透镜，其特征是：外构体是由若干环状构体层叠组成。

16.如权利要求15所述的柱状电磁波透镜，其特征是：在单件环状构体的一个端面上形成有凸出部位，同时在另一个端面上形成有相应的凹陷部位。

17.如权利要求15所述的柱状电磁波透镜，其特征是：单件环状构件内其包括1层以上的齿状结构。

18.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：所述外构体的两个端面上还设有端盖，端盖的介电常数值比介质颗粒的介电常数值更低。

19.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：所述外构体及其齿状结构采用模内发泡工艺制得。

20.如权利要求1所述的柱状电磁波透镜，其特征是：在外构体的同一高度上齿状结构的数量在10～80个范围内。

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