CN217134688U - 人工介电材料及由其制成的聚焦透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种人工介电材料及由其制成的聚焦透镜，其包含多片堆积在一起且密度小于100kg/m³的泡沫介电材料，以及多个放置于所述多片泡沫介电材料中形成的孔中的短导电管，其中包含放置于所述孔中的所述短导电管的所述多片泡沫介电材料由不含所述短导电管的多片泡沫介电材料分离。

Description

人工介电材料及由其制成的聚焦透镜

技术领域

本实用新型涉及一种人工介电材料及由其制成的用于聚焦射频波段的电磁波的聚焦透镜。

背景技术

现代移动通信市场需要创造窄波束并以不同频段工作的多波束天线。聚焦介电透镜是大多数高效多波束天线的主要零件。聚焦透镜的直径必须是创造窄波束的工作频率的几个波长，因此，用于移动通信的多波束天线的一些透镜的直径大于1m。这种由普通介电材料制成的透镜太重了，因此，对创造较轻和低损耗的透镜做了大量研究。

大多数已知的轻质人工介电材料由随机取向的导电部分与轻质介电材料制成的非导电部分组成。通过随机混合导电和非导电部分来制造具有期望的介电性能的均匀材料是非常困难的，因此，聚焦透镜是多波束天线最昂贵的成分。为了提高性能和降低成本的这种材料的聚焦透镜的开发在不断持续中。

美国专利8518537B2描述了包括多个随机取向的小粒子轻质介电材料(例如包含放置于每个粒子中的导电纤维的聚乙烯泡沫)的轻质人工介电材料。

专利申请US 2018/0034160 A1描述了包括多个随机取向的小多层粒子轻质介电材料的轻质人工介电材料，所述轻质介电材料包含层间薄导电片。如本申请中所写，这种多层粒子相比包含导电纤维的粒子提供了更大的介电常数。

专利申请US 2018/0279202 A1描述了其他类包括多个随机取向小粒子的轻质人工介电材料。所描述的一个材料为包含层间薄导电片的小多层粒子轻质介电材料。

以上所有轻质人工介电材料通过随机混合小粒子制成。需要消除材料中的金属-金属接触，其会导致无源互调失真，因此，这种材料的制造包括许多阶段且成本较高。

随机混合提供了由小粒子组成的最终材料的各向同性，但是一些申请需要具有各向异性的介电材料。例如，由各向异性介电材料制成的圆柱透镜能够减少通过圆柱透镜的电磁波的去极化，并提高多波束天线(美国专利9819094B2)的交叉极化比。由各向同性人工介电材料制成的圆柱透镜创造了通过该透镜的电磁波的去极化，因此包括该透镜的天线能够承受较高的交叉极化电平。因而，需要提供包括各向异性的期望的性能的轻质介电材料。

发明内容

本实用新型的第一个目的是克服已知轻质人工介电材料的不足，并提供一种轻型人工介电材料，该轻型人工介电材料相比已知同类物更易于制造，并适于生产用于无线电通信的聚焦透镜和介电天线。

因此，本文提供一种人工介电材料，包含多片堆积在一起且密度小于100kg/m³的泡沫介电材料，以及多个放置于多片泡沫介电材料中形成的孔中的短导电管，其中包含放置于孔中的短导电管的多片泡沫介电材料由不含短导电管的多片泡沫介电材料分离。

还提供一种由所描述的人工介电材料制成的圆柱聚焦透镜。

所提供的材料必须提供期望的介电性能以及导电粒子之间可靠的绝缘。

本实用新型提供一种轻型人工介电材料，其包括多个具有薄壁且放置于轻质介电材料中的短导电管。所述管的横截面可以是圆形或多边形，例如正方形、六边形或八边形。短导电管放置于层中。一个层包括一片包含多个孔的轻质介电材料。轻质介电材料可以是发泡聚合物。管放置于一片轻质介电材料形成的孔中，并包含管内的空气。包含管的层由不含管的轻质介电材料制成的层分离。分离层也可以包含孔，孔的直径小于用于管的孔的直径，以便通过轻质介电材料提供通风。放置于相邻层的管可在同一轴线上叠在一起，或互相位移并具有不同的轴线。

导电管的直径比工作频率波长小约20倍，以提供人工介电材料随频率的可接受的依赖性。导电管的长度可以是其各自直径的0.2-5.0，取决于人工介电材料的期望性能。

所提供人工介电材料的密度主要取决于管的重量和轻质介电材料的密度。聚乙烯泡沫的密度范围为40-100kg/m3。具有6mm直径和0.1mm壁厚的铝管密度为180kg/m3。当管与层之间的距离大约为1mm时，所提供的包含这种管和聚乙烯泡沫的人工介电材料密度大约为140kg/m3，介电常数(Dk)大约为1.7。通过减少导电管的壁厚，可能降低所提供的人工介电材料的密度。将导电材料溅射或化学沉积在介电材料中形成的孔的壁上可提供壁厚小于0.01mm的导电管。

所提供人工介电材料的Dk取决于管的形状、管之间的距离以及层间的距离。其Dk还取决于通过材料传播的电磁波的极化和方向。因而，所提供的人工介电材料主要是各向异性材料，但是其也可以提供各向同性。例如，当电磁波沿短管的轴线跨越材料，且当设置于一层的短管之间的距离相等时，Dk并不取决于极化。

当电磁波沿垂直于短管轴线的方向跨越所提供的材料时，Dk取决于极化。当设置于一层的短管之间的距离显著小于或大于层间的距离时，出现依赖于极化的大Dk。当设置于一层的短管之间的距离显著大于层间的距离时，用于沿着短管的轴线定向的E极化的Dk大于用于穿过短管的轴线定向的E极化的Dk。当设置于一层的短管之间的距离显著小于层间的距离时，用于沿着短管的轴线的E极化的Dk小于用于穿过短管的轴线的E极化的Dk。这种材料能将线极化电磁波转移至圆极化电磁波。

当设置于一层的短管之间的距离大约等于层间的距离时，用于两种极化的Dk可以相等或略有不同。

因而，所提供的材料可用于多个申请。

所提供材料的Dk的可重复性取决于如何正确在生产线上制造短管和短管之间的距离。所提供材料的若干样品使用直径6mm且长度6mm的冲管进行组装。多片聚乙烯泡沫中的孔通过激光切割形成。Dk的测量值为1.68+/-0.006。因而，所提供材料的介电性能是非常可重复的。其它已知技术也可用于管及配套轻质介电材料的生产。

本实用新型的第二个目的是提供由所提供的人工介电材料制成的聚焦透镜。放置于一层的短管可以形成一种能提供沿着层的期望的Dk分布的结构，因此，可由提供的人工介电材料制成不同种类的聚焦透镜。例如，可由叠在一起且包含短导电管的圆片轻质介电材料制成圆柱透镜。以下描述的圆柱透镜的若干实施例示出了沿着圆片轻质介电材料的不同Dk分布。制造这种透镜的工艺不包括混合小零件。所提供的人工介电材料的结构消除了振动和其它提供长期物理稳定性和透镜性能的环境因素下导电管的移动和沉降。这是所提供的人工介电材料的第一个优点。

由轻质介电材料对导电管的可靠绝缘消除了会导致无源互调失真的金属-金属接触的可能性。因此，所提供的人工介电材料适于制造用于基站天线的透镜，基站天线对无源互调失真由非常严格的规范。这是所提供的人工介电材料的第二个优点。

所提供的人工介电材料可以沿层Dk提供均匀可变的Dk。这是所提供的人工介电材料的第三个优点。

所提供的人工介电材料可以制有通风通道，因此，高功率电磁波可通过由这种人工介电材料制成的透镜聚焦。这是所提供的人工介电材料的第四个优点。

附图说明

图1a-1f示出了本实用新型若干实施例的包含不同形状的管且形成不同结构的一层的顶视图。

图2a和2b示出了放置于互相位移的两个层中的圆管的相互配置。

图3a示出了包含放置于形成在轻质介电材料的孔中的圆管的偶数层圆柱透镜的顶视图。

图3b示出了由轻质介电材料制成的奇数层圆柱透镜的顶视图。

图3c示出了由具有用于通风的孔的轻质介电材料制成的奇数层圆柱透镜的顶视图。

图3d示出了包含8个带圆管的层和9个不带管的层的圆柱透镜的横截面。

图3e示出了包含8个带圆管的层和9个带有用于通风的孔的层的圆柱透镜的横截面。

图3f示出了包含9个不带管的层和8个带圆管的层的圆柱透镜的横截面，其中层4、8、12和16从层2、6、10和14绕着圆柱的轴线转动30度。

图3g示出了放置于层2和4中的管的相互位置。

图4a和4b示出了本实用新型另一实施例，其中轻质介电材料的两个相邻层制成包含管1的整个零件5。

图5示出了包含形成提供不同Dk的三个区域的相等管的一层圆柱透镜。

图6示出了包含沿圆柱的半径放置的相等管的一层圆柱透镜。管之间的距离朝着圆柱(提供朝着圆柱边缘减少的Dk)边缘增加。

图7示出了包含具有三种不同直径并形成提供不同Dk的三个区域的管的一层圆柱透镜。

具体实施方式

本实用新型提供了轻质人工介电材料，其包括多个具有薄壁且放置于轻质介电材料中的短导电管。短导电管放置于层中。一个层包括一片包含多个孔的轻质介电材料。短导电管放置于形成在一片轻质介电材料中的孔中，且包含管中的空气。所述包含管的层由不含管的轻质介电材料的层分离。

这种结构延迟了通过的电磁波，且当导电管的尺寸远小于波长时，这种结构充当介电材料。

包含不同形状的管且形成不同结构的本实用新型的一些实施例在图1a-1f中示出。

图1a示出了包含成行放置的圆管的一个层的顶视图，其中设置于相邻行的管之间的距离和一行中相邻管之间的距离相等。

图1b示出了包含成行放置的圆管的一个层的顶视图，所述圆管位移了放置于一行的相邻管之间的距离的一半，且任意相邻管之间的距离相等。如果两种结构都具有相等的管间的间隙，这种配置相比图1a中的配置，提供了更大的Dk值。

图1c示出了包含成行放置的方管的一个层的顶视图，其中设置于相邻行的管之间的距离和一行中相邻管之间的距离相等。相比圆形的管，方形的管可以提供更大的Dk值，但是其重量也更大。

图1d示出了包含成行放置的方管的一个层的顶视图，所述方管位移了放置于一行的相邻管之间的距离的一半，且任意相邻管之间的距离相等。

图1e示出了包含管的一个层的顶视图，该管具有六边形的横截面并且放置于提供任何相邻管的任何边缘之间相等距离的位置。

图1f示出了包含具有八边形横截面的成行放置的管的一个层的顶视图，其中设置于相邻行的管之间的距离和一行相邻管之间的距离相等。

具有任何其它形状横截面的管也可以用于制造人工介电材料。只包含一种尺寸的管的人工介电材料最容易生产，但是对于有些申请来说，材料可以包含具有不同尺寸的管，以提供期望的介电性能。

图2a示出了包含如图1a所示放置的圆管的两个层的圆管，其中顶层沿着行并垂直于行位移了放置于一行的相邻管之间的距离的一半。

图2b示出了包含如图1b所示放置的圆管的两个层的顶视图，其中顶层沿着行位移了放置于一行的相邻管之间的距离的一半，并垂直于行位移了一个距离，从而放置于顶层的管的轴线和放置于底层的三个相邻管的轴线之间的距离相等。相邻层的位移降低了Dk对垂直于管轴线传播的电磁波的方向的依赖。

图3a-3g示出了由所提供的轻质人工介电材料制成的圆柱透镜的一些实施例。

图3a示出了包含放置于形成在一片圆形的轻质介电材料2的孔中的圆管1的偶数层的顶视图。管1包含其中的空气3。

图3b示出了由不带管的轻质介电材料制成的奇数层的顶视图。

图3c示出了由具有孔4(具有小于用于管的孔的直径)的轻质介电材料制成的奇数层的顶视图。

图3d示出了包含8个带有如图3a所示放置的圆管的层和9个不带有图3b所示管的层的圆柱透镜的横截面。

图3e示出了包含8个带有图3a所示圆管的层和9个带有图3c所示的孔4的层的圆柱透镜的横截面。孔4和管1形成了用于通风的竖向通道，因此高功率电磁波可通过由所提供的轻质介电材料制成的这种透镜聚焦。

图3f示出了包含8个带有图3a所示圆管的层和9个不带图3b所示管的层的圆柱的横截面。层4、8、12和16关于层2、6、10和14绕着圆柱的轴线转动30度。

图3g示出了放置于层2和4中的管的相互位置。

包含管的相邻层关于彼此转动30度，从而降低了Dk对沿垂直于圆柱轴线的方向跨越透镜的电磁波的方位角的依赖。

图4a和4b示出了本实用新型的另一实施例，其中轻质介电材料的两个相邻层制成包含管1的整个零件5。配套轻质介电材料的这种形状降低了介电零件的数量并简化了聚焦透镜的装配。

示出了形成一层圆柱透镜的短管的不同配置的本实用新型的其它实施例在图5-7中示出。

图5示出了具有形成提供不同Dk的三个区域的相等管的一个层。

第一个区域是位于中间的圆圈。第二个区域是接近圆全放置的第一个环。第三个区域是接近第一个环放置的第二个环。圆圈的管之间的距离小于第一个环的管之间的距离，且第一个环的管之间的距离小于第二个环的管之间的距离。因此，第一区域的Dk大于第二区域的Dk，且第二区域的Dk大于第三区域的Dk。

图6示出了具有径向放置的相等管的一个层。管之间的距离朝着圆柱(提供朝着圆柱边缘减少的Dk)的边缘增加。

图7示出了包含具有三种不同尺寸并形成提供不同Dk的三个区域的圆管的一个层。第一区域是位于中间的圆圈，且包含大尺寸的管。第二个区域是接近圆圈放置的第一个环，且包含中间尺寸的管。第三个区域是接近第一个环放置的第二个环，且包含小尺寸的管。圆圈的管之间的距离小于第一个环的管之间的距离，且第一个环的管之间的距离小于第二个环的管之间的距离。因此，第一区域的Dk大于第二区域的Dk，且第二区域的Dk大于第三区域的Dk。

将平面电磁波聚焦在一个焦点的聚焦透镜也可由具有不同直径的多层制成。在这种类型的透镜中，电磁波沿着成层放置的管的轴线传播。

Claims (18)

1.一种人工介电材料，包含多片堆积在一起且密度小于100kg/m³的泡沫介电材料，一片泡沫介电材料为一层，以及多个放置于所述多片泡沫介电材料中形成的孔中的短导电管，其中包含放置于所述孔中的所述短导电管的所述多片泡沫介电材料由不含所述短导电管的多片泡沫介电材料分离。

2.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中所述短导电管的横截面为圆形或多边形。

3.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中所述短导电管由铝制成。

4.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中所述短导电管通过将导电材料溅射在所述泡沫介电材料中形成的所述孔的壁上制成。

5.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中所述短导电管通过将导电材料化学沉积在所述泡沫介电材料中形成的所述孔的壁上制成。

6.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中所述短导电管的长度是其各自直径的0.2-5.0。

7.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中所述泡沫介电材料是发泡聚合物。

8.根据权利要求7所述的人工介电材料，其中不包含所述短导电管的所述多片发泡聚合物包含通过所述材料提供通风的孔。

9.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中包含所述短导电管的所述多片泡沫介电材料和不包含所述短导电管的所述多片泡沫介电材料制成含有短导电管的间隙的薄片，所述间隙设置在所述薄片的一个表面上。

10.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中放置于一层的所述短导电管形成一个方形结构，该方形结构提供设置于同一行或同一列的相邻管之间的相等距离。

11.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中放置于一层的所述短导电管形成蜂窝结构，该蜂窝结构提供任意相邻管之间的相等距离。

12.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中放置于偶数层的所述短导电管与放置于奇数层的所述短导电管设置于相同的纵轴线上。

13.根据权利要求1所述的人工介电材料，其中放置在偶数层的所述短导电管相对于放置在奇数层的所述短导电管沿着所述层位移。

14.一种圆柱聚焦透镜，由根据权利要求1-13任一项所述的人工介电材料制成。

15.一种圆柱聚焦透镜，由根据权利要求14所述的人工介电材料制成，其中放置于一层且具有相同尺寸的所述短导电管形成圆形的中间区域以及环绕所述中间区域的至少一个环形区域，所述环形区域中所述短导电管之间的距离大于所述中间区域中所述短导电管之间的距离。

16.一种圆柱聚焦透镜，由根据权利要求14所述的人工介电材料制成，其中偶数层和奇数层的所述短导电管绕着所述圆柱聚焦透镜的轴线彼此位移了30度，放置于一层且具有相同尺寸的所述短导电管形成圆形的中间区域以及环绕所述中间区域的至少一个环形区域，所述环形区域中所述短导电管之间的距离大于所述中间区域中所述短导电管之间的距离。

17.一种圆柱聚焦透镜，由根据权利要求14所述的人工介电材料制成，其中放置于一层的所述短导电管形成圆形的中间区域以及环绕所述中间区域的至少一个环形区域，所述环形区域中所述短导电管的直径小于所述中间区域中所述短导电管的直径。

18.一种圆柱聚焦透镜，由根据权利要求14所述的人工介电材料制成，其中放置于一层的所述短导电管径向设置，且所述短导电管之间的距离朝着所述透镜的外轮廓增加。

Images