CN117175220A - 一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线，包括：透镜本体；所述透镜本体为球形；所述透镜本体上设置有从表面延伸到球心的多个晶格孔；以及所述透镜本体由介质材料制成；多个所述晶格孔绕所述球心呈极轴阵列分布并铺满整个所述透镜本体；所述晶格孔的孔径沿所述球心往表面方向渐增。通过本申请提供的龙勃透镜天线，可以使得天线整体具备连续的介电常数变化，并且无需采用现有的将透镜分成多层的方式，可以提高天线的整体性能以及降低加工生产的难度，有效解决现有的龙勃透镜天线介电常数分布非连续渐变而性能受影响的问题。

Description

一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线

技术领域

本申请涉及透镜天线技术领域，尤其涉及一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线。

背景技术

龙勃透镜，也叫龙伯透镜或伦伯透镜，是一种完整球形的透镜，可以将入射的特定波长的电磁波汇聚，汇聚到球面上的某一个点，也可以将电磁波沿着原方向反射回去。龙勃透镜天线也即应用龙勃透镜的天线，多用于军事和卫星通信领域，具有高方向性、高增益的特性。

现有的龙勃透镜制作过程中，通常将龙勃透镜的介电常数离散化，具体是将龙勃透镜分为多层，通过热发泡技术选用介电常数相近的介质基板材料，并将泡沫材料或特氟龙材料进行压缩的方法得到各层介电常数从而制备龙勃透镜。这种方式将原本一体的龙勃透镜分成了各个部分进行制备，最后再进行组装，使得天线的介电常数分布非连续渐变，从而导致透镜的性能受到影响。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的是提供一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线，用于解决现有的龙勃透镜天线介电常数分布非连续渐变而性能受影响的问题。

为达到上述技术目的，本申请提供一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线，包括：透镜本体；

所述透镜本体为球形；

所述透镜本体上设置有从表面延伸到球心的多个晶格孔；

所述透镜本体由介质材料制成；

多个所述晶格孔绕所述球心呈极轴阵列分布并铺满整个所述透镜本体；

所述晶格孔的孔径沿所述球心往表面方向渐增。

进一步地，沿着所述透镜本体（100）外表面到所述球心（110）的有效介电常数满足公式：

；

其中，r为半径变量，R为所述透镜半径；

有效介电常数通过以下公式计算得出：

；

其中，为所述介质材料的介电常数，/>为空气的介电常数，/>为目标的有效介电常数，p为所述透镜本体（100）中空气与填充的所述介质材料的体积比。

进一步地，所述晶格孔为横截面是多边形的锥体状。

进一步地，所述晶格孔的横截面为正六边形。

进一步地，所述晶格孔距离所述球心的最短距离小于所述透镜本体半径的1/10。

进一步地，所述透镜天线所用材料的相对介电常数为2.5，正切损耗角为0.0006。

从以上技术方案可以看出，本申请提供一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线，包括：透镜本体；所述透镜本体为球形；所述透镜本体上设置有从表面延伸到球心的多个晶格孔；透镜本体由介质材料制成；多个所述晶格孔绕所述球心呈极轴阵列分布并铺满整个所述透镜本体；所述晶格孔的孔径沿所述球心往表面方向渐增。

通过本申请提供的龙勃透镜天线，可以使得天线整体具备连续的介电常数变化，并且无需采用现有的将透镜分成多层的方式，可以提高天线的整体性能以及降低加工生产的难度，有效解决现有的龙勃透镜天线介电常数分布非连续渐变而性能受影响的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线的整体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线的单个晶格孔结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线的局部放大图；

图4为本申请实施例提供的一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线的仿真图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请所请求保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可依具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

请参阅图1至图3，本申请实施例中提供的一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线，包括：透镜本体100；透镜本体100为球形；透镜本体100上设置有从表面延伸到球心110的多个晶格孔200；透镜本体100由介质材料制成。多个晶格孔200绕球心110呈极轴阵列分布并铺满整个透镜本体100；晶格孔200的孔径沿球心110往表面方向渐增。其中，介质材料制成透镜本体100的方式可以例如是通过介质材料采用3D打印等方式打印成设置有多个晶格孔200的透镜本体。

本实施例中，透镜本体100开设的多个晶格孔200使得透镜本体100呈蜂窝球状；同时，由于晶格孔200为沿内往外的渐扩孔，可以使得透镜本体100从球心起沿任一外周方向的介电常数均呈线性渐变，从而可以满足龙勃透镜天线介电常数呈连续渐变的要求，保证龙勃透镜天线的相对更高的口径效率，更容易一体化加工，且可以满足二维多波束需求，波束形状一致性好。

具体来说，本实施例提供的龙勃透镜天线的介电常数沿半径方向符合以下公式：

；其中r为半径变量，也即可以是透镜本体100上任一点的半径，R为透镜本体的半径。

在实际应用中，由于晶格孔200无法加工至球心110处，因此为了确保透镜本体100整体的介电常数渐变的效果，本发明人发现，设置晶格孔200距离球心110的最短距离小于透镜本体100半径R的1/10即可满足上述要求。

在更具体的实施例中，晶格孔200的外端上，距离最远的两个端点与球心110的连线形成夹角；夹角的角度为；

沿着晶格孔200的孔壁从外端的端点到球心110的曲线符合以下公式：

；

其中，为等角晶格所分份数，计算公式为/>，r为半径变量，/>为所分等角晶格张角角度，/>为所用材料的介电常数。

有效介电常数通过以下公式计算得出：

；

其中，为介质材料的介电常数，/>为空气的介电常数，/>为目标的有效介电常数，p为透镜本体（100）中空气与填充的介质材料的体积比。

具体来说，以晶格孔200为圆形为例，则晶格孔200最外端的直径两个端点与球心110的连线所成的夹角即为。以晶格孔200为正方形为例，则晶格孔200最外端的对角点与球心100的联系所成夹角即为/>。

也即在本实施例中，晶格孔200所形成的内孔壁为曲面，且沿直径方向在曲面上的划线符合上述f（r）的公式。本发明人发现，沿半径方向的在晶格孔200的孔壁上划线满足上述公式可以更好的满足介电常数的连续变化要求，实现介电常数均匀渐变的效果。

使用本实施例的仿真结果增益图可以如图4所示。在应用于24.5-29.5GHz毫米波频段，反射系数小于-10dBi，口径效率达到60%，增益达26dBi。

进一步地，晶格孔200为横截面是多边形的锥体状；例如晶格孔200的横截面可以五边形，也即晶格孔200为五边形椎体状；晶格孔200也可以是五边形椎体与六边形椎体的结合，从而可以将整个透镜本体100紧凑排布。

在本实施例中，晶格孔200的横截面为正六边形。正六边形锥状体的晶格孔200可以紧凑衔接布满整个透镜本体100，对放置于整个球面不同位置的馈源入射波经过透镜折射后所出射的天线波束一致性好，可满足大角度二维波束扫描等应用。另外，正六边形开孔具有较好的选择对称性，对馈源的入射波束的极化方式不敏感，通用性好。

在实际应用中，当透镜本体100开设的多个晶格孔200铺满后，剩下的空间不足以开设一个新的晶格孔200时，可以根据空间形状单独建立晶格单元并进行挖孔，保证孔的空间占比仍满足所需介电常数变化。

上述实施例中，透镜天线100所用材料的相对介电常数为2.5，正切损耗角为0.0006。

以上为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种连续渐变开孔的龙勃透镜天线，其特征在于，包括：透镜本体（100）；

所述透镜本体（100）为球形；

所述透镜本体（100）上设置有从表面延伸到球心（110）的多个晶格孔（200）；

所述透镜本体（100）由介质材料制成；

多个所述晶格孔（200）绕所述球心（110）呈极轴阵列分布并铺满整个所述透镜本体（100）；

所述晶格孔（200）的孔径沿所述球心（110）往表面方向渐增。

2.根据权利要求1所述的连续渐变开孔的龙勃透镜天线，其特征在于，沿着所述透镜本体（100）外表面到所述球心（110）的有效介电常数满足公式：

；

其中，r为半径变量，R为所述透镜半径；

有效介电常数通过以下公式计算得出：

；

其中，为所述介质材料的介电常数，/>为空气的介电常数，/>为目标的有效介电常数，p为所述透镜本体（100）中空气与填充的所述介质材料的体积比。

3.根据权利要求2所述的连续渐变开孔的龙勃透镜天线，其特征在于，所述晶格孔（200）为横截面是多边形的锥体状。

4.根据权利要求3所述的连续渐变开孔的龙勃透镜天线，其特征在于，所述晶格孔（200）的横截面为正六边形。

5.根据权利要求1所述的连续渐变开孔的龙勃透镜天线，其特征在于，所述晶格孔（200）距离所述球心（110）的最短距离小于所述透镜本体（100）半径的1/10。

6.根据权利要求1所述的连续渐变开孔的龙勃透镜天线，其特征在于，所述透镜天线（100）所用材料的相对介电常数为2.5，正切损耗角为0.0006。