CN117410722B - 一种可伸缩折叠式电磁波透镜及电磁波透镜天线 - Google Patents

一种可伸缩折叠式电磁波透镜及电磁波透镜天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可伸缩折叠式电磁波透镜及电磁波透镜天线，可伸缩折叠式电磁波透镜包括若干介质板；各介质板上均布设有介电材料；若干介质板沿直线L1层叠一起构成层叠体；每相邻的3片介质板之间：处于中间位置的介质板与另外2片介质板之间各自通过合页机构可转动地连接，与介质板连接的2个合页机构分别处于直线L1两侧；各合页机构的转动轴线均与直线L1垂直，以致层叠体可沿直线L1伸缩而在层叠状态与展开状态之间切换；当层叠体处于展开状态时，若干介质板上的介电材料共同构成立体的透镜体；透镜体用于改变电磁波的辐射特性。可伸缩折叠式电磁波透镜具有搬运方便、存放占用空间小、生产起来较为简单、有利于提高生产效率和降低生产成本等特点。

Description

一种可伸缩折叠式电磁波透镜及电磁波透镜天线
技术领域
本发明涉及天线工程技术领域，特别是一种可伸缩折叠式电磁波透镜；本发明还涉及一种电磁波透镜天线。
背景技术
龙伯透镜是电磁波透镜的一种，龙伯透镜天线的概念在上世纪40年代被首次提出，其基本理论是保证透镜介质在径向方向上的介电常数满足由内而外从2到1的变化规律的前提下，可将球面波转变为平面波。
目前，市面上的电磁波透镜是一球体状或柱体状结构的不可拆整体，由于一些电磁波透镜的体积较大，以至于电磁波透镜做成整个球体或柱体结构的形式，搬运难度较大，在运输时会占用较大的车厢空间，运输成本过高，不利于企业的长远发展。为了方便对电磁波透镜进行搬运和运输，本申请人曾申请过专利申请号CN2021114186877、名称为“一种可折叠电磁波透镜”的技术方案，这一技术方案需要将薄片材料与薄片材料进行点连接或线连接，且电磁波透镜中预定的介电常数分布规律是通过空穴结合薄片材料搭配形成，这样的技术方案生产起来较为困难，生产效率较低，生产成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可伸缩折叠式电磁波透镜，该可伸缩折叠式电磁波透镜具有结构简单、设计科学、搬运方便、存放占用空间小、生产起来较为简单、有利于提高生产效率和降低生产成本等优点。
本可伸缩折叠式电磁波透镜的技术方案是这样实现的：一种可伸缩折叠式电磁波透镜，特别地，包括若干介质板；各介质板上均布设有介电材料；所述介电材料的介电常数高于介质板的介电常数；若干介质板层叠一起构成层叠体，若干介质板层叠的方向是直线L1；每相邻的3片介质板之间：处于中间位置的介质板与另外2片介质板之间各自通过合页机构可转动地连接一起，与处于中间位置的介质板连接的2个合页机构分别处于直线L1的两侧；各合页机构的转动轴线均与直线L1垂直，且各合页机构的最大张开角度均小于30°，以致层叠体可沿直线L1伸缩而在层叠状态与展开状态之间切换；当层叠体处于展开状态时，若干介质板上的介电材料共同构成立体的透镜体；所述透镜体用于改变电磁波的辐射特性。
本可伸缩折叠式电磁波透镜的介质板与介质板之间是采用合页机构来进行连接的，并且设定好合页机构可转动的最大角度，以至于层叠体可沿直线L1伸缩而在层叠状态与展开状态之间切换；这种介质板与介质板之间采用合页机构来进行连接的设计，生产起来十分方便，有利于提高生产效率；当需要应用时，层叠体通过合页机构的转动而拉伸成展开状态，这样若干介质板上的介电材料共同构成立体的透镜体；当不需要使用时，层叠体通过合页机构的转动而收折成层叠状态，本可伸缩折叠式电磁波透镜的层叠状态相对于展开状态，体积大大变小，以便于搬运和节省存放空间。
进一步地，介质板的数量至少有3片，且介质板的总量为单数；当层叠体处于展开状态时，沿直线L1排列的若干介质板中：序号为单数的介质板均与直线L1垂直，相邻的序号为双数的介质板与序号为单数的介质板形成一夹角A，夹角A在2～30°的范围内。
进一步地，各合页机构均包括第一套筒部、2个第二套筒部和转动轴；一合页机构与一相邻的2片介质板对应，合页机构的第一套筒部连接在其中一介质板上，在第一套筒部的外周向面上设有第一挡块，合页机构的第二套筒部连接在另一介质板上，在第二套筒部的外周向面上设有第二挡块；在第一套筒部的两侧各自设有一第二套筒部，第一套筒部与2个第二套筒部之间通过转动轴串接一起；当合页机构张开至最大角度时，第一套筒部的第一挡块与第二套筒部的第二挡块相抵一起。
进一步地，当层叠体处于展开状态时，相邻的2片序号为单数的介质板之间的间距在5mm～10mm的范围内。
进一步地，各介质板的厚度均在1±0.2mm的范围内。
进一步地，介质板上的介电材料是印刷在介质板上的金属图案。
进一步地，所述透镜体是球体状或柱体状或棱柱体状结构的。
进一步地，本可伸缩折叠式电磁波透镜还包括安装架；所述安装架包括架体、上安装轴和下安装轴；所述上安装轴的顶端可转动地安装在架体上；所述下安装轴的底端可转动地安装在架体上，下安装轴的转动轴线与上安装轴的转动轴线共线，下安装轴的上部、上安装轴的下部均设有螺纹段；层叠体中处于最上层的介质板称为上层介质板，层叠体中处于最下层的介质板称为下层介质板，其余介质板称为中间层介质板；上层介质板、下层介质板在各自的中心均形成有连通其两面的螺孔；当层叠体处于展开状态时，层叠体的下层介质板的螺孔与下安装轴的螺纹段螺纹连接，层叠体的上层介质板的螺孔与上安装轴的螺纹段螺纹连接。
本可伸缩折叠式电磁波透镜的有益效果：具有结构简单、设计科学、搬运方便、存放占用空间小、生产起来较为简单、有利于提高生产效率和降低生产成本等优点。
本发明还提供一种电磁波透镜天线，该电磁波透镜天线具有结构简单、设计科学、电磁波透镜搬运方便、存放占用空间小、生产起来较为简单、有利于提高生产效率和降低生产成本等优点。
本电磁波透镜天线的技术方案是这样实现的：一种电磁波透镜天线，包括电磁波透镜和馈源；特别地，所述电磁波透镜是前述方案所述的一种可伸缩折叠式电磁波透镜；所述馈源处于电磁波透镜的侧旁，馈源的信号收发方向指向电磁波透镜的透镜体中心设置。
进一步地，电磁波透镜的透镜体是球体状结构；还包括安装组件；所述安装组件包括安装板、转动座和滑动件；所述转动座可转动地安装在安装板上；电磁波透镜安装在转动座上，且透镜体的一径向方向与转动座的转动轴线共线；所述滑动件可滑动地安装在转动座上，滑动件是环绕透镜体布设的弧形件；馈源安装在滑动件上。
本电磁波透镜天线的有益效果：通过采用了可伸缩折叠式电磁波透镜，使得本电磁波透镜天线具有结构简单、设计科学、电磁波透镜搬运方便、存放占用空间小、生产起来较为简单、有利于提高生产效率和降低生产成本等优点。
附图说明
图1为实施例1中的层叠体在展开状态下的主视结构示意图（介电材料没示出）。
图2为实施例1中的层叠体在展开状态下的俯视结构示意图（介电材料没示出）。
图3为实施例1中的层叠体在展开状态下的左视结构示意图（介电材料没示出）。
图4为实施例1中的层叠体在层叠状态下的主视结构示意图（介电材料没示出）。
图5为实施例1的结构示意图。
图6为实施例1中的透镜体的剖视结构示意图。
图7为实施例1中的层叠体中处于最中间位置的介质板设有介电材料后的结构示意图。
图8为实施例1中的第一类超材料单元的结构示意图。
图9为实施例1中的第二类超材料单元的结构示意图。
图10为实施例1中的第一类超材料单元通过参数反演法计算的在不同入射角情况下的等效折射率的折线图。
图11为实施例1中的第二类超材料单元通过参数反演法计算的在不同入射角情况下的等效折射率的折线图。
图12为实施例2的主视结构示意图。
图13为实施例2的左视结构示意图。
图14为实施例2在仿真测试时俯仰面扫描角度为0°情况下的无源驻波比的结果图。
图15为实施例2在仿真测试时方位面扫描角度为0°情况下俯仰面扫描的低频方向图。
图16为实施例2在仿真测试时方位面扫描角度为90°情况下俯仰面扫描的低频方向图。
图17为实施例2在仿真测试时方位面扫描角度为0°情况下俯仰面扫描的高频方向图。
图18为实施例2在仿真测试时方位面扫描角度为90°情况下俯仰面扫描的高频方向图。
附图标记说明：11-上层介质板；12-下层介质板；13-中间层介质板；14-螺孔；15-透镜体；21-合页机构；22-第一套筒部；23-第二套筒部；24-转动轴；25-第一挡块；26-第二挡块；31-安装架；32-架体；33-上安装轴；34-下安装轴；35-螺纹段；41-第一种金属图案；42-第一类超材料单元；51-第二种金属图案；52-第二类超材料单元；
61-电磁波透镜；71-馈源；81-安装组件；82-安装板；83-转动座；84-滑动件。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本实施例的一种可伸缩折叠式电磁波透镜，包括若干介质板，本实施例的介质板的数量具体是29片；各介质板的制造材料均是TLY-5，且各介质板的厚度Hv是1mm，各介质板上均布设有介电材料，介质板上的介电材料是印刷在介质板上的金属图案，各介质板所需的介电常数可以通过调控其上面的金属图案的尺寸来实现；所述介电材料的介电常数高于介质板的介电常数；若干介质板层叠一起构成层叠体，若干介质板层叠的方向是直线L1；每相邻的3片介质板之间：处于中间位置的介质板与另外2片介质板之间各自通过合页机构21可转动地连接一起，与处于中间位置的介质板连接的2个合页机构21分别处于直线L1的两侧；各合页机构21的转动轴线均与直线L1垂直，且各合页机构21具有一最大张开角度，以致层叠体可沿直线L1伸缩而在层叠状态与展开状态之间切换；当本可伸缩折叠式电磁波透镜在应用时，层叠体通过合页机构21的转动而拉伸成展开状态，当层叠体处于展开状态时，沿直线L1排列的若干介质板中：序号为单数的介质板均与直线L1垂直，相邻的序号为双数的介质板与序号为单数的介质板形成一夹角A，由于相邻的2片序号为单数的介质板之间的间距hh均为7mm，且越靠近中间位置的介质板尺寸越大，这样越靠近中间位置的序号为双数的介质板与序号为单数的介质板形成的夹角A越小，夹角A在3～8°的范围内，夹角A的角度也就是合页机构21的最大张开角度，这样若干介质板上的介电材料共同构成立体的透镜体15，所述透镜体15是球体状结构的；所述透镜体15用于改变电磁波的辐射特性。本可伸缩折叠式电磁波透镜通过这样的设计，当本可伸缩折叠式电磁波透镜不需要使用时，层叠体通过合页机构21的转动而收折成层叠状态，本可伸缩折叠式电磁波透镜在展开状态时的高度是103mm，在层叠状态时的高度是32mm，层叠状态的高度约是展开状态的高度的30%，体积大大变小，以便于搬运和节省存放空间。
为了使合页机构21的结构更加合理，使合页机构21在应用时具有最大张开角度，如图1、图2、图3、图4所示，各合页机构21均包括第一套筒部22、2个第二套筒部23和转动轴24；一合页机构21与一相邻的2片介质板对应，合页机构21的第一套筒部22连接在其中一介质板上，在第一套筒部22的外周向面上设有第一挡块25，合页机构21的第二套筒部23连接在另一介质板上，在第二套筒部23的外周向面上设有第二挡块26；在第一套筒部22的两侧各自设有一第二套筒部23，第一套筒部22与2个第二套筒部23之间通过转动轴24串接一起；当合页机构21张开至最大角度时，第一套筒部22的第一挡块25与第二套筒部23的第二挡块26相抵一起。
为了使层叠体使用时安装更加方便，如图2、图5所示，本可伸缩折叠式电磁波透镜还包括安装架31；所述安装架31包括架体32、上安装轴33和下安装轴34；所述上安装轴33的顶端可转动地安装在架体32上；所述下安装轴34的底端可转动地安装在架体32上，下安装轴34的转动轴线与上安装轴33的转动轴线共线，下安装轴34的上部、上安装轴33的下部均设有螺纹段35；层叠体中处于最上层的介质板称为上层介质板11，层叠体中处于最下层的介质板称为下层介质板12，其余介质板称为中间层介质板13；上层介质板11、下层介质板12在各自的中心均形成有连通其两面的螺孔14；当层叠体处于展开状态时，层叠体的下层介质板12的螺孔14与下安装轴34的螺纹段35螺纹连接，层叠体的上层介质板11的螺孔14与上安装轴33的螺纹段35螺纹连接。这样的结构在使用时，将下层介质板12的螺孔14与下安装轴34进行螺纹连接后，拉起上层介质板11并转动上安装轴33，使上安装轴33与上层介质板11的螺孔14螺纹连接，上安装轴33转动使上层介质板11升高直至各合页机构21处于最大张开角度，这样本可伸缩折叠式电磁波透镜便得到定型。
本可伸缩折叠式电磁波透镜在展开状态下，若干介质板上的介电材料共同构成立体的透镜体15，如图6所示，本可伸缩折叠式电磁波透镜通过介电材料的分布使透镜体15分为两层，根据差分进化算法结合矢量球面波函数展开法优化其每层的介电常数、半径和焦距，使其口径效率达到最优值。本可伸缩折叠式电磁波透镜中优化出的分层参数如下，其中第一层的半径R1=33.48mm，第二层的半径R2=51mm，第一层的相对介电常数为1.62，第二层的相对介电常数为1.41；透镜体15中用于构成第一层的介电材料是第一种金属图案41，第一种金属图案41形状是耶路撒冷十字图案的中央十字架形状相同，如图8所示，第一种金属图案41相应尺寸为Lv=0.95mm，L2=0.6mm，W=0.4mm，一第一种金属图案41设在介质板上后构成第一类超材料单元42；透镜体15中用于构成第二层的介电材料是第二种金属图案51，第二种金属图案51是普通十字图案，如图9所示，第二种金属图案51相应尺寸为L1=0.7mm，W=0.4mm，一第二种金属图案51设在介质板上后构成第二类超材料单元52。由于当层叠体处于展开状态时，相邻的2片序号为单数的介质板之间的间距hh是固定的，因此可以设定第一类超材料单元42、第二类超材料单元52各自的高度H选择为平均间距，即H=hh/2=3.5mm，其中介质板的厚度Hv为1mm；根据第一种金属图案41、第二种金属图案51的具体尺寸将第一类超材料单元42、第二类超材料单元52设定为方形结构，且第一类超材料单元42、第二类超材料单元52各自的边长P=4mm。
图10和图11分别展示了第一类超材料单元42与第二类超材料单元52通过参数反 演法计算的在不同入射角情况下的等效折射率，0°入射角的方向是指垂直于超材料单元设 有金属图案那一面的中心的方向。由于透镜体15中第一层的介电常数为1.62，这样根据介 电常数与折射率的关系可以得出第一类超材料单元42的等效折射率n应为=1.27； 透镜体15中第二层的介电常数为1.41，这样根据介电常数与折射率的关系可以得出第二类 超材料单元52的等效折射率n应为=1.19。从图10和图11中可以看出，第一类超材料 单元42、第二类超材料单元52在入射角为0°的情况下可以完全等效这两种折射率，且随频 率基本不变，而随着入射角的增大，折射率仅有微小的变化。
本可伸缩折叠式电磁波透镜先采用差分进化算法结合矢量球面波函数展开法，以最大口径效率为目标，优化透镜的球体径向分层参数，优化过程发现，两层结构就可以实现一个较好的口径效率。
实施例2
如图12、图13所示，本实施例是一种电磁波透镜天线，包括电磁波透镜61和馈源71；所述电磁波透镜61是实施例1所述的一种可伸缩折叠式电磁波透镜；所述馈源71处于电磁波透镜61的侧旁，馈源71的信号收发方向指向电磁波透镜61的透镜体中心设置，本实施例的馈源71与电磁波透镜61的间距D为21.53mm。
如图12、图13所示，本电磁波透镜天线还包括安装组件81；所述安装组件81包括安装板82、转动座83和滑动件84；所述转动座83可转动地安装在安装板82上；电磁波透镜61安装在转动座83上，具体是电磁波透镜61的架体32固定在转动座83上，且透镜体的一径向方向与转动座83的转动轴线共线；所述滑动件84可滑动地安装在转动座83上，滑动件84相对于转动座83滑动过后一般通过螺丝进行固定，滑动件84是环绕透镜体布设的弧形件，滑动件84的圆心与透镜体的球心共心；馈源71安装在滑动件84上。这样的结构转动座83可将电磁波透镜61与馈源71一起转动，以致通过转动座83来改变馈源71的辐射方向时，馈源71所发出的电磁波穿过电磁波透镜61的路径不变，使得调整前后增益和方向图完全一。
将本电磁波透镜天线在商用电磁仿真软件Ansys HFSS中进行建模仿真，得到图14至图18所示的仿真结果图。如图14所示，可以看出本电磁波透镜天线在工作频段12GHz-14.5GHz内天线的驻波系数均小于2.2。如图15、图16所示，可以看出低频（12GHz）时各扫描波束的增益为21dBi～23dBi。如图17、图18所示，可以看出高频（14.5GHz）时各扫描波束的增益为22dBi～24dBi。由此可知，本电磁波透镜天线在应用时无论馈源71是高频还是低频，其增益和驻波系数均波动较小，其电磁波透镜具有较好的性能。

Claims (10)

1.一种可伸缩折叠式电磁波透镜，其特征在于：包括若干介质板；各介质板上均布设有介电材料；所述介电材料的介电常数高于介质板的介电常数；若干介质板层叠一起构成层叠体，若干介质板层叠的方向是直线L1；每相邻的3片介质板之间：处于中间位置的介质板与另外2片介质板之间各自通过合页机构可转动地连接一起，与处于中间位置的介质板连接的2个合页机构分别处于直线L1的两侧；各合页机构的转动轴线均与直线L1垂直，且各合页机构的最大张开角度均小于30°，以致层叠体可沿直线L1伸缩而在层叠状态与展开状态之间切换；当层叠体处于展开状态时，若干介质板上的介电材料共同构成立体的透镜体；所述透镜体用于改变电磁波的辐射特性。
2.根据权利要求1所述的一种可伸缩折叠式电磁波透镜，其特征在于：介质板的数量至少有3片，且介质板的总量为单数；当层叠体处于展开状态时，沿直线L1排列的若干介质板中：序号为单数的介质板均与直线L1垂直，相邻的序号为双数的介质板与序号为单数的介质板形成一夹角A，夹角A在2～30°的范围内。
3.根据权利要求1所述的一种可伸缩折叠式电磁波透镜，其特征在于：各合页机构均包括第一套筒部、2个第二套筒部和转动轴；一合页机构与一相邻的2片介质板对应，合页机构的第一套筒部连接在其中一介质板上，在第一套筒部的外周向面上设有第一挡块，合页机构的第二套筒部连接在另一介质板上，在第二套筒部的外周向面上设有第二挡块；在第一套筒部的两侧各自设有一第二套筒部，第一套筒部与2个第二套筒部之间通过转动轴串接一起；当合页机构张开至最大角度时，第一套筒部的第一挡块与第二套筒部的第二挡块相抵一起。
4.根据权利要求2所述的一种可伸缩折叠式电磁波透镜，其特征在于：当层叠体处于展开状态时，相邻的2片序号为单数的介质板之间的间距在5mm～10mm的范围内。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种可伸缩折叠式电磁波透镜，其特征在于：各介质板的厚度均在1±0.2mm的范围内。
6.根据权利要求1所述的一种可伸缩折叠式电磁波透镜，其特征在于：介质板上的介电材料是印刷在介质板上的金属图案。
7.根据权利要求1所述的一种可伸缩折叠式电磁波透镜，其特征在于：所述透镜体是球体状或柱体状或棱柱体状结构的。
8.根据权利要求1所述的一种可伸缩折叠式电磁波透镜，其特征在于：还包括安装架；所述安装架包括架体、上安装轴和下安装轴；所述上安装轴的顶端可转动地安装在架体上；所述下安装轴的底端可转动地安装在架体上，下安装轴的转动轴线与上安装轴的转动轴线共线，下安装轴的上部、上安装轴的下部均设有螺纹段；层叠体中处于最上层的介质板称为上层介质板，层叠体中处于最下层的介质板称为下层介质板，其余介质板称为中间层介质板；上层介质板、下层介质板在各自的中心均形成有连通其两面的螺孔；当层叠体处于展开状态时，层叠体的下层介质板的螺孔与下安装轴的螺纹段螺纹连接，层叠体的上层介质板的螺孔与上安装轴的螺纹段螺纹连接。
9.一种电磁波透镜天线，包括电磁波透镜和馈源；其特征在于：所述电磁波透镜是权利要求1所述的一种可伸缩折叠式电磁波透镜；所述馈源处于电磁波透镜的侧旁，馈源的信号收发方向指向电磁波透镜的透镜体中心设置。
10.根据权利要求9所述的一种电磁波透镜天线，其特征在于：电磁波透镜的透镜体是球体状结构；还包括安装组件；所述安装组件包括安装板、转动座和滑动件；所述转动座可转动地安装在安装板上；电磁波透镜安装在转动座上，且透镜体的一径向方向与转动座的转动轴线共线；所述滑动件可滑动地安装在转动座上，滑动件是环绕透镜体布设的弧形件；馈源安装在滑动件上。
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