CN114824823B - 球状电磁波透镜 - 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、球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；所述外构体为球壳状结构，在外构体的内部分布有复数个锥状结构；锥状结构的根部与外构体的内壁相连，锥状结构的尖部朝向外构体的球壳中心；外构体内部的空间称为介质腔，介质颗粒填充于介质腔内；所述的外构体和锥状结构它们的介电常数值比介质颗粒的介电常数值更低；所述外构体是由至少2件拼接件组合构成。本发明的球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

球状电磁波透镜

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球状电磁波透镜。

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或冲头，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浮动比较大，如中国专利申请号：201910225149.2，名为“龙伯透镜的生产方法”所公开的技术方案。

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。

为获得生产效率更高、成本更低、重量轻、性能指标更好、球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球状电磁波透镜。

采用以下的技术方案：

球状电磁波透镜，特别地，包括有介质材料和外构体；所述外构体为球壳状结构，在外构体的内部分布有复数个锥状结构；锥状结构的根部与外构体的内壁相连，锥状结构的尖部朝向外构体的球壳中心；外构体内部的空间称为介质腔，介质材料填充于介质腔内；所述的外构体和锥状结构它们的介电常数值比介质材料的介电常数值更低；所述外构体通常是由至少2件拼接件组合构成。

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(对于球状的电磁波透镜而言几乎都采用全包裹结构)，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。本发明利用锥状结构来挤占球壳状的外构体的内部球状空间，由于锥状结构的尺寸形状以及位置是可以被预先设定好的，当介质材料被填充入介质腔内时，这些介质材料所能到达的位置也就是被预先设定了。本发明所讲的介质材料的形态：可以是始终具有确定形状的,如刚性或柔性的颗粒或粉末；或者是始终是流体状态的，如液体或稠浆；或者是在定形之前是流体状态但填充到介质腔内后将定形为具有确定形状的，如经历一段时间后会固化定形的流体；或者是始终是可塑状态的，如不会硬化的陶泥；或者是在定形之前是可塑状态但填充到介质腔内后将定形为具有确定形状的，如经历一段时间后会固化定形的人造泥。外构体及其锥状结构选择介电常数值尽量低的材料来制作，而介质材料它们是具有较高的介电常数值的，锥状结构的存在令到单位体积内的综合介电常数值不仅会受到介质材料的体积占比以及可能性的存在于介质材料内部和介质材料(如刚性或柔性的颗粒或粉末)之间的空气的体积占比的影响，还会受到锥状结构的体积占比的影响。具体地，如果单位体积内介质材料的体积占比比较高，则此时该单位体积其综合介电常数值也会比较高；如果单位体积内锥状结构的体积占比或者存在于介质材料内部或存在于介质材料之间的空气的体积占比比较高，则此时该单位体积其综合介电常数值却会比较低。由于本发明的透镜其锥状结构自身的特点以及设置方式决定了在锥状结构触及之处越靠近外构体的球壳中心的位置其单位体积内介质材料的体积占比越高，而越远离外构体的球壳中心的位置其单位体积内介质材料的体积占比越低，而这个规律刚好是与想要的综合介电常数值由内至外逐渐降低的规律相符的。在适当控制锥状结构的形状尺寸、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材料去填充介质腔就能获得理想的综合介电常数值分布。而介质材料自身的介电常数值通常在2.0至5.5范围内。

虽然以上提及到本发明的球状电磁波透镜有可能只用1种介电常数值的介电材料去填充介质腔，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材料去填充介质腔。在使用2种或以上的不同介电常数值的介质材料去填充介质腔时，这些介质材料可以是均匀混合的，也可以是介电常数值相同的介质材料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心。

所述锥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。另外在锥状结构的外表面可以形成有凸起和/或凹陷，用于调整锥状结构对介质腔内空间的挤占情况或者调整锥状结构对介质材料位置的限定情况。

所述锥状结构的高度优选在外构体的内半径r的20％～90％范围内。

所述的锥状结构它们的根部可以是相连的或者是不相连的。当锥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材料到达锥状结构的根部位置，这视乎设计的需要。在锥状结构它们的根部不相连的情况下，在这些锥状结构的根部之间的外构体的内壁上还可以形成有通孔，这样可以减少外构体的重量，且对透镜的性能几乎没有影响。此时通孔的孔径大小一般以介质材料不能通过为宜。

另外，锥状结构在外构体的内部的分布最好是均匀的，这样可以消除介质材料在介质腔内分布位置的不均匀性。

球壳状结构的外构体一般是组合制成的，最通常的组合结构是：外构体由完全相同的两个半球壳组合成一个完整的构体。此时两个半球壳之间的分界面可以是平面，也可以是波浪曲面，而波浪曲面的走向最好绕过锥状结构的根部，这样相当于保证了每个锥状结构本身就是完整的而不是拼合而成的。制作透镜时，可以先把介质材料填充至单个半球壳内，然后再把填充了介质材料的两个半球壳合在一起构成透镜。在半球壳的分界面上最好形成有凸出部位和凹陷部位，这样两件半球壳之间可以通过凸出部位和凹陷部位的互相插合或钩锁而实现连接固定，此时甚至可以考虑免除在分界面上涂覆粘合剂。如果介质材料的形态是流体状态，那么此时可以先将两个半球壳组合成一个完整的不漏液的外构体，然后在外构体上钻出小孔，通过小孔向介质腔内注入介质材料且确保介质材料完全充满介质腔，然后再封闭小孔。

对于刚性或柔性的颗粒或粉末的介质材料，由于其自身可压缩或者材料原本不够紧实，此时通过两个半球壳可以将介质材料稍微压缩地封存在介质腔内，于是介质材料之间可以不采用粘合剂进行粘连固定，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。

当然地，外构体也可以被设计成由更多数量的组件组合制成。

所述外构体及其锥状结构可以采用模内发泡工艺制得。所述的介质材料在选用颗粒形态时可以采用现有技术结构，尤其可采用在发泡颗粒中嵌入有金属线段的结构。

本发明的球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的球状电磁波透镜的主视结构示意图；

图2是实施例1的半球壳11的立体结构示意图；

图3是实施例1的半球壳11的主视结构示意图；

图4是实施例1的A-A剖视图；

图5是实施例2的半球壳11的主视结构示意图；

图6是实施例3的球状电磁波透镜的剖视结构示意图；

图7是实施例4的半球壳11的立体结构示意图；

图8是实施例4的半球壳11的主视结构示意图；

图9是实施例5的半球壳11的立体结构示意图；

图10是实施例5的半球壳11的主视结构示意图；

图11是实施例6的半球壳11的立体结构示意图；

图12是实施例6的半球壳11的主视结构示意图；

图13是实施例7的半球壳11的立体结构示意图；

图14是实施例7的半球壳11的主视结构示意图；

图15是实施例8的球状电磁波透镜的剖视结构示意图。

附图说明：1-外构体；2-介质颗粒；3-介质腔；4-内核；11-半球壳；12-锥状结构；13-分界面；121-根部；122-尖部；131-凸出部位；132-凹陷部位；21-第一种介质颗粒；22-第二种介质颗粒；5-介质液。

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，本实施例的球状电磁波透镜包括：外构体1和作为介质材料的介质颗粒2。其中：如图1所示，外构体1为球壳状结构，是由两个结构和尺寸相同的作为拼接件的半球壳11组合而成的。如图2、图3所示，在半球壳11的内部分布有复数个圆锥形的锥状结构12，且这些锥状结构12的根部121与半球壳11的内壁相连，且锥状结构12的尖部122朝向半球壳11的球心，因此两个半球壳11所组成的外构体1的内部也就分布有复数个锥状结构12，且这些锥状结构12的根部121与外构体1的内壁相连，且锥状结构12的尖部122朝向外构体1的球壳中心O。本实施例的外构体1是由两件半球壳11所组合，这导致部分锥状结构是由两部分所组成，但任何锥状结构在外构体1内部的分布仍然是均匀的。如图3、图4所示，本实施例的锥状结构12的高度h是外构体1的内半径r的25％。

如图2、图4所示，本申请称外构体1内部的空间为介质腔3，介质腔3提供了填充介质颗粒2所需的空间。虽然外构体1的外部轮廓为球状，但是相比正球形的空间，外构体1的内部由于受到复数个锥状结构12的挤占，因此众多介质颗粒2在被填充入介质腔3后，它们在立体空间中的形状并不形成为正球形，而是在锥状结构12它们的根部相连的情况下形成为表面带有很多刺突结构的球形，或者在锥状结构12它们的根部不相连的情况下形成为表面带有很多锥状孔的球形。考虑到透镜的某部位的综合介电常数值是取决于单位体积的该部位中各物质自身的介电常数值以及各物质所占的体积比例，而目标透镜的特性是由内至外综合介电常数值由高逐渐降低，当外构体1和锥状结构12采用尽可能低介电常数值的材料制得，且锥状结构12的尖部122朝向外构体1的球壳中心O且介质颗粒2自身的介电常数值又是比外构体1自身的介电常数值高的情况下，在将介质颗粒2填充至介质腔3后即自然地获得了在锥状结构12触及之处越靠近外构体1的球壳中心O的位置其单位体积内介质颗粒2的体积占比越高，而越远离外构体1的球壳中心O的位置其单位体积内介质颗粒2的体积占比越低这样的综合介电常数值分布效果，这就使得在某些需求下可以只用一种介电常数值的介质颗粒就能制得想要的符合电性能要求的电磁波透镜，从而大大节省人工成本、材料成本和时间成本。

半球壳11及其锥状结构12可以采用发泡材料通过模内发泡制成，所述发泡材料可以是聚苯乙烯发泡材料。此时半球壳11及其锥状结构12的介电常数值大约在1.08左右。将介电常数值为2.3至2.1的立体形状的介质颗粒2填充至半球壳11内，并确保锥状结构12之间的空间也有被填充到，将两个已经填充好介质颗粒2的半球壳12合起来，并确保两个半球壳12有将其内的众多介质颗粒2进行微量的压缩，然后通过粘合剂将两个半球壳11在它们的分界面13上进行粘合，在粘合剂干固后即完成了电磁波透镜的制作。而此时在介质颗粒2之间并没有使用到粘合剂，于是可以免于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。

立体形状的介质颗粒2的结构可以采用中国专利CN202111077569.4“电磁介电材料片、电磁介电颗粒及其生产方法”所描述的结构，或中国专利CN201910845984.6“电磁介质颗粒及电磁介质颗粒生产方法”所描述的结构或者其他结构。由于发泡后的聚苯乙烯自身带有一定的弹性，因此如果此时填充的介质颗粒2为刚性物质，则利用外构体1及锥状结构12的微小弹性变形来确保介质颗粒2之间存在一定的互相挤压而在没有使用粘合剂的情况下仍具有足够的抗冲击能力也是可以的。

由于采用模内发泡的工艺难以生产完美的尖锐形状，并且即使锥状结构12的尖部被少量切割也几乎不会影响最终的产品性能和结构，因此在设计生产工艺和设备的时候，锥状结构12的尖部通常就是被设计成被削掉尖端的。在被削掉尖端后，可能形成一个小面积的平面或者一个小面积的曲面。

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：在单件半球壳11的分界面13上形成有若干凸出部位131和若干凹陷部位132。如此，一件半球壳的凸出部位131插合到另一件半球壳的凹陷部位132内，以此来实现两件半球壳11之间的连接固定。为使得施加的用于令两件半球壳11插合在一起的力能均匀分布到分界面13上，相邻的两个凸出部位131之间的间距最好是相等的，同样地，相邻的两个凹陷部位132之间的间距最好也是相等的，并且，两凸出部位131之间最好由一凹陷部位132来隔开，如图5所示的一样。

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：与实施例1的只用一种介电常数值的介质颗粒来填充介质腔不同，本实施例用2种不同介电常数值的介质颗粒去填充介质腔，这是由不同于实施例1的需求所决定的。此时有第一种介质颗粒21和第二种介质颗粒22。第一种介质颗粒21的介电常数值在2.3左右，第二种介质颗粒22的介电常数值在1.9左右。第一种介质颗粒21聚集在一起构成一个称为内核4的球体，内核4的体积小于介质腔的空间而可以处在介质腔中，且内核4与外构体1共心。第二种介质颗粒22则填充在介质腔的剩余的空间内。此时内核4可被视为是一层介质层。由于第一种介质颗粒21它们之间存在因随机填充而导致的空隙，因此其所处位置(即内核4)的综合介电常数值将低于它们本身的介电常数值，一般设定为2.0附近，即整个内核4的综合介电常数值被设定是2.0。同样地，第二种介质颗粒22所处的锥状结构12未触及到的位置的综合介电常数值将低于它们本身的介电常数值，一般设定为1.6左右，即内核4的外轮廓至锥状结构12的尖部之间的位置这里的综合介电常数值被设定是1.6。而第二种介质颗粒22所处的锥状结构12触及到的位置的综合介电常数值则会随着与外构体1的中心之间的距离变远而逐渐变小。

实施例4

如图7、图8所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：与实施例1的锥状结构的外表面是一直线绕中轴线旋转而形成不同，本实施例的锥状结构12的外表面是一波浪线绕中轴线旋转而形成的，这可以看成是锥状结构12的外表面形成有凸起或凹陷的一种情形。

实施例5

如图9、图10所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：与实施例1的锥状结构的外表面是一直线绕中轴线旋转而形成不同，本实施例的锥状结构12的外表面是一直角锯齿线绕中轴线旋转而形成的，这可以看成是锥状结构12的外表面形成有凸起或凹陷的另一种情形。另外，锥状结构12的总数量有所减少，分布位置也稍有不同。

实施例6

如图11、图12所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：与实施例1的锥状结构是圆锥状不同，本实施例的锥状结构12是正六棱锥。另外，锥状结构12的总数量有所减少，分布位置也稍有不同。

实施例7

如图13、图14所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：与实施例1的锥状结构是圆锥状不同，本实施例的锥状结构12是正四棱锥。另外，锥状结构12的总数量比实施例6所描述产品的更少，分布位置也稍有不同。

实施例8

如图15所示，本实施例的球状电磁波透镜其外构体1是由两个半球壳11组合而成的构体。在半球壳11的内部分布有复数个锥状结构12，且这些锥状结构12的根部是相连的。由于在半球壳11的分界面13上涂覆了防水粘合剂，于是所获得的外构体1是一个不漏液构体。通过一个注液孔(未画出)和一个排气孔(未画出)可将外构体1内的介质腔注满介质液5，介质液5就是作为介质材料。由于介质液5的流动性较好，因此锥状结构12的高度设定可以比较高，这样锥状结构12之间狭小的空间也不会阻挡介质液5的到达。

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 (16)

1.球状电磁波透镜，其特征是：包括有介质材料和外构体；所述外构体为球壳状结构，在外构体的内部分布有复数个锥状结构；锥状结构的根部与外构体的内壁相连，锥状结构的尖部朝向外构体的球壳中心；外构体内部的唯一空间称为介质腔，介质材料填充于介质腔内；

所述的外构体和锥状结构它们的介电常数值比介质材料的介电常数值更低。

2.如权利要求1所述的球状电磁波透镜，其特征是：介质材料的形态：是始终具有确定形状的,或者是始终是流体状态的，或者是在定形之前是流体状态但填充到介质腔内后将定形为具有确定形状的，或者是始终是可塑状态的，或者是在定形之前是可塑状态但填充到介质腔内后将定形为具有确定形状的。

3.如权利要求1所述的球状电磁波透镜，其特征是：只用一种介电常数值的介质材料去填充介质腔。

4.如权利要求1所述的球状电磁波透镜，其特征是：使用2种或2种以上的不同介电常数值的介质材料去填充介质腔。

5.如权利要求4所述的球状电磁波透镜，其特征是：介质材料是均匀混合的，或者介电常数值相同的介质材料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心。

6.如权利要求1所述的球状电磁波透镜，其特征是：所述锥状结构是圆锥状，或者是棱锥状。

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

8.如权利要求1所述的球状电磁波透镜，其特征是：所述锥状结构的高度在外构体的内半径r的20％～90％范围内。

9.如权利要求1所述的球状电磁波透镜，其特征是：锥状结构它们的根部是不相连的。

10.如权利要求9所述的球状电磁波透镜，其特征是：在这些锥状结构的根部之间的外构体的内壁上还形成有通孔。

11.如权利要求1所述的球状电磁波透镜，其特征是：锥状结构在外构体的内部的分布是均匀的。

12.如权利要求1所述的球状电磁波透镜，其特征是：外构体由完全相同的两个半球壳组合成一个完整的构体。

13.如权利要求12所述的球状电磁波透镜，其特征是：两个半球壳之间的分界面是平面，或者是波浪曲面；两个半球壳之间的分界面是波浪曲面时，波浪曲面的走向绕过锥状结构的根部。

14.如权利要求12所述的球状电磁波透镜，其特征是：半球壳的分界面上形成有凸出部位和凹陷部位，这样两件半球壳之间通过凸出部位和凹陷部位的互相插合或钩锁而实现连接固定。

15.如权利要求1或12所述的球状电磁波透镜，其特征是：刚性或柔性的颗粒或粉末的介质材料，介质材料之间不采用粘合剂进行粘连固定。

16.如权利要求1所述的球状电磁波透镜，其特征是：外构体及其锥状结构采用模内发泡工艺制得。

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