一种柱体状电磁波透镜的制备方法与流程

本发明涉及通信设备生产领域，更具体地说，涉及一种用于控制电磁波传播方向及控制电磁波的波瓣边界形状的柱体状透镜的制备方法。

背景技术：

电磁波透镜是一种能够对电磁波起到汇聚作用的无源装置。其中一种电磁波透镜的结构形式便是著名的龙伯透镜。

天线振子结合龙伯透镜可被制成龙伯透镜天线，龙伯透镜天线具有旁瓣和后瓣小，方向图好、增益高、无需复杂运算等优点，而这些优点在天线振子是运行在高频度时，譬如目前的5g通讯频段甚至是日后的6g通信频段时，其所能够达到的效果甚至是massivemimo(大规模多入多出)方式所不能达到的。

传统的龙伯透镜，是一个球形的多面折射透镜，包括内核体和包裹于内核体外侧的若干介质层，由内核体至最外层的介质层，各层的介电常数越来越小，因此制备时需要根据各层介电常数的要求而采用不同的材料、逐层准备。常用的制备方法是，在内核体外侧喷胶，然后将介质层材料黏合在胶层上，逐层喷胶逐层覆盖；但是这样的制备方法，容易使黏胶材料影响介质层的介电常数。

传统的龙伯透镜虽然有比较好的垂直方向图和水平方向图，但其波束的横截面的轮廓形状理论上为圆形，于是在使用多个龙伯透镜天线的信号来覆盖某片场地时，这些龙伯透镜天线的信号不可避免地需要进行较大面积的交叠，才能确保目标场地没有“盲区”，这相当于需要使用较多的龙伯透镜天线才能确保目标场地没有“盲区”，这无疑是增加了建设成本。

为此，我公司此前研发了一款柱体状的电磁波透镜，经过该透镜的波束的横截面的轮廓形状近似于矩形或正方形，这样可用最少的透镜天线来实现无盲区的信号覆盖。该电磁波透镜是由柱体的内核体和若干个包裹于内核体外侧的介质层构成的，其内核体至最外层的介质层，也是各层的介电常数越来越小。因此该电磁波透镜的制备也可以采用传统逐层喷胶逐层黏合介质材料的方式，但同样地存在黏胶材料影响介质层的介电常数变化的问题。

因此，需要设计一种制备柱体状电磁波透镜的工艺方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种柱体状电磁波透镜的制备方法，使其工艺流程简化、易于操作、并且不会影响透镜内若干介质层的介电常数。

采用以下的技术方案：

一种柱体状电磁波透镜的制备方法，用于制备含有内核体、以及若干个包裹于所述内核体外侧的介质层的电磁波透镜；而且由所述内核体至最外层的介质层，各层的介电常数是递减的；

所述制备方法为：至少采用了一个一侧敞口的空心柱状体外模具以及若干种介电常数各异的填充材料；制备时，依填充材质的介电常数从低至高，先将介电常数最低的填充介质先沿外模具的各内壁铺设，形成最外侧介质层的底面和侧面；然后沿上一层填充介质的内侧壁再铺设介电常数次低的填充介质，依次类推直至铺设完成所述若干个介质层的底面和侧面；然后将介电常数最高的填充介质填充在最内层并形成实心柱体，即所述内核体；然后再由内至外，依次铺设所述若干个介质层的顶面，即可。

该制备方法具体地包括以下步骤：

1)设定透镜在内核体的外侧一共设有n个介质层；并设定透镜从外至内依次为第一介质层、第二介质层、……、第n介质层、内核体；

其中，省略号表示按自然数排序编号的介质层；一般情况下n≥3；当n＝1时，透镜仅第一介质层、内核体；当n＝2时，透镜仅包括第一介质层、第二介质层、内核体；

2)采用一侧敞口的空心柱状体容器作为外模具；

采用若干种介电常数各异的材料作为填充介质，所述填充介质按照介电常数从低到高依次排列并定义为第一填充介质、第二填充介质、……、第n填充介质、内核体填充介质；

其中，省略号表示按自然数排序编号的填充介质；所述的若干种介电常数各异的材料，具体应是n+1种；n的取值情况与步骤1)的相同；

3)采用所述第一填充介质沿所述外模具的内壁铺填，形成顶部敞口的空心柱状体，即形成所述第一介质层的底面和侧面；然后采用所述第二填充介质沿所述第一介质层的内壁铺填，形成体积稍小的顶部敞口的空心柱状体，即形成所述第二介质层的底面和侧面；

依照上述的操作，并按照步骤2)填充介质的排序，依次由外至内铺填介电常数由低至高的填充介质；直至铺填完第n介质层的底面和侧面后，将所述内核体填充介质填充在第n介质层的内腔中，并使内核体填充介质形成实心柱体形状，即所述内核体；

4)在所述内核体及第n介质层的顶部，采用第n填充介质补充铺填第n介质层的顶面；依照该操作，依次由内至外填充介电常数由高至低的填充介质，铺设每个所述介质层的顶面，使每个所述介质层成为闭合的空心柱状体；即可；

其中，所述的n为非零自然数。

进一步地，在铺填各介质层的侧面时，最好还使用用于辅助填充的内模具，所述内模具有若干个，且大小各异，每个所述的内模具均为环形空心的柱筒状，每个所述的内模具沿其轴向的两个相对的侧面均为敞口贯通的。

按照上述内模具的体积从大到小依次排列为第一内模具、第二内模具、……、第n内模具；所述第一内模具的体积小于所述外模具的体积；使用时，先所述第一内模具设置于所述外模具的内腔中，所述第一内模具与外模具之间形成的空隙用于填充第一填充介质、形成所述第一介质层的侧面；所述第二内模具设置于所述第一内模具的内腔中，所述第二内模具与第一内模具之间形成的空隙用于填充第二填充介质、形成所述第二介质层的侧面；按照操作步骤为先填充同一介质层的底面、再套设相应的内模具、然后填充该介质层的侧面，依次类推，按照内模具的体积从大到小，依次填充一个介质层的侧面时套设一个内模具。其中，省略号表示按自然数排序编号的内模具，n的取值情况与上述步骤1)的相同。

进一步地，填充介质为颗粒状材料，所述颗粒状材料是立方体状或球状或圆柱状。所述的颗粒材料的结构为，在非金属材料中混入颗粒状或纤维状的金属导体；优选地，所述非金属材料为发泡材料，发泡材料质地轻且绝缘性佳，隔绝其内部的金属导体导通，使颗粒材料的介电常数可控。不同介电常数的材料，主要是通过调整发泡材料与金属导体的比例而得的。

优选地，透镜最外层即所述第一介质层的介电常数为1～1.2，透镜的内核体的介电常数为1.7～2.3。透镜内的介质层的总数量，即n的取值范围优选在3～20之间。

进一步地，所述外模具的介电常数也为1～1.2。填充完各个介质层后，内模具是抽离外模具的，外模具是保持各介质层形状的，在填充完整个透镜后，只需盖合上外模具的敞口侧即可。

进一步地，所述外模具的内腔可以是长方体或正方体状，即最终制得的透镜的形状是长方体或正方体的；外模具的内腔的长、宽、高的尺寸，即最终成型的透镜的长、宽、高尺寸可以分别是1000mm～150mm。优选地，以便于制作各个面的辐射常数均一的透镜，需保持同一介质层的各侧壁厚度是一致的、且各位点所填充的填充介质为均匀的，优选各个内模具是等比例缩放而制得的，且内模具的长宽高比例与外模具内腔的长宽高比例是一致的。

通过该制备方法，制得的电磁波透镜可以是圆柱体状的、四方体状、或其他多面柱状体形状的。

本发明的技术优势在于：无须采用黏胶等物质，依次从透镜的外层至内层逐层填充，既保证了各介质层的厚度、材料填充均匀度，也能防止黏胶等物质对介质层的介电常数造成的影响；而且该制备方法高效、方便。

附图说明

图1为实施例1的电磁波透镜的示意图；

图2为实施例1的电磁波透镜在制备过程中的z轴向剖视图；

图3为实施例1的电磁波透镜x轴向剖视图，图中的(1)、(2)……(16)为填充介质的填充顺序；

图4为实施例2的电磁波透镜的示意图；

图5为实施例2的电磁波透镜在制备过程中的z轴向剖视图；

图6为实施例2的电磁波透镜y轴向剖视图，图中的(1)、(2)……(13)为填充介质的填充顺序；

图7为实施例3的电磁波透镜的示意图；

图8为实施例3的电磁波透镜在制备过程中的z轴向剖视图；

图9为实施例3的电磁波透镜x轴向剖视图，图中的(1)、(2)……(10)为填充介质的填充顺序。

具体实施方式

以下结合实施例和附图，具体说明本发明可实施的方案，但本发明的保护范围不仅限于具体实施例的阐述，通过其他同等技术手段或等同置换获得的与本发明具有相同或近似功能的技术结构，也应属于本发明的保护范围内。

实施例1

如图1所示，为立方体状的电磁波透镜1，该立方体状的电磁波透镜1为正方体，其长宽高均相等，定义其变成为l。

如图1～3所示，该立方体状的电磁波透镜1的最内层为实心的立方体状的内核体26，内核体26的外侧依次包裹着5个均为空心立方体状的介质层，即分别为最外层的第一介质层21，以及由第一介质层21向内依次排列的第二介质层22、第三介质层23、第四介质层24、第五介质层25，该5个介质层是一层紧包裹于另一层的外侧地设置。

立方体状的电磁波透镜1，由第一介质层21往内至内核体26，每层的介电常数均不同。最外层的第一介质层21的介电常数最低，约为1～1.2；往内依次递增，内核体26的介电常数最高，约为1.7～2.3。

制备该种立方柱体状的电磁波透镜，是通过以下方法：

步骤1)，首先，预设定所需制得的电磁波透镜的尺寸大小以及介质层结构。

本实施例预设所需制得的电磁波透镜为长宽高均为l0正方体；内核体26的外侧包裹有5个介质层。设定第一介质层21的厚度为t1，第二介质层22的厚度为t2、第三介质层23的厚度为t3、第四介质层24的厚度为t4、第五介质层25的厚度为t5，内核体26是长宽高均为t6的正方体。

于是需采用一个顶部敞口的空心立方体器皿作为外模具10，外模具10的内腔长宽高均为l0；

采用5个大小各异的环形空心立方状柱筒作为内模具，内模具根据体积由大到小依次定义为第一内模具11、第二内模具12、第三内模具13、第四内模具14、第五内模具15；每个内模具均为沿其轴向的两个相对的侧面均为敞口的。

忽略内模具的厚度误差，其中：第一内模具11内腔的长、宽、高均为l1＝l0-2×t1；第二内模具12内腔的长、宽、高均为l2＝l1-2×t2；第三内模具13内腔的长、宽、高均为l3＝l2-2×t3；第四内模具14内腔的长、宽、高均为l4＝l3-2×t4；第五内模具15内腔的长、宽、高均为l5＝l4-2×t4＝t6。需说明的是，一般为了便于操作时抽放内模具，内模具的高度一般应高于上述计算所得，本实施例为了使本领域技术人员便于查看图纸和了解技术方案，于是采用了内模具的长宽高均等的计算方式。

采用了6中介电常数各异的颗粒状材料作为填充介质，填充介质根据介电常数从低到高依次定义为第一填充介质、第二填充介质、第三填充介质、第四填充介质、第五填充介质、以及内核体填充介质，其中第一填充介质的介电常数为1～1.2，内核体填充介质的介电常数为1.7～2.3。

根据介质层数量以及各介质层的介电常数的设计，预先计算各介质层应铺设的厚度；则：

步骤2)，如图3所示，按照图3中标示的(1)至(11)作为填充步骤的顺序，由外至内逐层填充各介质层的底面和侧面：

(1)：先在外模具10的底部填充t1厚度的第一填充介质；(2)：将第一内模具11竖直置于外模具10内，使第一内模具11的侧壁与外模具10的侧壁互相平行且四面均保持t1的垂直间距，往第一内模具11与外模具10之间的空隙载入第一填充介质，填充的高度不超过第一介质层预设的高度；则形成第一介质层21的底面和侧面。

(3)：在第一内模具11的内腔底部填充t2厚度的第二填充介质；(4)：将第二内模具12竖直置于第一内模具11内，使第二内模具12的侧壁与第一内模具11的侧壁互相平行且四面均保持t2的垂直间距，往第二内模具12与第一内模具11之间的空隙载入第二填充介质，填充的高度不超过第二介质层预设的高度；则形成第二介质层22的底面和侧面。

(5)：在第二内模具12的内腔底部填充t3厚度的第三填充介质；(6)：将第三内模具13竖直置于第二内模具12内，使第三内模具13的侧壁与第二内模具12的侧壁互相平行且四面均保持t3的垂直间距，往第三内模具13与第二内模具12之间的空隙载入第三填充介质，填充的高度不超过第三介质层预设的高度；则形成第三介质层23的底面和侧面。

(7)：在第三内模具13的内腔底部填充t4厚度的第四填充介质；(8)：将第四内模具14竖直置于第三内模具13内，使第四内模具14的侧壁与第三内模具13的侧壁互相平行且四面均保持t4的垂直间距，往第四内模具14与第三内模具13之间的空隙载入第四填充介质，填充的高度不超过第四介质层预设的高度；则形成第四介质层24的底面和侧面。

(9)：在第四内模具14的内腔底部填充t5厚度的第五填充介质；(10)：将第五内模具15竖直置于第四内模具14内，使第五内模具15的侧壁与第四内模具14的侧壁互相平行且四面均保持t5的垂直间距，往第五内模具15与第四内模具14之间的空隙载入第五填充介质，填充的高度不超过第五介质层预设的高度；则形成第五介质层25的底面和侧面。

(11)：在第五内模具15的内腔内核体填充介质，填充高度为t6，使其形成长宽高均为t6的柱体，即为内核体26。

步骤3)如图3所示，按照图3中标示的(12)至(16)作为填充步骤的顺序，由内至外逐层覆盖各介质层的顶面：

(12)：从外模具10的上方竖直地抽出第五内模具15，然后在内核体26以及第五介质层25的侧面的上方均匀地铺设第五填充介质，使其厚度为t5；即完成第五介质层25的填充。

(13)：从外模具10上方竖直地抽出第四内模具14，然后在及第五介质层25以及第四介质层24的侧面的上方均匀地铺设第四填充介质，使其厚度为t4；即完成第四介质层24的填充。

(14)：从外模具10上方竖直地抽出第三内模具13，然后在及第四介质层24以及第三介质层23的侧面的上方均匀地铺设第三填充介质，使其厚度为t3；即完成第三介质层23的填充。

(15)：从外模具10上方竖直地抽出第二内模具12，然后在及第三介质层23以及第二介质层22的侧面的上方均匀地铺设第二填充介质，使其厚度为t2；即完成第二介质层22的填充。

(16)：从外模具10上方竖直地抽出第一内模具11，然后在及第二介质层22以及第一介质层21的侧面的上方均匀地铺设第一填充介质，使其厚度为t1；即完成第一介质层21的填充。

即可。

实施例2

如图4、5所示，本实施例最终所制得的是圆柱体状的电磁波透镜3，该圆柱体状的电磁波透镜3的最内层为实心圆柱体状的内核体45，内核体45的外侧依次包裹着4个均为空心圆柱体状的介质层，即分别为最外层的第一介质层41，以及由第一介质层41向内依次排列的第二介质层42、第三介质层43、第四介质层44，该4个介质层是一层紧包裹于另一层的外侧地设置。

圆柱体状的电磁波透镜3，由第一介质层41往内至内核体45，介电常数是逐层递增的。最外层的第一介质层41的介电常数最低，约为1～1.2；内核体45的介电常数最高，约为1.7～2.3。

制备该种圆柱体状的电磁波透镜的方法是：

首先，采用一个顶部敞口的空心圆柱体状的容器作为外模具30；

采用4个大小各异的环形空心圆柱筒作为内模具，根据各个内模具的体积由大到小依次定义为第一内模具31、第二内模具32、第三内模具33、第四内模具34，每个内模具均为沿其轴向的两个相对的侧面均为敞口的；

采用5种介电常数各异的颗粒状材料作为填充介质，填充介质根据介电常数从低到高依次定义为第一填充介质、第二填充介质、第三填充介质、第四填充介质、以及内核体填充介质，其中第一填充介质的介电常数为1～1.2，内核体填充介质的介电常数为1.7～2.3。

如图6标示的(1)至(13)是制作过程的步骤顺序，以下分步详述：

(1)先在外模具30的底部填充第一填充介质；(2)：将第一内模具31竖直置于外模具30内，使第一内模具31的侧壁与外模具30的侧壁互相平行且两者之间的垂直间距保持均匀一致，往第一内模具31与外模具30之间的空隙填充入第一填充介质，填充的高度不超过第一介质层预设的高度；则形成第一介质层41的底面和侧面。

(3)在第一内模具31的内腔底部填充第二填充介质；(4)：将第二内模具32竖直置于第一内模具31内，使第二内模具32的侧壁与第一内模具31的侧壁互相平行且两者之间的垂直间距保持均匀一致，往第二内模具32与第一内模具31之间的空隙填充入第二填充介质，填充的高度不超过第二介质层预设的高度；则形成第二介质层42的底面和侧面。

(5)：在第二内模具32的内腔底部填充第三填充介质；(6)：将第三内模具33竖直置于第二内模具32内，使第三内模具33的侧壁与第二内模具32的侧壁互相平行且两者之间的垂直间距保持均匀一致，往第三内模具33与第二内模具32之间的空隙填充入第三填充介质，填充的高度不超过第三介质层预设的高度；则形成第三介质层43的底面和侧面。

(7)：在第三内模具33的内腔底部填充第四填充介质；(8)：将第四内模具34竖直置于第三内模具33内，使第四内模具34的侧壁与第三内模具33的侧壁互相平行且两者之间的垂直间距保持均匀一致，往第四内模具34与第三内模具33之间的空隙填充入第四填充介质，填充的高度不超过第四介质层预设的高度；则形成第四介质层44的底面和侧面。

(9)：在第四内模具34的内腔内核体填充介质，填充高度为内核体预设高度，使形成实心圆柱体状的内核体45。

(10)：从外模具30的上方竖直地抽出第四内模具34，然后在内核体45以及第四介质层44的侧面的上方均匀地铺设第四填充介质，使第四介质层44完全包裹于内核体45的外周，即完成第四介质层44的填充。

(11)：从外模具30的上方竖直地抽出第三内模具33，然后在第四介质层44以及第三介质层43的侧面的上方均匀地铺设第三填充介质，使第三介质层43完全包裹于第四介质层44的外周，即完成第三介质层43的填充。

(12)：从外模具30的上方竖直地抽出第二内模具32，然后在第三介质层43以及第二介质层42的侧面的上方均匀地铺设第二填充介质，使第二介质层42完全包裹于第三介质层43的外周，即完成第二介质层42的填充。

(13)：从外模具30的上方竖直地抽出第一内模具31，然后在第二介质层42以及第一介质层41的侧面的上方均匀地铺设第一填充介质，使第一介质层41完全包裹于第二介质层42的外周，即完成第一介质层41的填充。

最后，将外模具30的敞口侧顶部采用介电常数与第一介质层41的介电常数相同的材料封口，即可。

实施例3

如图7、8所示，本实施例最终所制得的是六面柱状体的电磁波透镜5，该六面柱状体的电磁波透镜5的最内层为实心六面柱体状的内核体64，内核体64的外侧依次包裹着3个均为空心六面体状的介质层，即分别为最外层的第一介质层61，以及由第一介质层61向内依次排列的第二介质层62、第三介质层63，该3个介质层是一层紧包裹于另一层的外侧地设置。

六面柱状体的电磁波透镜5，由第一介质层61往内至内核体64，介电常数是逐层递增的。最外层的第一介质层61的介电常数最低，约为1～1.2；内核体64的介电常数最高，约为1.7～2.3。

制备该种六面柱状体的电磁波透镜的方法是：

首先，采用一个顶部敞口的空心六面柱体状的容器作为外模具50；

采用3个大小各异的环形空心六面柱筒作为内模具，根据各个内模具的体积由大到小依次定义为第一内模具51、第二内模具52、第三内模具53，每个内模具均为沿其轴向的两个相对的侧面均为敞口的；

采用4种介电常数各异的颗粒状材料作为填充介质，填充介质根据介电常数从低到高依次定义为第一填充介质、第二填充介质、第三填充介质、以及内核体填充介质，其中第一填充介质的介电常数为1～1.2，内核体填充介质的介电常数为1.7～2.3。

如图9标示的(1)至(10)是制作过程的步骤顺序，以下分步详述：

(1)先在外模具50的底部填充第一填充介质；(2)：将第一内模具51竖直置于外模具50内，使第一内模具51的侧壁与外模具50的侧壁互相平行且两者之间的垂直间距保持均匀一致，往第一内模具51与外模具50之间的空隙填充入第一填充介质，填充的高度不超过第一介质层预设的高度；则形成第一介质层61的底面和侧面。

(3)在第一内模具51的内腔底部填充第二填充介质；(4)：将第二内模具52竖直置于第一内模具51内，使第二内模具52的侧壁与第一内模具51的侧壁互相平行且两者之间的垂直间距保持均匀一致，往第二内模具52与第一内模具51之间的空隙填充入第二填充介质，填充的高度不超过第二介质层预设的高度；则形成第二介质层62的底面和侧面。

(5)：在第二内模具52的内腔底部填充第三填充介质；(6)：将第三内模具53竖直置于第二内模具52内，使第三内模具53的侧壁与第二内模具52的侧壁互相平行且两者之间的垂直间距保持均匀一致，往第三内模具53与第二内模具52之间的空隙填充入第三填充介质，填充的高度不超过第三介质层预设的高度；则形成第三介质层63的底面和侧面。

(7)：在第三内模具53的内腔内核体填充介质，填充高度为内核体预设高度，使形成实心六面柱体状的内核体64。

(8)：从外模具50的上方竖直地抽出第三内模具53，然后在内核体64以及第三内模具53的侧面的上方均匀地铺设第三填充介质，使第三介质层63完全包裹于内核体64的外周，即完成第三介质层63的填充。

(9)：从外模具50的上方竖直地抽出第二内模具52，然后在第三介质层63以及第二介质层62的侧面的上方均匀地铺设第二填充介质，使第二介质层62完全包裹于第三介质层63的外周，即完成第二介质层62的填充。

(10)：从外模具50的上方竖直地抽出第一内模具51，然后在第二介质层62以及第一介质层61的侧面的上方均匀地铺设第一填充介质，使第一介质层61完全包裹于第二介质层62的外周，即完成第一介质层61的填充。

最后，将外模具50的敞口侧顶部采用介电常数与第一介质层61的介电常数相同的材料封口，即可。

需要说明的是：

上述3个实施例中，每个载入填充介质的步骤中均需将填充介质均匀地压紧。上述的填充材料均为颗粒状材料，是在发泡材料中混入颗粒状或纤维状的金属导体而形成的，若干种介电常数不同的材料是由通过调整颗粒材料中发泡材料与金属导体的比例而实现的。

实际制备过程中，可以直接采用与第一介质层介电常数相约的材料制成的外模具，也可以是在外模具的内侧先铺垫依层与第一介质层介电常数相约的材料制成的板框状结构外壳。填充完后，在外模具或外壳的敞口侧用介电常数相通的材料封口即可。

本方法可制备得出的电磁波透镜的形状不仅限于上述3种形状。