一种具有匹配层的聚焦透镜的制作方法

1.本发明涉及一种由人造介电材料制成的用于电磁波的聚焦透镜。


背景技术：

2.现代移动通信市场需要多波束天线产生窄波束并在不同的频段上运行，而介电聚焦透镜是多波束天线的主要部件。通常来说，多波束天线包括与自由空间相匹配的龙伯(luneberg)透镜，因为这种透镜的介电常数ε根据公式ε＝2-(r/a)2自中心向外边缘逐渐减少，其中r是内部一点到透镜中心的距离，a是透镜的外侧半径。聚焦透镜的直径必须是通过透镜传播的电磁波的几个波长的长度，才能形成窄光束；因此，一些用于移动通信的多波束天线的透镜直径超过1米；这种由一般的介电材料制成的透镜太重了，因此人们发明了人造轻质介电材料来制造大型透镜。
3.例如，美国专利申请号9819094b2中描述了一种由轻质人造各向同性的介电材料制成的圆柱形透镜，其具有基本均匀的ε；在额定工作频率的自由空间中，当透镜的直径小于3个波长时，这种设计的透镜相比具有相同直径的龙伯透镜能提供更多的增益。因此，具有基本均匀的ε的各向同性的介电材料制成的相对小的透镜比提供相同增益的龙伯透镜要更小，但从这种透镜的外轮廓的电磁波的反射比从龙伯透镜的反射要大。美国专利申请号9780457b2中描述了一种改进的设计，将透镜与自由空间相匹配；这种透镜包括用于放置具有大致均匀ε的轻质各向同性的介电材料的多个隔间；填充在接近透镜中心的隔间里的介电材料相比填充在靠近透镜外轮廓的隔间里的介电材料，具有更大的ε；这种设计的透镜与自由空间的匹配度更高，但制造起来更复杂，而且提供的指向性也比具有均匀ε的透镜更差。
4.由各向异性介电材料制成的圆柱状透镜可以减少通过该圆柱状透镜的电磁波的去极化现象，并提高多波束天线的交叉极化率。
5.国际公开号wo/2022/093042a1以及pct国际申请号pct/nz2021/050182中描述了一种各向异性且适合制造圆柱状透镜的轻型人造介电材料。
6.一种人造介电材料，包括由介电材料制成的多个分层薄片和多个设置于所述介电材料制成的薄片上的孔中的导电元件；其中，每个所述导电元件大致呈管状，且沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙。
7.在pct国际申请号pct/nz2021/050182中描述的一种人造介电材料包含管状导电元件，其轴线的方向垂直于其所在分层或平行于其所在分层；由于管状导电元件的不同方向，这种材料提供了理想的各向异性，降低了由圆柱状透镜组成的天线的交叉极化水平。
8.聚焦射频波的透镜必须与自由空间很好地匹配，以提高回波损耗和多波束天线的隔离度，因此需要将新的人造介电材料制成的透镜与自由空间匹配。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种由轻质人造介电材料制成的聚焦透镜，其易于制造且能
更好地与自由空间相匹配。
10.本发明的第一个目的是为了克服由现有轻质介电材料制成的透镜的缺点，并提供一种与自由空间匹配度良好，且结构更紧凑的透镜。本发明的第二个目的是提供与自由空间匹配度良好的透镜，与已知的类似产品相比，其制造更简单。
11.本发明提供一种圆柱状聚焦透镜，其特征在于，包括一个天线罩和一种人造介电材料，所述人造介电材料包括设置于各个分层上的多个泡沫介电材料薄片以及设置于所述泡沫介电材料薄片中的多个管状导电元件；其中设置于所述泡沫介电材料薄片中的所述管状导电元件形成一个圆形和一个围绕所述圆形的圆环，所述圆环和所述圆形之间以及所述圆环与所述天线罩之间被不具有所述管状导电元件的环形的所述泡沫介电材料所分隔开；具有所述管状导电元件的所述泡沫介电材料被不具有所述管状导电元件的所述泡沫介电材料所分隔开。
12.具有所述管状导电元件的所述圆形形成了聚焦圆柱的其中一层。不具有管状导电元件的泡沫介电材料的两个圆环和具有管状导电元件的圆环形成了一种宽带变换器，其将含有管状导电元件的圆环与自由空间相匹配，管状导电元件形成的圆形可以设置为如pct/nz2021/050182中描述的任何结构形状。在一些工作频率低于1ghz且尺寸较大的透镜中，不具有管状导电元件的泡沫介电材料的环形可以用空气间隙替代，以使透镜更轻并节省泡沫介电材料。
13.在同一分层中形成所述圆形和所述圆环的所述管状导电元件的轴线可以均指向相同方向或者不同方向。
14.设置于不同分层的所述管状导电元件的轴线可以均指向相同方向或均指向不同方向。
15.设置于同一分层的所述管状导电元件的轴线可以均垂直于本分层或者均平行于本分层。
16.设置于同一分层中均平行于本分层所述管状导电元件的轴线，可以与相邻分层中均平行于该相邻分层的所述管状导电元件的轴线互相垂直。
17.构成宽带变换器的环的宽度取决于工作频段和天线罩的厚度，其中，天线罩是宽带变换器的外部部分。
18.设置于所述圆环和所述圆形之间的不具有所述管状导电元件的所述泡沫介电材料的环形宽度，可以是具有所述管状导电元件的所述圆环的宽度的0.3-1.0倍。设置于所述圆环和所述天线罩之间的不具有所述管状导电元件的所述泡沫介电材料的环形宽度，可以是具有所述管状导电元件的所述圆环的宽度的1.5-3.0倍。
19.相邻分层上的管状导电元件可以沿相同轴线层叠放置，或者也可以互相错开且具有不同的轴线。
20.管状导电元件的轴线可以设置为具有不同的朝向，一些管状导电元件的轴线与其所在的分层垂直，另一些管状导电元件的轴线与其所在的分层平行，管状导电元件的与其所在分层平行的轴线可以被设置为互相垂直的，因此，管状导电元件的轴线具有三种互相正交的指向。因此，匹配层的介电性能对穿越材料的电磁波的方向和极化的依赖性更小。
21.放置在同一分层的管状导电元件的轴线可以具有相同或不同的指向，互相层叠放置的各个包含管状导电元件的分层可以具有相同或不同的结构形状。
22.由所提供的变换器组成的透镜不包含额外的元件，因此与已知的类似物相比，其制造更简单。这类变换器可用于匹配其他种类的聚焦透镜。
附图说明
23.根据本发明的圆柱状透镜的几个实施例，在下面的图中仅以举例的方式进一步描述本发明，其中：
24.图1a和图1b示出了圆柱形透镜的第一分层的俯视图和相应的横截面a-a，其中形成圆形的管状导电元件被布置成六边形结构形状，管状导电元件的轴线均与本分层垂直；
25.图1c和图1d示出了圆柱状透镜的第二分层的俯视图和相应的横截面a-a，其中形成圆形的管状导电元件被布置成六边形结构形状，管状导电元件的轴线与本分层平行且与横截面a-a平行；
26.图1e和图1f示出了圆柱状透镜的第三分层的俯视图和相应的横截面a-a，其中形成圆形的管状导电元件被布置成六边形结构形状，管状导电元件的轴线与本分层平行且与横截面a-a垂直；
27.图1g示出了由图1a-图1f所示的由三十六个分层组成的圆柱状透镜的横截面a-a，且由不具有管状导电元件的泡沫介电材料分层隔开，这种透镜是由三种不同分层组装而成的；
28.图2a图解说明了通过图1a-图1g所示透镜的平面电磁波的反射；
29.图2b示出了由天线罩、不具有导电管状元件的泡沫介电材料的圆环和具有导电管状元件的圆环共同形成的匹配变换器的归化阻抗；
30.在其他应用中，同一分层中的管状导电元件可以形成其他的结构形状，透镜也可以包含其他数量的不同分层；图3a-图3e示出了由两种不同的分层组成的圆柱状透镜，其中每一分层包括多个放置呈圆周分布的管状导电元件，其轴线具有两个正交的方向；
31.图3a和图3b示出了第五分层的顶视图和相应的a-a截面图，形成奇数圈圆周的管状导电元件的轴线与本分层平行且与本圆周平行，形成偶数圈圆周的管状导电元件的轴线与本分层垂直；
32.图3c和图3d示出了第六分层的顶视图和相应的a-a截面图，形成奇数圈圆周的管状导电元件的轴线与本分层平行且与本圆周垂直，形成偶数圈圆周的管状导电元件的轴线是与本分层垂直；
33.图3e示出了圆柱状透镜的横截面a-a，该透镜包括图3a-图3d所示的二十四个分层，并由不具有管状导电元件的泡沫介电材料分层隔开。
具体实施方式
34.附图提供了几个示例性的实施方案，这些方案是由含有管状导电元件的轻质人造介电材料制成的圆柱状透镜，以及管状介电元件的排列方式从而使透镜与自由空间相匹配。
35.本发明的第一个实施例，如图1a-图1g所示，是由三种不同的分层组装成的圆柱状透镜。
36.图1a和图1b示出了圆柱形透镜的第一分层1的俯视图和相应的横截面a-a，其中布置在第一圆周5内的管状导电元件11被布置成六边形结构形状，管状导电元件11的轴线与本分层垂直，且与横截面a-a平行。布置在第二圆周6和第三圆周7之间的管状导电元件11被设置在两圆周形成的第二圆环8上，该第二圆环8设置在第一圆周5和天线罩9之间，并且，不具有管状导电元件11的泡沫介电材料形成的第一圆环10和第三圆环12使它们被分隔开。管状导电元件11的轴线与本分层垂直，且与横截面a-a平行。细介电棒13穿过所有的分层，且将组成透镜的所有分层的相对位置进行固定。
37.图1c和图1d示出了圆柱状透镜的第二分层2的俯视图和相应的横截面a-a，其中布置在第一圆周5内的管状导电元件11被布置成六边形结构形状，管状导电元件11的轴线与本分层平行，且与横截面a-a平行。布置在第二圆周6和第三圆周7之间的管状导电元件11被设置在两圆周形成的第二圆环8上，该第二圆环8设置在第一圆周5和天线罩9之间，并且，不具有管状导电元件11的泡沫介电材料形成的第一圆环10和第三圆环12使它们被分隔开。管状导电元件11的轴线与本分层平行，且与横截面a-a平行。
38.图1e和图1f示出了圆柱状透镜的第三分层3的俯视图和相应的横截面a-a，其中布置在第一圆周5内的管状导电元件11被布置成六边形结构形状，管状导电元件11的轴线与本分层平行，且与横截面a-a垂直。布置在第二圆周6和第三圆周7之间的管状导电元件11被设置在两圆周形成的第二圆环8上，该第二圆环8设置在第一圆周5和天线罩9之间，并且，不具有管状导电元件11的泡沫介电材料形成的第一圆环10和第三圆环12使它们被分隔开。管状导电元件11的轴线与本分层平行，且与横截面a-a垂直。
39.图1g示出了圆柱状透镜的横截面a-a，所述透镜包括图1a-图1f所示的具有管状导电元件11的多个分层，且所述多个分层被不具有管状导电元件11的泡沫介电材料的第四分层4所分隔。这些分层叠在一起形成十二个第一组件14，提供了理想的各向异性的特性。相比从天线罩9和第一圆周5内的反射，由于第二圆环8、第一圆环10和第三圆环12对反射穿过透镜的电磁波有不同的ε值，因此这种透镜提供了与自由空间更好的匹配度。来自第二圆环8、第一圆环10和第三圆环12的额外反射抑制了来自天线罩9和第一圆周5内的反射，使透镜与自由空间相匹配。提供最佳匹配度的第二圆环8、第一圆环10和第三圆环12的宽度取决于额定工作频率和天线罩9的厚度以及它的ε值。
40.图2a示出了通过天线罩9和对透镜轴线具有不同ε值的第二圆环8、第一圆环10和第三圆环12的平面电磁波的多次反射。介电材料分层的阻抗与自由空间的阻抗归化为因此，平面电磁波从介电材料分层的反射可以计算为从具有不同的z和长度的传输线的重要连接部分的反射。图2b示出了具有外侧半径r的天线罩9和第二圆环8、第一圆环10和第三圆环12的阻抗。
41.表1包含形成变换器的圆环的宽度w和ε，用于由人造介电材料制成的透镜，其ε＝2.0，放置在第一圆周5内。厚度为3毫米、ε＝4.3的天线罩9是变换器的外部部分。
42.表1
[0043][0044]
表2包含了重要连接的传输线模拟了匹配的变换器的电气长度和归化阻抗z。
[0045]
表2
[0046][0047]
计算出的变换器在0.5-1.0ghz的宽频段提供了电压驻波比vswr＝1.06，因此这种方式可以应用于宽频多波束天线的不同透镜的匹配，包括现代移动通信基站所用的透镜。
[0048]
如图1a、图1c或图1e中所示，第二圆环8、第一圆环10和第三圆环12以及第一圆周5内均是在整个圆形薄片的泡沫介电材料的孔中布满管状导电元件11而形成的。本文提供的将透镜与自由空间相匹配的方式不需要像美国专利申请号9780457b2所述的具有多个隔间的复杂天线罩，因此匹配的透镜的制造成本与由具有基本均匀ε的轻质人造介电材料制成的透镜相同。第二圆环8、第一圆环10和第三圆环12与天线罩9一起形成了一个宽频变换器，其长度小于通常的变换器，该变换器由具有不同阻抗和相等长度的部分组成，该长度等于在额定工作频率的自由空间中的四分之一波长。因此，相比提供相同增益的透镜，本发明的透镜具有更小的直径，其中ε向透镜外轮廓的方向平滑地减少。
[0049]
实施例二
[0050]
放置在同一分层的管状导电元件11可以形成其他的结构形状，透镜也可以包括其他数量的不同分层。例如，图3a-图3e示出了由两种不同分层组装而成的一种圆柱状透镜，其中每一分层包括多个布置在圆形内呈圆周排布的管状导电元件，且他们的轴线都具有两个互相正交的方向。
[0051]
图3a和图3b示出了第五分层50的俯视图和其相应的横截面a-a，其中，放置在第一圆周5内的管状导电元件11被排列为向日葵的结构形状。形成奇数圈圆周的管状导电元件11的轴线与本分层平行且与第一圆周5平行，形成偶数圈圆周的管状导电元件11的轴线均与本分层垂直；布置在第二圆周6和第三圆周7之间的管状导电元件11被设置在两圆周形成的第二圆环8上，该第二圆环8设置在第一圆周5和天线罩9之间，并且，不具有管状导电元件11的泡沫介电材料形成的第一圆环10和第三圆环12使它们被分隔开。管状导电元件11的轴线均与本分层平行且与第一圆周5平行，管状导电元件11的轴线均与本分层垂直；细介电棒13穿过所有分层，并将形成透镜的各个分层的相对位置进行固定。
[0052]
图3c和图3d示出了第六分层60的俯视图和其相应的横截面a-a，其中，放置在第一圆周5内的管状导电元件11被排列为向日葵的结构形状。形成奇数圈圆周的管状导电元件11的轴线与本分层平行且与第一圆周5垂直，形成偶数圈圆周的管状导电元件11的轴线均
与本分层垂直；布置在第二圆周6和第三圆周7之间的管状导电元件11被设置在两圆周形成的第二圆环8上，该第二圆环8设置在第一圆周5和天线罩9之间，并且，不具有管状导电元件11的泡沫介电材料形成的第一圆环10和第三圆环12使它们被分隔开；管状导电元件11的轴线均与本分层平行且与第一圆周5垂直，管状导电元件11的轴线均与本分层垂直。
[0053]
图3e示出了圆柱状透镜的横截面a-a，该透镜包括如图3a-图3b所示的分层，也包括如图3c-图3d所示的分层其被不具有管状导电元件11的泡沫介电材料的第七分层70隔开。这些分层叠在一起形成十二个第二组件44，提供了理想的各向异性的特性。
[0054]
相比从天线罩9和第一圆周5内的反射，由于第二圆环8、第一圆环10和第三圆环12对反射穿过透镜的电磁波有不同的ε值，因此这种透镜提供了与自由空间更好的匹配度。来自第二圆环8、第一圆环10和第三圆环12的额外反射抑制了来自天线罩9和第一圆周5内的反射，并改善了透镜与自由空间的匹配度。提供最佳匹配度的第二圆环8、第一圆环10和第三圆环12的宽度取决于额定工作频率和天线罩9的厚度以及它的ε值。
[0055]
通过提供的方式与自由空间相匹配的一组聚焦透镜不仅限于上述实施例，透镜也可以由管状导电元件形成的其他结构形状构成。例如，形成每一分层的管状导电元件可以指向三个互相正交的方向，形成匹配的变换器的环形布置的管状导电元件也可以包含具有三个互相正交方向轴线的管状导电元件，这种透镜可以只包括一种类型的分层。
[0056]
应该理解的是，如果这里提到了任何公开的现有技术，这种参考并不构成承认该公开构成任何国家本领域常见常识的一部分。

技术特征：
1.一种圆柱状聚焦透镜，其特征在于，包括一个天线罩和一种人造介电材料，所述人造介电材料包括设置于各个分层上的多个泡沫介电材料薄片以及设置于所述泡沫介电材料薄片中的多个管状导电元件；其中设置于所述泡沫介电材料薄片中的所述管状导电元件形成一个圆形和一个围绕所述圆形的圆环，所述圆环和所述圆形之间以及所述圆环与所述天线罩之间被不具有所述管状导电元件的环形的所述泡沫介电材料所分隔开。2.根据权利要求1所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，具有所述管状导电元件的所述泡沫介电材料被不具有所述管状导电元件的所述泡沫介电材料所分隔开。3.根据权利要求1所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，形成所述圆形和所述圆环的所述管状导电元件的轴线均指向相同方向。4.根据权利要求1所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，设置于不同分层的所述管状导电元件的轴线均指向不同方向。5.根据权利要求1所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，设置于同一分层的所述管状导电元件的轴线均与本分层垂直。6.根据权利要求1所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，设置于同一分层的所述管状导电元件的轴线均与本分层平行。7.根据权利要求1所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，设置于同一分层中均与本分层平行的所述管状导电元件的轴线，与另一分层中均与该另一分层平行的所述管状导电元件的轴线互相垂直。8.根据权利要求1-7中任一项所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，设置于所述圆环和所述圆形之间的不具有所述管状导电元件的所述泡沫介电材料的环形宽度，是具有所述管状导电元件的所述圆环的宽度的0.3-1.0倍。9.根据权利要求1-7中任一项所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，设置于所述圆环和所述天线罩之间的不具有所述管状导电元件的所述泡沫介电材料的环形宽度，是具有所述管状导电元件的所述圆环的宽度的1.5-3.0倍。

技术总结
本文提供一种圆柱状聚焦透镜，其包括一个天线罩和一种人造介电材料，所述人造介电材料包括设置于各个分层上的多个泡沫介电材料薄片以及设置于所述泡沫介电材料薄片中的多个管状导电元件；其中设置于所述泡沫介电材料薄片中的所述管状导电元件形成一个圆形和一个围绕所述圆形的圆环，所述圆环和所述圆形之间以及所述圆环与所述天线罩之间被不具有所述管状导电元件的环形的所述泡沫介电材料所分隔开。本发明提供的圆柱状聚焦透镜克服了由现有轻质介电材料制成的透镜的缺点，并提供一种与自由空间匹配度良好，且结构更紧凑的透镜，且其制造更简单。且其制造更简单。且其制造更简单。


技术研发人员：李梓萌
受保护的技术使用者：广州司南技术有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/21