CN216052549U - 介电透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了介电透镜。该介电透镜包括：介电材料的三维3D主体，其具有在空间上变化的介电常数Dk；该3D主体具有至少三个区域R(i)，所述至少三个区域具有相对于至少三个区域R(i)中的对应区域的周围区域的介电常数值Dk(i)的局部最大值，所述至少三个区域R(i)的位置由相对于与3D主体相关联的特定公共原点的方位角(i)、天顶角(i)和径向距离(i)的局部坐标来限定，其中，(i)是范围从1到至少3的索引；其中，3D主体的在空间上变化的Dk被配置成以给定方位角和给定径向距离根据第一区域与第二区域之间的天顶角而变化。

Description

介电透镜

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年4月8日提交的美国临时申请序列第63/006,976 号的权益，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开总体上涉及介电透镜，具体涉及具有至少三个不同的聚焦或散焦部分的介电透镜，并且更具体地涉及电磁EM设备，该电磁EM设备具有相控阵天线，该相控阵天线被布置和配置成用于与具有至少三个不同的聚焦或散焦部分的介电透镜进行EM通信。

背景技术

相控阵天线在沿EM辐射的传播方向在一个或两个方向上对EM波前进行操控(steering)方面是有用的。在通常的平面相控阵列中，由于有效孔径随着操控角的增大而减小，因此操控能力可能受到限制。为了提高操控能力，现有系统采用了更多的相控阵天线基站段和/或Luneburg透镜。可以理解，相控阵天线基站段的数目的增加导致附加成本和硬件空间，并且使用Luneburg透镜需要使用非平面阵列。

虽然现有的EM相控阵通信系统可能适合于其预期目的，但是将通过克服现有技术的缺点的介电透镜或者介电透镜与相控阵天线的组合来发展与这样的系统有关的技术。

实用新型内容

实施方式包括一种介电透镜，该介电透镜具有：介电材料的三维3D 主体，其具有在空间上变化的介电常数Dk；该3D主体具有至少三个区域 R(i)，所述至少三个区域具有相对于至少三个区域R(i)中的对应区域的周围区域的介电常数值Dk(i)的局部最大值，所述至少三个区域R(i) 的位置由相对于与3D主体相关联的特定公共原点的方位角(i)、天顶角(i)和径向距离(i)的局部坐标来限定，其中，(i)是范围从1到至少3 的索引；其中，3D主体的在空间上变化的Dk被配置成以给定方位角和给定径向距离根据第一区域与第二区域之间的天顶角而变化。

实施方式包括介电透镜，该介电透镜具有：介电材料的三维3D主体，该三维3D主体具有在空间上变化的Dk，该在空间上变化的Dk沿具有不同的方向和特定公共原点的至少三个不同的射线从特定公共原点到3D主体的外表面而变化，该特定公共原点被3D主体包围；其中，至少三个不同的射线限定3D主体的至少三个区域R(i)中的对应区域的位置，所述至少三个区域具有相对于至少三个区域R(i)中的对应区域的紧接周围区域的介电材料的介电常数值Dk(i)的局部最大值，其中，(i)是范围从 1到至少3的索引；其中，3D主体的介电材料具有沿3D主体内的任何路径从至少三个区域R(i)中的每一个到至少三个区域R(i)中的任何另一个的在空间上变化的Dk。

实施方式包括电磁EM设备，该电磁EM设备具有：相控阵天线；以及根据前述透镜中的任何一个的介电透镜；其中，各个介电透镜被配置和设置成与当被电磁激励时的相控阵天线进行EM通信。

从以下在结合附图时进行的对本实用新型的详细描述，本实用新型的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。

附图说明

参照示例性非限制附图，其中，在附图中相似元件的附图标记类似：

图1描绘了根据实施方式的介电透镜的3D框图分析模型的旋转等距视图，该介电透镜表示位于示例相控阵天线上方的示例透镜；

图2A和图2B描绘了根据实施方式的通过x-z平面切割的图1的实施方式的正视截面图；

图3描绘了根据实施方式的图1的实施方式的自顶向下平面图；

图4A描绘了根据实施方式的图1的半对称视图的旋转等距视图；

图4B描绘了根据实施方式的通过图4A中描绘的半对称视图的对应剖切的截面切片L1-L4；

图4C描绘了根据实施方式的图4B的截面切片L3和L4的放大图；

图5描绘了根据实施方式的如本文所应用的球面坐标系的表示；

图6描绘了根据实施方式的另一示例介电透镜的透明自顶向下平面图，该介电透镜与图1的介电透镜相似但是具有不同的形状和外部轮廓；

图7A至图7J在旋转等距视图中描绘了根据实施方式的本文中公开的任何透镜的示例替选3D形状；

图8A至图8E描绘了根据实施方式的图7A至图7J的3D形状的示例 2D x-y平面剖视图；以及

图9A至图9C在旋转等距视图中示出了根据实施方式使用的代表性替选表面。

具体实施方式

尽管以下详细描述出于说明目的而包括许多细节，但是本领域的普通技术人员将理解，以下细节的许多变化和改变在权利要求的范围内。因此，以下示例实施方式是在对本文中公开的所要求保护的实用新型不造成一般性损失并且不施加限制的情况下阐述的。

如各个附图示出的和所附文本描述的那样，实施方式提供了三维3D 介电透镜，该三维3D介电透镜具有至少三个不同的聚焦或散焦部分，这些聚焦或散焦部分策略上位于透镜的主体内，所述透镜在结构上和电磁上被配置成与相控阵天线协作以便利于EM波前相对于EM辐射波前的传播方向成+/-90度的射束操控，从而在无需增加基站段的情况下提供更大的信号覆盖范围。3D介电透镜的至少三个不同的聚焦/散焦部分中的每一个由具有介电常数Dk值的局部最大值的对应区域形成，这将在下面详细讨论。如本文所使用的，术语介电透镜是指介电材料的3D主体，该3D主体用于改变辐射EM能量的空间分布，并且如本文所公开的，更具体地用于经由至少三个聚焦/散焦部分来改变辐射EM能量的空间分布，与用作辐射天线本身相对照。

尽管本文描述或示出的实施方式可以将特定几何形状或分析模型描绘为示例性介电透镜，但是应当理解，本文中公开的实施方式也适用于适合于本文中公开的目的且落入所附权利要求书的范围内的其他几何形状或结构。因此，应当理解，在此提供的图示仅用于说明目的，而不应被解释为出于本文所公开的目的的唯一可能的构造。例如，本文中下面描述的几个附图是指示例分析块元件104(参见图4A)，该分析块元件仅出于说明目的，并且不应被解释为限制，因为可以预期，所附权利要求书还涵盖如下介电透镜构造，该介电透镜构造具有从透镜的一个区域到透镜的另一区域的介电常数的逐渐而不是阶梯式的过渡。如果本文中未明确公开，则落入所附权利要求书范围内的所有构造均被构想到并且被认为是固有的。

现在参照图1至图9C，其中：图1描绘了代表本文中公开的示例实施方式的介电透镜的3D框图分析模型的旋转等距视图，该介电透镜表示位于示例相控阵天线上方的示例透镜；图2A和图2B描绘了通过x-z平面切割的图1的实施方式的正视截面图(在本文中称为半对称视图)；图3 描绘了图1的实施方式的自顶向下平面图；图4A描绘了图1的半对称视图的旋转等距视图(3-1/2块元件104的厚度)，在图2A和图2B中也可以看到，其中描绘了示例Dk值的Dk标度102，并且还描绘了示例分析块元件104；图4B描绘了通过图4A中描绘的半对称视图的对应连续剖切的截面切片L1-L4；图4C描绘了图4B的截面切片L3和L4的放大图；图5描绘了如本文所应用的球面坐标系的表示；图6描绘了另一示例介电透镜的透明自顶向下平面图，该介电透镜与图1的介电透镜相似但是具有不同的形状和外部轮廓；图7A至图7J在旋转等距视图中描绘了本文中公开的任何透镜的示例替选3D形状；图8A至图8E描绘了图7A至图7J的3D 形状的示例2D x-y平面剖视图；以及图9A至图9C在旋转等距视图中描绘了根据实施方式使用的代表性替选表面。关于各个附图中描述的分析模型中的示例分析块元件104，每个块元件104具有以下尺寸：dx＝4.92mm (毫米)，dy＝5.26mm并且dz＝5.04mm。替选地，每个块元件104具有大约2λ/3的dx、dy，dz尺寸，其中，λ是在39GHz(千兆赫)的工作频率下的波长。然而，这种块元件的尺寸仅出于说明或分析的目的，并且不限于根据所附权利要求书的要求保护的本实用新型的范围。关于截面切片 L1-L4，图4B与图4A的比较显示切片L1对应于3D主体200的后外表面区域206，半切片L4对应于图4A的x-z平面剖切，并且切片L2和L3 对应于切片L1与半切片L4之间的中间区域。关于图4A中描绘的Dk标度102，示例实施方式包括Dk变化，其中相对介电常数的范围从等于或大于1.2(描绘为浅灰色)到等于或小于3.6(描绘为深灰色或黑色)。然而，应当理解，该Dk变化仅用于分析目的，并且不限于根据所附权利要求书的要求保护的实用新型的范围。

如在几个附图中可以看到的，描绘了正交的x-y-z坐标系和球面坐标系二者，并且为了更完整地理解本文所公开的主题，在下文中都将参照这二者。关于图2B，以15度的增量描绘了递增的+/-天顶角。

示例介电透镜100包括介电材料的三维3D主体200，该介电材料具有在空间上变化的Dk，其中，3D主体200具有至少三个区域R(i)300 (分别由附图标记301、302和303各自枚举的第一区域、第二区域和第三区域)，这些区域具有相对于至少三个区域R(i)300中的对应区域中的周围区域的介电常数(相对介电常数)值Dk(i)的局部最大值，其中，至少三个区域R(i)300的位置可以由相对于与3D主体200相关联的特定公共原点202的方位角(i)、天顶角(i)和径向距离(i)的局部球面坐标来限定，其中，(i)是范围从1到至少3的索引(局部球面坐标系的说明最好参见图5)。3D主体200的在空间上变化的Dk被配置成以给定 (恒定)方位角(例如图2A的平面)和给定(恒定的)径向距离ra根据第一区域301与第二区域302之间的天顶角Za而变化，这最好参照图2A。例如，并且参照图2A和图4A至图4C二者，并且特别参照图4A中描绘的Dk标度102，可以看出，随着天顶角Za从0度到90度变化，3D主体 200内的Dk值从相对高的值例如在第一区域301处的3.6、到相对低的值例如第一区域301与第二区域302中间的区域中的1.2、又返回到较高的值例如第二区域302处的3.6而变化。如本文所使用并参照图5，+/-方位角的符号约定是(加)从正向y轴顺时针(CW)朝向正向x轴(如在自顶向下平面图中观察到的)，以及(减)从正向y轴逆时针(CCW)朝向负向x轴。

如本文中所使用的，短语“相对于周围区域”是指相对于3D主体200 的与Dk的局部最大值的相应区域紧邻的电介质的Dk，其中，对应周围区域的Dk低于Dk的局部最大值的相关联区域，因此称为“局部”最大值。在实施方式中，与Dk的局部最大值的相关联区域紧邻的对应周围区域完全围绕Dk的局部最大值的相关联区域。

如本文中所使用的，短语“特定公共原点202”是指相对于介电透镜 100的3D主体200的点，该点可以适当地用作球面坐标系的参考原点，由此至少三个区域R(i)300的方位角(i)、天顶角(i)和径向距离(i) 的局部坐标可以是可确定的(例如，参见图2A和图5)，或者可以通过局部x-y-z正交坐标系来确定，其中，公共原点202是局部x-y-z坐标系的原点。尽管图2A和图2B描绘了与3D主体200的底表面或基本区域204大致对准的x-y平面上的公共原点202，但是应当理解，这种图示仅是一个示例场景，因为落入所附权利要求书的范围内的其他场景和结构可能涉及位于3D主体200内部或外部的公共原点。

在实施方式中并且具体参照图2A，给定径向距离ra可以看作是第一给定径向距离，并且可以相对于根据天顶角Zb而变化的第二变化径向距离rb进一步描述3D主体200。例如，3D主体200的在空间上变化的Dk 还被配置成以给定方位角(例如图2A的平面)并以第二变化径向距离rb ——其根据天顶角Zb而变化——根据第一区域301与第二区域302之间的天顶角Zb而变化，这最好参照图2A。如图2A所示，随着天顶角Zb 从0度增加到90度，变化径向距离rb增加。参照图2A和图4A-4C二者，并且特别参照图4A中描绘的Dk标度102，可以看出，随着天顶角Zb从 0度到90度变化，3D主体200的实施方式中的Dk值从相对高的值例如第一区域301处的3.6、到相对低的值例如第一区域301与第四区域304 的中间区域中的1.2、返回到相对高的值例如第四区域304处的2.4、到相对低的值例如第四区域304与第二区域302的中间区域中的1.2、然后返回到相对高的值例如第二区域302处的3.6而变化。

对于0度至90度之间的天顶角和+90度的方位角，已经描述了对3D 主体200的空间上变化的Dk值的上述描述。然而，并且如图2A和图2B 中可见，对于0度至90度之间的天顶角和-90度的方位角，可以看到3D 主体200的在空间上变化的Dk值相似，即使不是相同的结构。也就是说， 3D主体200的实施方式包括2D主体200的在空间上变化的Dk值相对于所示y-z平面对称的布置，其中x-y-z原点相对于3D主体200居中设置，如在3D主体200的自顶向下平面图中所观察到的(参见例如Dk值根据从0度至90度的天顶角Za以及根据从0度至90度的天顶角Zb从第一区域301至第五区域305至第三区域303的过渡)。如此并且鉴于前述内容，应当理解，介电透镜100的实施方式还包括这样的布置，其中3D主体200 的在空间上变化的Dk被配置成以给定方位角(例如，图2A的平面)和给定(恒定)径向距离ra根据第一区域301与第三区域303之间的天顶角Za而变化。另外，应当理解，介电透镜100的实施方式还包括这样的布置，其中3D主体200的在空间上变化的Dk被配置成使得在相距180 度的对应方位角处的第二区域302和第三区域303具有如下Dk，该Dk 相对于y-z平面关于彼此和/或关于第一区域301对称。

如图3和图4A至图4C中可以看到的，参照图4A中的Dk标度102，还应当理解，介电透镜100的实施方式包括这样的布置，其中3D主体200 的在空间上变化的Dk也被配置成以给定天顶角(例如但不限于例如90 度)和限定(固定的或可变的)径向距离ra(固定的)、rb(可变的)根据第二区域302与第三区域303之间的方位角(例如在示出的x-y平面中，也参见图5)而变化。例如，参照图4A和其中的Dk标度102，以90度的天顶角(即，x-y平面)和可变径向距离rb，3D主体200的在空间上变化的Dk从第二区域302处的约3.6、到从第二区域302顺时针+90度的方位角处的1(空气)、到第三区域303处的约3.6、到从第三区域303顺时针-90度的方位角处的1(空气)、回到第二区域302处的约3.6而变化。

如图2A和图4A至图4C中可以看到的，参照图4A中的Dk标度102，还应当理解，介电透镜100的实施方式包括这样的布置，其中3D主体200 的在空间上变化的Dk也被配置成根据公共原点202与第一区域301之间的径向距离而变化，其中在图4A至图4C中所示的实施方式中，Dk值从靠近公共原点202的中心区域rc 308中的约1(例如，空气)逐渐向上到第一区域301处的约3.6而变化。通常，3D主体200的在空间上变化的 Dk的实施方式被配置成根据公共原点202与至少一个区域R(i)300例如第一区域301之间的径向距离沿着至少一个径向路径向上逐渐变化 (即，增加)。在一个实施方式中，3D主体200的在空间上变化的Dk被配置成根据公共原点202与区域R(i)300例如第一区域301、第二区域 302和第三区域303中至少之一之间的对应径向距离沿着具有公共原点 202的至少三个不同的径向路径逐渐向上变化。虽然图1、图2A至2B和图4A至图4C中描绘的实施方式示出了中心区域rc 308和/或围绕公共原点202的区域，其为空气或具有与空气的Dk相等的Dk，但是应当理解，这仅是出于说明和/或建模的目的，并且中心区域rc 308和/或围绕公共原点202的区域实际上可以是空气或可以是具有与空气的Dk值接近的低Dk 值的电介质，例如具有充气的开放或封闭单元的介电泡沫。因此，应当理解，3D主体200在公共原点处具有等于或大于空气的Dk值并且等于或小于1.2的Dk值。

如本文所使用的，术语“逐渐地”不一定是指不存在任何阶跃变化，例如可能存在介电材料的层状壳，而是指以如下速率跨越可能是层状壳界面(或过渡区)的事物，从3D主体200的一个区域到相邻区域跨越过渡区的速率不超过+/-1.9、更特别地+/-1.5、甚至更特别地+/-1.0的Dk值变化。如本文所使用的，跨3D主体200的一个区域到相邻区域的过渡区的距离是相对于1λ的操作波长测量的，并且在一个实施方式中是相对于0.5λ的操作波长测量的，其中λ是具有限定操作频率的操作电磁辐射信号的自由空间中的操作波长。也就是说，在一个实施方式中，从3D主体200的一个区域到相邻区域的过渡区的距离是1λ，并且在另一个实施方式中是λ/2。在实施方式中，限定工作频率是40GHz。

关于中心区域rc 308，并且参照图2A，实施方式包括这样的布置，其中距公共原点202达限定径向距离rk210的3D主体200具有如下Dk 值，其等于或大于空气的Dk值并且等于或小于2，替选地等于或大于空气的Dk值并且等于或小于1.5，进一步替选地等于或大于空气的Dk值并且等于或小于1.2。在一个实施方式中，rk等于或小于2λ，替选地等于或小于1.5λ，替选地等于或小于1λ，替选地等于或小于2/3λ，或者进一步替选地等于或小于1/2λ。

在图1至图4C所描绘的实施方式中，当相控阵天线600被电磁激励时，从公共原点202沿z轴到第一区域301的径向路径也被看作是介质透镜100与相控阵天线600的视轴方向，这将在下面更详细地讨论。

返回至少参照图2A和图4A至图4B，应当理解，介电透镜100的实施方式包括这样的布置，其中3D主体200的在空间上变化的Dk也被配置成根据公共原点202与第二区域302之间和/或公共原点202与第三区域303之间的径向距离而变化。例如，图2A和图4A至图4B都描绘了 3D主体200的Dk值在公共原点202处的约1(空气)至第二区域302和第三区域303处的约3.6之间变化，如在x-y平面中沿着+x轴和-x轴二者所观察到的。

在另一个实施方式中，并且仍然至少参照图2A和图4A至图4B，3D 主体200的在空间上变化的Dk还被配置成在至少三个不同的径向方向上——例如但不限于：例如，沿着+x轴、沿着-x轴、沿着+z轴——从共同的原点202到3D主体200的外表面区域206而变化。

如上所述，3D主体200的具有介电常数值Dk(i)的局部最大值的至少三个区域R(i)300可以包括超过三个的区域R(i)300。例如并且特别参照图2B(描绘了如在图2B中所观察到的相对于z轴CW和CCW 二者以15度增量的天顶角)结合本文公开的若干其他图，实施方式包括这样的布置，其中第一区域301以在15度CCW至15度CW之间的第一天顶角Za1设置，第二区域302以在75度CCW至90度CCW之间的第二天顶角Za2设置，第三区域303以在75度CW至90度CW之间的第三天顶角Za3设置，第四区域304以在15度CCW至75度CCW之间的第四天顶角Za4设置，以及/或者第五区域305以在15度CW与75度CW 之间的第五天顶角Za5设置。通过比较图2A至图2B与图1、图3和图 4A至图4B可以看出，第四区域304和第五区域305与第一区域301、第二区域302和第三区域303不在同一平面(例如x-z平面)中，但是在图2A至图2B中是“可见的”，这是由于介电透镜100的3D分析模型具有靠近第四区域304和第五区域305的内部气穴220(参照图4A和图4B最佳地示出)，导致当从图2A和图2B的x-z平面剖切观察时第四区域304 和第五区域305是可见的。实际上，从若干图中可以看出，第四区域304 和第五区域305被设置在平行于x-z平面并沿-y方向偏离x-z平面的平面中。虽然这里描述的介电透镜100的3D分析模型具有上述气穴220，但是应当理解，这样的气穴220实际上可以是空气，或者可以是具有接近空气的Dk值的低Dk值的电介质，例如具有充气的开放或封闭单元的介电泡沫。

特别参照图4B至图4C，经由L1至L4横截面或切片可以看出，实施方式还包括这样的布置，其中第二区域302和第三区域303以约180度的方位角分开，并且更一般地以150度至180度之间的方位角分开，并且特别参照至少图1，还可以看出，第四区域304和第五区域305也以约180 度的方位角分开，更一般地以150度至180度之间的方位角分开。

鉴于上述内容并参照若干附图，特别是Dk标度102，应当理解，实施方式包括这样的布置，其中3D主体200的在空间上变化的Dk在大于1 至等于或小于15之间变化，替选地在大于1至等于或小于10之间变化，进一步替选地在大于1至等于或小于5之间变化，进一步替选地在大于1 至等于或小于4之间变化。还应当理解，实施方式包括这样的布置，其中具有介电常数值Dk(i)的对应局部最大值的每个区域R(i)300具有如下Dk，其等于或大于2且等于或小于15，替选地等于或大于3且等于或小于12，进一步替选地等于或大于3且等于或小于9，进一步替选地等于或大于3且等于或小于5。在一个实施方式中，介电材料的3D主体200的在空间上变化的Dk根据方位角(i)、天顶角(i)和径向距离(i)逐渐变化。在一个实施方式中，介电材料的3D主体200的逐渐变化的Dk以每1/4工作频率波长不超过限定的最大Dk值变化，替选地以每1/2工作频率波长不超过限定的最大Dk值变化，进一步替选地以每工作频率波长不超过限定的最大Dk值变化。在一个实施方式中，限定的最大Dk值为 +/-1.9，更特别地+/-1.5，并且甚至更特别地+/-1.0。

现在参照图6，其描绘了与图1的介电透镜100相比相似但是具有不同形状和外轮廓的另一示例介电透镜100’的透明自顶向下平面图。如可以看到的，并且除了介电常数值Dk(i)的局部最大值的第一区域301、第二区域302和第三区域303以及可选的第四区域304和第五区域305之外，实施方式还包括这样的布置，其中具有介电常数值Dk(i)的局部最大值的至少三个区域R(i)300还包括第六区域306和第七区域307，其中第一区域301以-15度至+15度之间的第一天顶角设置(参见图2B)，并且其中第二区域302、第三区域303、第六区域306和第七区域307各自以-75度至-90度之间或+75度至+90度之间的第二天顶角设置，如在x-z 平面或y-z平面中所观察到的(部分参照图2B)。在一个实施方式中，第二区域302和第三区域303由150度至180度之间的方位角分开；第六区域306和第七区域307由150度至180度之间的方位角分开；第二区域 302和第六区域306由30度至90度之间的方位角分开；第三区域303和第六区域306由30度至90度之间的方位角分开；第二区域302和第七区域307由30度至90度之间的方位角分开；并且第三区域303和第七区域 307由30度至90度之间的方位角分开。虽然图6以实线形式描绘了用于介电透镜100’的圆形外轮廓，但是应当理解，这仅仅是出于说明的目的，并且介电透镜100’可以具有适合于在此公开的目的任何形状，其由包围实线形式的圆的虚线形式的正方形外轮廓表示。

从所有前述内容中，应当理解，这里描述具有介电常数值Dk(i)的局部最大值的区域R(i)300的各种数量和布置的各种所示实施方式仅仅是许多可能布置的几个示例，这些布置太多而不能无限描述，但是也在本领域技术人员的能力范围内。因此，落在所附权利要求范围内的区域R(i) 300的所有这些实施方式都被考虑和认为是通过本文呈现的代表性示例完全和/或固有地公开在本文中。

另外，还应当理解，虽然已经描述和/或描绘了具有某些2D和3D形状(例如，图1中的矩形块，以及图6中的圆形或矩形覆盖区)的介电透镜100、100’的某些实施方式，但是应当理解，这些仅用于说明目的，并且本文公开的本实用新型的实施方式不限于此，并且在不减损本公开的范围的情况下，扩展到其他2D和3D形状，例如，图7A至图7J和图8A 至图8E中描绘的那些。例如并且参照图7A至图8E，本文描述的任何介电透镜100、100’可以具有以下形状的三维形式：图7A的圆柱，图7B、图7C的多边形盒，图7D、图7E的锥形多边形盒，图7F的圆锥体，图 7G的截头圆锥体，图7H的圆环面，图7I的圆顶体(例如，半球体)，图 7J的细长的圆顶体，或者可以具有任何其他适于在此公开的目的三维形式，并且因此可以具有以下形状的z轴横截面：图8A的圆，图8B的矩形，图8C的多边形，图8D的环形，图8E的椭圆，或者可以具有任何其他适于在此公开的目的形状的z轴横截面。

鉴于所有前述内容，应当理解，描述介电透镜100的替选方式是通过介电透镜100，该介电透镜包括：介电材料的三维3D主体200，其具有沿着具有不同方向和特定公共原点202的至少三条不同射线从公共原点202 到3D主体200的外表面206变化的在空间上变化的Dk，特定公共原点 202被3D主体200包围；其中，至少三条不同的射线(例如，参见图2A，射线ra通过第一区域301和第二区域302，射线rb通过第四区域304)限定了3D主体200的至少三个区域R(i)300(301，302，304)中的对应区域的位置，其具有相对于至少三个区域R(i)300中的对应区域的紧接周围区域的介电材料的介电常数值Dk(i)的局部最大值；其中，3D主体200的介电材料具有沿着3D主体200内的在至少三个区域R(i)300的相应对之间的任何路径从至少三个区域R(i)300中的每一个到至少三个区域R(i)300中的任何其他一个的在空间上变化的Dk。

现在返回参照图1和图4A至图4C，除了上面描述和公开的所有内容之外，其还公开了电磁EM设备500，该电磁EM设备包括相控阵天线600 和本文上面公开的介电透镜100，其中介电透镜100被配置和设置成当相控阵天线600被电磁激励时与相控阵天线600进行EM通信。在一个实施方式中，相控阵天线600是平面相控阵天线，如至少在图1和图4A至图 4C中所描绘的。

在一个实施方式中，介电透镜100被居中地设置在相控阵天线600的顶部上，如至少在图1和图4A至图4C中所描绘的。

在一个实施方式中，如在自顶向下的平面图中所观察到的，介电透镜 100具有比相控阵天线600的对应覆盖区更大的覆盖区，如至少在图1和图4A至图4C中所描绘的，使得介电透镜100延伸超出相控阵天线600 的边缘602(参照图1和图2A最佳地看到的)。

在一个实施方式中，介电透镜100的处于90度天顶角的部分具有如下Dk值，该Dk值沿着从公共原点202向外超出相控阵列天线600的边缘602的指定径向方向例如沿着+/-x轴增加然后减小然后再次增加(参照图4A至图4C最佳可见)。例如，在图4B和图4C中描绘的沿着+x轴的截面视图L3和L4中，介电透镜100具有这样的Dk值，该Dk值从公共原点202(这里描绘成在空气的区域中)处的约1或接近1增加到接近相控阵列天线600的边缘602的区域310处的约3.6的值，然后在超出区域 310和相控阵列天线600的边缘602的区域312处减小到约1.2，并且然后在超出区域312并且还超出相控阵列天线600的边缘602的区域314处再次增加到约3.6。换言之，透镜100的实施方式包括这样的布置，其中 3D主体200在相对低Dk区域312外侧具有相对高Dk区域314，对于给定方位角(例如在x-z平面中)，在从公共原点202以+/-90度的天顶角朝向3D主体200的外表面206的径向方向上，其在相对高Dk区域310外侧，其在公共原点202处的相对低Dk区域外侧。虽然不受任何特定理论的约束，但是通过分析建模已经发现，低Dk穴例如区域312的刚好超出相控阵天线600的边缘602的存在增强了来自相控阵天线600的EM辐射方向图，以便于EM波前相对于源自相控阵天线600的EM波前的传播方向成+/-90度的射束操控。

如上文所述，EM设备500的实施方式包括作为平面相控阵列天线的相控阵列天线600，其不仅在图1和图4A至图4C中描绘，而且还在图 9A中描绘，其中个体天线元件650在安置于平面基底620上的示例5×6 阵列中被描绘。从对介质透镜100的上述描述中可以理解，这里公开的实施方式包括这样的布置，其中单个介质透镜100被设置成与整个相控阵天线600进行EM通信。

虽然本文上面描述的实施方式参照并示出了平面相控阵列天线600，但是应当理解，本文公开的实施方式不限于此，并且还包括相控阵列天线的非平面布置，现在将结合图1至图8E和图9A参照图9B至图9C来讨论该非平面布置。

图9B描绘了球体形式的非平面基底622，并且图9C描绘了圆柱体形式的非平面基底624。并且尽管图9B和图9C分别描绘了完整的球体和完整的圆柱体，但是应当理解，也可以设想半球体和半圆柱体。在一个实施方式中，个体天线元件650的阵列可以策略性地设置在相应球体基底622 或圆柱体基底624的凸表面或凹表面上，并且本文所公开的任何形式的介电透镜100、100’可以被设置在天线元件650的阵列之上。

在一个实施方式中，相控阵天线600中的每个天线元件650可以利用相角控制或幅度控制来操作，或者替选地利用激励信号的相角控制和幅度控制两者来操作，以便在相对于EM波前的传播方向的整个+/-90度上实现最佳天线系统性能。在一个实施方式中，相对于传播方向的+/-90度控制可以相对于水平轴或垂直轴(例如，参见图1至图4C中的透镜100)，或者水平轴和垂直轴二者(例如，参见图6中的透镜100’)。

因此，应当理解，实施方式包括作为非平面相控阵列天线的相控阵列天线，其中非平面相控阵列天线具有或被设置在球体表面或圆柱体表面上。在一个实施方式中，相控阵天线被配置成从球体表面的凸面、凹面或者凸面和凹面二者向介电透镜发射EM辐射。在一个实施方式中，相控阵天线被配置成从圆柱体表面的凸面、凹面或者凸面和凹面二者向介电透镜发射EM辐射。

虽然非平面相控阵天线的前述描述是参照球体或圆柱体表面来进行的，但是应当理解，本文的公开内容的范围不限于此，并且还涵盖其他非平面表面，诸如但不限于例如扁球体、椭圆体或双曲线表面。落在所附权利要求范围内的任何和所有表面都被考虑并认为是在此固有地公开的。

关于具有任何形式的基底620、622、624、具有设置在其上的天线元件650的任何布置、以及具有如本文所公开的那样配置和设置的任何形式的介电透镜100、100’的EM设备500的前述描述中的任一个，EM设备 500的实施方式被配置成使得相控阵天线600被配置成并适于在等于或大于1GHz且等于或小于300GHz、进一步替选地等于或大于10GHz且等于或小于90GHz、进一步替选地等于或大于20GHz且等于或小于60 GHz、进一步替选地等于或大于20GHz且等于或小于40GHz的频率范围下操作。在一个实施方式中，相控阵天线600被配置成和适于在毫米波频率下工作，并且在一个实施方式中，毫米波频率是5G毫米波频率。

尽管本文已经描述和示出了个体特征的某些组合，但是应当理解，这些特征的某些组合仅用于说明目的，并且根据实施方式可以采用任何这样的个体特征的任何组合，无论这样的组合是否被明确地示出以及是否与本文的公开内容一致。本文所公开的特征的任何和所有这样的组合都是本文所预期的，被认为在将本申请作为整体考虑时在本领域技术人员的理解之内，并且被认为是在本文所公开的本实用新型的范围之内，只要它们以本领域技术人员将理解的方式落入由所附权利要求限定的本实用新型的范围之内。

鉴于所有前述内容，应当理解，本文所公开的实施方式中的一些实施方式可以提供以下优点中的一者或一者以上：EM射束操控设备，其当放置在高达并包括5G mm波频率的平面相控阵天线上时，允许正/负90度的射束操控，同时增益下降最小；EM射束操控设备，其允许辐射场覆盖区域随着所需基站段的数量的1/3至1/2的减少而增加；以及EM介电透镜，其具有多个分离的聚焦区域，其中存在介电常数值的局部最大值，使得透镜连同透镜的其他聚焦区域一起相长地(constructively)使入射的EM 辐射折射，以获得给定的所需辐射角度。

尽管在此已经参照示例实施方式描述了本实用新型，但是本领域技术人员将理解，在不脱离权利要求的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。在不脱离本实用新型的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本实用新型的教导。因此，本实用新型不限于这里作为实施本实用新型的最佳或唯一模式公开的特定的一个或多个实施方式，而是本实用新型将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。在附图和说明书中，已经公开了示例性实施方式，并且尽管可能已经采用了特定术语和/或尺寸，但是除非另有说明，否则它们仅在一般的、示例性的和/或描述性的意义上使用，而不是出于限制的目的，因此权利要求的范围不受此限制。当诸如层、膜、区域、基底或其他所述特征的元件被称为在另一元件“上”时，其可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件上”时，不存在中间元件。术语第一、第二等的使用不表示任何顺序或重要性，而是术语第一、第二等用于将一个元件与另一个元件区分开。术语一 (“a”)、一个(“an”)等的使用不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。这里使用的术语“包括”不排除可能包括一个或更多个附加特征。并且，本文提供的任何背景信息被提供以揭示申请人认为可能与本文公开的实用新型相关的信息。并非必须承认，也不应解释为，任何这样的背景信息构成了针对本文公开的本实用新型的实施方式的现有技术。

Claims (28)

1.一种介电透镜，其特征在于包括：

介电材料的三维3D主体，其具有在空间上变化的介电常数Dk；

所述3D主体具有至少三个区域R(i)，所述至少三个区域具有相对于所述至少三个区域R(i)中的对应区域的周围区域的介电常数值Dk(i)的局部最大值，所述至少三个区域R(i)的位置由相对于与所述3D主体相关联的特定公共原点的方位角(i)、天顶角(i)和径向距离(i)的局部坐标来限定，其中，(i)是范围从1到至少3的索引；

其中，所述3D主体的在空间上变化的Dk被配置成以给定方位角和给定径向距离至少根据第一区域与第二区域之间的天顶角而变化；

其中，所述3D主体的在空间上变化的Dk还被配置成以给定方位角和给定径向距离根据所述第一区域与第三区域之间的天顶角而变化；

其中，所述3D主体的在空间上变化的Dk还被配置成以给定天顶角和给定径向距离根据所述第二区域与所述第三区域之间的方位角而变化；

其中，所述3D主体的在空间上变化的Dk还被配置成根据所述特定公共原点与所述第一区域之间的径向距离而变化；

其中，所述3D主体的在空间上变化的Dk还被配置成根据所述特定公共原点与所述第二区域之间的径向距离而变化；

其中，所述3D主体的在空间上变化的Dk还被配置成根据所述特定公共原点与所述第三区域之间的径向距离而变化；

其中，所述3D主体的距所述特定公共原点达限定径向距离rk处的Dk等于或大于空气的Dk且等于或小于2；

其中，具有所述至少三个区域R(i)的所述3D主体被配置成连同所述透镜的其他聚焦区域一起相长地使入射的EM辐射折射，以实现给定的期望辐射角度，所述至少三个区域具有介电常数值Dk(i)的局部最大值。

2.根据权利要求1所述的介电透镜，其中，所述给定径向距离是第一给定径向距离，并且进一步地其中：

所述3D主体的在空间上变化的Dk还被配置成以所述给定方位角和第二变化径向距离根据所述第一区域与所述第二区域之间的天顶角而变化，所述第二变化径向距离根据所述天顶角而变化。

3.根据权利要求1或2所述的介电透镜，其中：

所述3D主体具有基本区域和外表面区域，并且所述特定公共原点在所述基本区域附近。

4.根据权利要求1或2所述的介电透镜，其中：

在相距180度的对应方位角处的所述第二区域和所述第三区域关于彼此对称。

5.根据权利要求1或2所述的介电透镜，其中：

所述特定公共原点处的所述3D主体的Dk等于或大于空气的Dk且等于或小于1.2。

6.根据权利要求1或2所述的介电透镜，其中：

rk等于或小于2λ，其中，λ是工作电磁辐射信号的自由空间中的波长。

7.根据权利要求6所述的介电透镜，其中：rk等于或小于1.5λ。

8.根据权利要求7所述的介电透镜，其中：rk等于或小于1λ。

9.根据权利要求8所述的介电透镜，其中：rk等于或小于2/3λ。

10.根据权利要求9所述的介电透镜，其中：rk进一步地等于或小于1/2λ。

11.根据权利要求6所述的介电透镜，其中：

所述工作电磁辐射信号能够以如下频率范围工作：等于或大于1GHz且等于或小于300GHz。

12.根据权利要求11所述的介电透镜，其中：

所述工作电磁辐射信号能够以如下频率范围工作：等于或大于10GHz且等于或小于90GHz。

13.根据权利要求12所述的介电透镜，其中：

所述工作电磁辐射信号能够以如下频率范围工作：进一步地等于或大于20GHz且等于或小于60GHz。

14.根据权利要求13所述的介电透镜，其中：

所述工作电磁辐射信号能够以如下频率范围工作：进一步地等于或大于20GHz且等于或小于40GHz。

15.根据权利要求1或2所述的介电透镜，其中：

所述第一区域以等于或大于0度且等于或小于15度的第一天顶角设置；所述第二区域以等于或大于75度且等于或小于90度的第二天顶角设置；以及所述第三区域以等于或大于75度且等于或小于90度的第三天顶角设置。

16.根据权利要求1或2所述的介电透镜，还包括：

第四区域，其中所述第四区域以等于或大于15度且等于或小于75度的第四天顶角设置；以及

第五区域，其中所述第五区域以等于或大于15度且等于或小于75度的第五天顶角设置。

17.根据权利要求16所述的介电透镜，其中：

所述第二区域和所述第三区域被等于或大于150度且等于或小于180度的方位角分开；以及

所述第四区域和所述第五区域被等于或大于150度且等于或小于180度的方位角分开。

18.根据权利要求1或2所述的介电透镜，其中：

所述3D主体的在空间上变化的Dk在大于1至等于或小于15之间变化。

19.根据权利要求18所述的介电透镜，其中：

所述3D主体的在空间上变化的Dk在大于1至等于或小于10之间变化。

20.根据权利要求19所述的介电透镜，其中：

所述3D主体的在空间上变化的Dk进一步地在大于1至等于或小于5之间变化。

21.根据权利要求20所述的介电透镜，其中：

所述3D主体的在空间上变化的Dk进一步地在大于1至等于或小于4之间变化。

22.根据权利要求1或2所述的介电透镜，其中：

所述至少三个区域R(i)中的对应区域的介电常数值Dk(i)的每个局部最大值具有如下Dk，所述Dk等于或大于2且等于或小于15。

23.根据权利要求22所述的介电透镜，其中：

所述至少三个区域R(i)中的对应区域的介电常数值Dk(i)的每个局部最大值具有如下Dk，所述Dk等于或大于3且等于或小于12。

24.根据权利要求23所述的介电透镜，其中：

所述至少三个区域R(i)中的对应区域的介电常数值Dk(i)的每个局部最大值具有如下Dk，所述Dk进一步地等于或大于3且等于或小于9。

25.根据权利要求24所述的介电透镜，其中：

所述至少三个区域R(i)中的对应区域的介电常数值Dk(i)的每个局部最大值具有如下Dk，所述Dk进一步地等于或大于3且等于或小于5。

26.根据权利要求1或2所述的介电透镜，其中：

具有介电常数值Dk(i)的局部最大值的至少三个区域R(i)还包括第六区域和第七区域，其中，所述第一区域以等于或大于0且等于或小于15度的第一天顶角设置，并且其中，所述第二区域、所述第三区域、所述第六区域和所述第七区域各自以第二天顶角设置，所述第二天顶角等于或大于+15度且等于或小于+90度，或者等于或大于-15度且等于或小于-90度。

27.根据权利要求26所述的介电透镜，其中：

所述第二区域和所述第三区域被等于或大于150度且等于或小于180度的方位角分开；

所述第六区域和所述第七区域被等于或大于150度且等于或小于180度的方位角分开；

所述第二区域和所述第六区域被等于或大于30度且等于或小于90度的方位角分开；

所述第三区域和所述第六区域被等于或大于30度且等于或小于90度的方位角分开；

所述第二区域和所述第七区域被等于或大于30度且等于或小于90度的方位角分开；以及

所述第三区域和所述第七区域被等于或大于30度且等于或小于90度的方位角分开。

28.根据权利要求1或2所述的介电透镜，其中：

所述介电材料的3D主体的在空间上变化的Dk根据所述方位角(i)、所述天顶角(i)和所述径向距离(i)而逐渐变化；

所述介电材料的3D主体的逐渐变化的Dk以每1/2工作频率波长不大于限定最大Dk值而变化；以及

所述限定最大Dk值是+/-1.9。

Images