CN1149715C - 具有棱勃透镜的聚焦器件及棱勃透镜的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种聚焦器件，包含有由电介质均匀体构成的棱勃透镜(2、20)，所述电介质均匀体由颗粒大小均匀分布的热塑塑料料粒(6)团组成，其特征是，通过这些料粒的局部熔融利用料粒界面使多个料粒(6)熔接在一起，以便保证所述电介质均匀体被固结在一起。这类透镜特别适用于对非同步卫星进行跟踪，或对至少一个同步卫星进行跟踪，或在MMDS系统中的应用。

Description

具有棱勃透镜的聚焦器件及棱勃透镜的制造方法

技术领域

本发明涉及一种包含有棱勃透镜的聚焦器件及其制造方法。本发明尤其涉及一种包含有由均匀电介质构成的棱勃透镜的聚焦器件。

背景技术

在本申请的申请人的申请号分别为NO.98/05111和98/05112，申请日为1998年4月23日的法国专利申请中对棱勃透镜在卫星信号接收机中，尤其对非同步卫星跟踪的应用做了记载。

理论上讲，透镜必须由一定数量的足以实现理想的棱勃透镜的折射率变化方式的电介质层组成。所以与层有关的折射率n和与层相关的介电常数E的关系式是n＝E^1/2。但在实践中，层数量的增加将受到严格的制造容差的制约，大批量生产时该严格的制造容差是不能得到保证的。对于通常在Ku波段工作的直径小于40cm的小尺寸的透镜，一种解决该问题的方案是选用一种具有单独一层均匀电介质的透镜。

为了减小透镜的整个尺寸，就需要增加其密度，这样将会导致增加透镜重量的不利的结果。所以，这就需要在透镜的尺寸和重量之间进行权衡。这些对体积和重量的制约将造成将电介质保持在严格规定的密度范围内。例如，对于35cm的直径允许的密度通常在0.3g/cm³-0.8g/cm³之间。

从已有技术可知，作为电介质可以使用一种例如包含有带填充料粒、陶瓷或者金属颗粒的发泡聚苯乙烯混合物，以便增加它的密度并使其趋于所希望的密度范围。

然而，这种类型的混合物不可能使料粒在化合物内完全均匀，所以不能保证在透镜体内均匀的密度。此外，采取此方式获取的混合物也过于昂贵。

发明内容

本发明的目的在于弥补这些不足，为实现这一目的，本发明涉及一种聚焦器件，包含有由电介质均匀体构成的棱勃透镜，所述电介质均匀体由颗粒大小均匀分布的热塑塑料料粒团组成，其特征是，通过这些料粒的局部熔融利用料粒界面使多个料粒熔接在一起，以便保证所述电介质均匀体被固结在一起。因此，由于料粒的相互设置方式使每一个料粒与至少另一个料粒触接，所以存在的固体料粒的界面可以起到各料粒之间的粘合剂的作用，从而实现整体紧密的料粒组。

按照一个实施例，至少在所述均匀体的外层内包含所述的多个料粒，所述外层系相对于所述体的外表面向所述体内部延伸一定深度的外层，所述深度优选是接收和/或透射半波长的倍数。所以，外层起着保持料粒在外层内的压力下的作用。另外，从电磁的观点来看，由接收和/或透射半波长的倍数确定的外层厚度可以最佳地实现与透镜外的信号的交换，同时使该透镜起着屏蔽罩的作用。

所述多个料粒优选均匀地分布在所述体内，因此可以保证在整个体内密度的均匀性。

有益的是，介电常数为ε_ro的热塑塑料料粒构成的材料的所述电介质均匀体的介电常数ε_r通过下述公式与填充系数F相关联：ε_r＝〔(1+2F)ε_ro+2(1-F)〕/〔(1-F)ε_ro+2+F〕，其中填充系数F表示由所述料粒所实际占有的体积与所述棱镜的总体积的比率。

在法国专利申请NO.98/05111和No.98/05112特别对贴近透镜聚焦面的初始光源做了说明。按照一个实施例，透镜的焦距取决于透镜的折射率n以及在整个透镜的辐射图形孔径上的接收相位变化，透镜的折射率表示式为：

n＝ε_r ^1/2

为了可以增大透镜的半径，就需要在不增加整个透镜的辐射图形孔径上的相位变化的情况下缩小透镜的焦距，至少一附加的层覆盖在所述电介质的均匀体上，所述的附加层还包含一种不同于所述体的料粒的并且其密度小于所述体密度的材料的热塑塑料料粒团。采取此方式，通过产生从透镜的外侧向其内侧的一折射率梯度，因而可以以理想的方式实现棱勃透镜。

按照一种实施例，所述体的料粒由聚苯乙烯组成。所以，透镜的密度可以在所希望的密度范围内。

按照一种实施例，附加层的料粒由聚丙烯组成。

另外，用于对热塑塑料加工的方法(注塑、热成型、滚塑和压塑)不允许有待制造的部件的厚度大于15mm。加之，由于部件内将出现材料收缩、变形和几何形变，因而这些方法势必造成部件内的密度变化。这些问题特别会对上述的和按照所述方法实现的透镜的正常工作造成干扰。

本发明的目的还在于克服这些缺陷，更为具体地说在于提出一种制造由均匀电介质体构成的棱勃透镜的方法。

为实现该目的，本发明的主题是一种制造由均匀电介质体构成的棱勃透镜的方法，该方法包含形成所述体的步骤，其特征在于，所述体包含由热塑塑料料粒大小均匀分布构成的料粒团，并且所述的方法包含下述步骤：

—对体进行加热的步骤，以便至少将体的外层的温度提高到所述材料的软化温度与材料的熔点之间的相变温度，所述外层系延深至体内一定深度的体的外层，而相变温度系所述深度上的至少所述外层的一部分向粘滞相相变的温度；

—对所述外层进行冷却的步骤，以便使所述外层硬化。

因此，该硬化的外层使层内的材料保持在压力情况下。由于热塑塑料并未被完全熔化，因而使热塑塑料的原始密度仍保持不变。而且对热塑塑料的使用并不昂贵。

有益的是，在加热阶段，升高温度，以便使包含在所述体外层内的料粒的外层被熔化，从而形成连接外层料粒的粘性料粒界面。以次使外层的料粒相互抵靠并留出形成开口孔空隙地排列，通过对封裹所述料粒的粘性料粒界面的冷却固化，使外层料粒固结在一起。由于外层料粒并未被完熔化，所以可以使空气充分地在料粒间流动，实现迅速的冷却。利用这种固化方式，可以使外层变成一保持所述体内的料粒在压力状况下的壳体。

按照一种实施例，外层的厚度的数量级约为接收和/或透射半波长的倍数。所述层的厚度必须大于可以使所述体内材料保持足够的压力的第一值。

有益的是，加热阶段一直延续到整个体都达到相变温度，热在整个体的扩散还具有使所有的料粒膨胀的作用。在体内，这种料粒的膨胀产生在料粒之间的压力，该压力将增强料粒间的熔接。在整个体内可实现均匀的密度。

按照一种实施例，采用对流的方式进行加热。例如，通过吹入热风进行加热。

为了满足这种厚度的限制，加热时间必须大于使至少体外层的料粒的外层熔化的第一温度值，必须小于实现上述体均匀性的第二温度值。

按照另一实施例，采用辐射方式进行加热，例如利用超声波辐射进行加热。

按照一种实施例，加工方法是采用模具形成所述的体，所述的模具在其整个外表面上具有均匀排列的孔，并且所述的模具相对于气流方向的相对旋转速度小于一给定的速度，以便至少在外层内实现均匀的温度。

按照一种实施例，对模具进行振动，以实现材料的混合，从而到达更好的均匀性。

按照一种实施例，加热温度和加热及冷却时间根据所应用的热塑塑料和有待实现的热塑塑料体积进行调节。

按照一种实施例，加工方法采用加压器件，加压器件所加的压力取决于所需体内的的材料密度。

按照一种实施例，环围整个体热成型至少一热塑塑料薄片，以实现避免受到外部侵蚀的保护。

按照一种实施例，所述体的形状可实现工作时的俯仰视角10°-90°和方位视角360°。

按照一种实施例，所述体是球面的。

本发明还涉及一种信号聚焦器件，该器件包含一由均匀电介质体构成的棱勃透镜，其特征是，所述透镜根据本发明的方法制成。

按照一种实施例，所述器件用于对移动目标，尤其是非同步卫星进行跟踪，用于与至少一个同步卫星进行数据交换，或者用于一点对多点的传输，例如多信道多点分布系统(MMDS)。

具体实施方式

下面将以根据本发明的一实施例实施本发明方法的一个器件为例，结合其一个变型方案，并对照附图以非限定性举例的方式对本发明的进一步的特征和优点加以说明。图中示出：

图1示出一个采用根据本发明的一种实施例的方法制造小型均匀透镜的设备和一个采用所述方法制成的填充有热塑塑料料粒的透镜；

图2示出采用本发明方法制成的一个变型透镜；

图3示出根据本发明的第一实施例制成的均匀透镜；

图4示出本发明的变型透镜。

为了简化说明，采用相同的附图标记表示具有相同功能的部分。

图1示出一个制造小型均匀球面的设备1。它包含一挤料柱塞3，该挤料柱塞具有一个垂直活塞杆4，该活塞杆贯穿挤料柱塞3的垂直缸体5。利用施加到活塞杆4的压力对来自缸体5的圆周上开孔7处的料粒6进行加压。这些料粒6被聚积在料斗9的储料槽8内。用料粒6对一设置在缸体5端部的球面形的模具10进行填充，所述料粒在重力作用下从开孔7沿缸体5下落。气动的挤料柱塞3在充填步骤结束时轻轻地使模具内的料粒6压实。

其温度可以在80℃-250℃范围内调整的的热风利用在金属模具10上的眼或者孔12吹入并穿过大量的料粒6，所述的模具10由两个可分开的部分构成。

考虑到料粒受热膨胀，球面模具的尺寸必须稍微大于最终产品的球面的尺寸。吹入的热风的温度必须足以软化料粒的外层，并随之如图2所示，由于球面2外层13的料粒外层的软化形成粘滞相而建立料粒界面。但选用的热风温度必须低于避免外层料粒熔化的极限温度，以防止由于对熔化的大质量体进行的冷却而产生的冷缩和变形问题。由于料粒并未被完全熔化，因而可以保持其初始的密度不变并可以使充足的空气在料粒间流过，从而实现迅速的冷却。

为了保证良好的温度均匀性，可使模具低速旋转，约以每分钟10-50转的速度旋转，这样做的目的在于避免离心现象产生。由于温度的上升造成的料粒的热膨胀将在模具内产生压力，这将确保那些相互接触的料粒部分得到熔接。应使温度高于软化点以实现对料粒外层的熔化，并相对缩短加热的时间，从而不致将料粒完全熔化，以便保持体积和密度的均匀性。温度值和吹风时间是取得最终结果的关键参数，由此必须根据热塑塑料和有待加工的体积对温度值和吹风时间进行调节。这些参数也决定成品球面的冷缩量。

按照一个特别有益的实施例，在恒定的温度下延长吹入热风的时间，以便使热风直接流入透镜2的中心部位，温度上升将引起料粒膨胀，于是在模具10内产生压力实现熔接。

之后，用冷风取代热风在未被完全熔化的料粒间流动，进行冷却。该冷却将导致微量的冷缩，从而便于通过打开模具的两部分实现有关部分的脱模。

制造设备1的调节参数如下：

—气动挤压柱塞的压力，可以到6巴(bar)；

—模具的转速，每分钟1至50转；

—热风温度，80℃至250℃；

—热风吹入时间和冷风吹入时间。

需要指出的是，由于采用剃度加热方式对材料进行软化，所以这种方法主要适用于非晶形材料。而对于半晶质材料，快速的熔化将使变换窗非常窄。

图2示出采用本发明的方法实现的一种变型球面2。在室外使用棱勃透镜的情况下，必须要有一用于保护棱勃透镜使其免受诸如恶劣天气等外部的侵袭的层。

为此，可以热成型一其特性与料粒6相同的热塑塑料薄片，薄片的厚度为零点几毫米到1mm。这种热成型分两步进行，每一步形成一个半球面，然后对分隔线进行裁切。

图3示出由聚苯乙烯(为简便起见，下面将聚苯乙烯称为PS)料粒形成的直径为350mm的均匀透镜2。所述PS的主要特性详表如下：

固体PS的介电常数(ε_ro)    2.54

切向损耗(tanδ)            5×10^-4

固体PS的密度(d_o)(g/cm³)  1.05

PS料粒的密度(d)(g/cm³)    0.57

PS料粒的填充因数(F＝d/d_o) 0.54

PS料粒的介电常数(ε_r)     1.68

对具有上述特性的透镜模拟得到下述的特性：

—质量为12.8kg；

—焦距f＝1.8R(R是透镜的半径)，即，在本实施例中焦距为315mm；

—初始光源近似为余弦的8次方。

旨在测定聚焦面附近的焦点区的多次模拟的结果是，为了不产生任何信号衰变，初始光源(未示出)必须设置在围绕聚焦面(F＝1.8R)间隔为13mm的距离处，该值适用于聚苯乙烯透镜和接收的约为35°的相变是有效的。

图4示出包含有图3所示透镜2和一附加层21的两层透镜。透镜2由聚苯乙烯料粒制成，而透镜21是由聚丙烯料粒构成的。在保持上述透镜2的特性的同时，对于透镜20所需的由聚丙烯(下称PP)构成的附加层21的主要特性列于下表中：

固体PP的介电常数(ε_ro)           2.3

切向损耗(tanδ)                   5×10^-4

固体PP的密度(d_o)(g/cm³)        0.907

PP料粒的密度(d)(g/cm3)            0.5

PP料粒的填充因数(F＝d/d_o)        0.55

PP料粒的介电常数(ε_r)            1.60

对具有这种双材料的透镜20的模拟得出下述的特性：

—内透镜2的半径，R_i＝86mm；

—透镜的质量为11.4kg；

—焦距f＝1.62R(R是透镜的半径)，即，焦距为284mm；

—初始光源近似为余弦的6次方(在透镜边缘以-12.5dB的照射)。

为了不引起透镜性能的过多的衰变，尤其是在本发明的双层透镜的情况下，按照上述所规定的特性所进行的模拟表明，在每一层最大的允许的介电常数的变化为0.02，即，对于聚苯乙烯料粒，允许变化是在规定值1.68的上下变化0.02，而对于聚丙烯料粒，允许变化是在规定值1.60的上下变化0.02。料粒的介电常数与填充因数F的关系式如下：

ε_r＝〔(1+2F)ε_ro+2(1-F)〕/〔(1-F)ε_ro+2+F〕，式中ε_ro是加以考虑的塑料的介电常数，而F是塑料的填充因数。

采用由上式推导出的下式可以计算出填充因数的相应的变化：

ΔF＝〔ε_ro+2-F(ε_ro-1)〕²/〔3(ε_ro-1)(ε_ro+2)〕Δε_r。

由后式推导出每层中填充因数的下述变化：

ΔF＝+0.013(对于PS颗粒)(F_min＝0.530，F_max＝0.557)；

ΔF＝±+0.015(对于PP颗粒)(F_min＝0.536，F_max＝0.566)；

同样，在透镜2的情况下，所述的模拟可以测定不存在明显信号衰变的透镜的围绕焦面的聚焦区。为了满足该条件，初始光源(未示出)必须设置在焦面(f＝1.6R)周围的±12mm处。

要指出的是，在按照本发明的各种实施方式中的一种方式对料粒进行加热时，可以在不同的方向对模具进行旋转，以便实现均匀的料粒密度。

按照本发明的另一方案，在将料粒加入模具时，将按照一定的密度梯度对这些料粒加以确定，以便实现相同的密度均匀的物镜。

Claims (23)

1.一种聚焦器件，包含有由电介质均匀体构成的棱勃透镜(2、20)，所述电介质均匀体由颗粒大小均匀分布的热塑塑料料粒(6)团组成，其特征是，通过这些料粒的局部熔融利用料粒界面使多个料粒(6)熔接在一起，以便保证所述电介质均匀体被固结在一起。

2.如权利要求1所述的器件，其特征是，在所述电介质均匀体的外层内至少应包括所述的多个料粒，与所述电介质均匀体的外表面有关的所述外层向所述电介质均匀体的内侧延伸到一预定的深度。

3.如权利要求2所述的器件，其特征是，所述深度的数量级为接收和/或透射的半波长的倍数。

4.如权利要求1至3中任一项所述的器件，其特征是，所述多个料粒均匀分布在所述电介质均匀体内。

5.如权利要求1至3中任一项所述的器件，其特征是，介电常数为εro的热塑塑料料粒构成的材料的所述电介质均匀体的介电常数εr通过下述公式与填充系数F相关联，其中填充系数F表示由所述料粒所实际占有的体积与所述棱镜的总体积的比率：

ε_r＝〔(1+2F)ε_ro+2(1-F)〕/〔(1-F)ε_ro+2+F)。

6.如权利要求1至3中任一项所述的器件，其特征是，透镜(2、20)的焦距取决于透镜的折射率n和在整个透镜的辐射图形的孔径上接收相位的变化，透镜的折射率由下式给出：

n＝ε_r ^1/2。

7.如权利要求1至3中任一项所述的器件，其特征是，至少一附加层(21)对所述的电介质均匀体进行覆盖，所述附加层由与所述电介质均匀体料粒不同的并具有小于电介质均匀体密度的材料的热塑塑料料粒团构成。

8.如权利要求1至3中任一项所述的器件，其特征是，所述电介质均匀体的料粒由聚苯乙烯构成。

9.如权利要求7所述的器件，其特征是，所述附加层的料粒由聚丙烯构成。

10.一种制造由电介质均匀体构成的棱勃透镜(2)的方法，包括一形成所述电介质均匀体的步骤，其特征是，所述电介质均匀体由含有料粒大小分布均匀的热塑塑料料粒(6)的料粒团构成并且所述的方法包含下述步骤：

对所述电介质均匀体进行加热的步骤，以便至少将所述电介质均匀体的一外层的温度提高到所述材料的软化温度与材料的熔点之间的相变温度，所述外层表示延深至所述电介质均匀体内一定深度的所述电介质均匀体的外层，而相变温度由所述深度上的至少所述外层的一部分向粘滞相相变的温度所限定；以及

对所述外层进行冷却的步骤，以便使所述外层硬化。

11.如权利要求10所述的方法，其特征是，在加热阶段使温度升高，以便使至少包含在所述电介质均匀体的外层内的料粒的外层熔化，形成可以将所述电介质均匀体的外层内的料粒接合在一起的粘性的料粒界面。

12.如权利要求10和11中任一项所述的方法，其特征是，外层的厚度数量级为接收和/或透射半波长的倍数。

13.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征是，加热步骤一直延续到整个电介质均匀体都达到相变温度为止。

14.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征是，采取对流的方式进行加热。

15.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征是，加热时间必须大于可以实现至少电介质均匀体外层内的料粒的外层熔化的第一温度值，并且必须小于可以避免这些料粒被完全熔化的第二温度值。

16.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征是，该方法采用模具(10)形成所述电介质均匀体，所述的模具包含有多个在所述模具外表面上均匀排列的孔(12)，所述模具相对于吹风方向的相对转速小于一给定的速度，从而至少在外层内实现均匀的温度。

17.如权利要求16所述的方法，其特征是，对模具(10)进行振动，以便实现材料的混合。

18.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征是，按照所使用的热塑塑料和所述的热塑塑料的体积调节加热温度和加热及冷却时间。

19.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征是，所述的方法采用加压器件，加压器件所加的压力取决于在所述电介质均匀体内所需的材料的密度。

20.如权利要求14所述的方法，其特征是，在恒定的温度下，延长加热时间，以便将热传导入整个电介质均匀体内。

21.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征是，至少环所述电介质均匀体热成型一热塑塑料薄片。

22.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征是，所述电介质均匀体成型的形状应使其在工作时具有10°-90°的仰俯视角和360°的方位视角。

23.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其特征是，所述电介质均匀体是球面的。

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