专利名称：梯度介电常数透镜及制造方法
背景技术：
透镜是这样一种器件，其在电磁波传递通过该透镜时，改变电磁波行进的方向。该方向的改变是在电磁波从邻近的介质传递进入并通过该透镜时，由于电磁波所遇到的介电常数的改变而造成的折射率改变的结果。用于可见光频段的透镜包括那些在矫正眼镜、相机、双目镜等中使用的透镜。透镜还在与高频电磁波相关的领域中得到应用，比如微波频段的高频电磁波。
透镜一个重要的子集就是梯度透镜。传递通过梯度透镜的电磁波将遇到变化的介电常数。椤勃透镜(Luneberg lens)是一种球面梯度透镜，这种透镜具有确定的介电常数梯度，并且在提供有着非常宽的视野的天线方面有着特别的应用。具体地说，目前对于它们的兴趣是由基于近地轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星的电信计划所驱动，这种近地轨道卫星比同步(GEO)卫星要更接近地球得多，因此更适合于高的数据传输速率和互联网接入。但是，LEO卫星划过天空的运动使得它们难于被追踪，标准的碟形天线需要被移动来与卫星保持联系。固定的椤勃天线能够“看见”划过整个地平线的卫星。理想的椤勃透镜在它的外表面具有大约为1.0的介电常数，在它的中心核具有2.0左右的介电常数。对于焦点远离球面透镜的表面的情形，需要进行修改，并且这种修改对于本领域普通技术人员是众所周知的。
椤勃透镜的物理制作被证明是一个重大的挑战，已经开发了许多的制作方法。根据椤勃的教导，折射率应该以透镜的径向坐标的函数连续地变化。但是，还没有实用的技术被推荐用于制作具有连续变化的介电常数的透镜。因此，目前的实际情况是，通过将不同介电常数的透镜部件的层组装起来以达到逐步地逼进理论上的折射率梯度来制作透镜。与目前的制造方法相关联的缺陷之中包括在层之间气隙的存在以及透镜中波的散射，该气隙的存在加剧了梯度的不连续。通过聚合物基体的气体膨胀制作的层表现出具有变化的介电常数的非均质区域，因此降低了透镜的性能。而且，膨胀剂通常是碳氢化合物，它们在透镜的制造过程中存在易燃性和散发毒性的问题。在固态树脂基体中固定有玻璃微球，由这些玻璃微球密封的气体制作的泡沫(统称为复合泡沫)不能提供介电常数小于1.4的材料，这大大地偏离了所期望的在透镜外表面1.0的介电常数，因此降低了透镜的性能。而且，这样的透镜很重，并且倾向于表现出相对较高的介电损耗。其他方法，尽管可以制造出满意的结果，但是被证明是及其昂贵的。一种克服了与目前的制造方法相关联的问题或缺点的制造楞勃透镜的方法将代表着本技术领域的进步。
发明概述本发明与一种梯度介电常数透镜以及其制造方法有关。该透镜包括内核，该内核包括玻璃球、可固化或可熔化的粘结剂，以及所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的混合物，该混合物经过固化或熔化并基本上是均质的。该内核具有约为2.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积(代表在经过固化或熔化的材料单元之间被封闭的气体空间)。
该透镜还包括外壳层，该外壳层包括中空玻璃球和可固化或可熔化的树脂的混合物，该混合物经过固化或熔化并基本上是均质的。优选地，该外壳层具有大约为1.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积。此外，该透镜包括最少一个中间层，优选地包括两个或多个中间层，该中间层具有落入1和2之间的介电常数。该中间层包括玻璃球、树脂和所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的混合物，该混合物经过固化并基本上是均质的。就如内核和外壳层的情形那样，该中间层具有从大约30％到大约50％的间隙空隙体积。
发明详述在一个方面中，本发明与制造梯度介电常数透镜的方法有关。该制造方法使用了一种适合在填充时进行振动的模型装置。该模型装置是使用传统的技术和材料制造的，并且包括实质上是中空的球的内核模型(mold)。一般，内核模型由两个半球壳组装而成。在组装时，保留装填孔使得可固化或可熔化的材料能被灌入该模型。为了浇铸一个或多个中间层以及外壳层，提供了大小增加且相似的半球壳对。选择适当的直径受到源微波辐射模式、透镜所期望的方向性、焦点相对于透镜表面所指定的位置以及所选择的层的数目的影响。层数是对透镜性能和制造的简易性的平衡。一个楞勃透镜设计领域的普通技术人员可以在理论上确定层数、每层透镜的直径以及每层的介电常数来获得给定的透镜性能。
在本发明的方法中，玻璃球、粘接剂，以及所需要的低损耗介电材料在被熔化或固化来形成固态的模型化材料之前，被组合在一种基本上均质的干燥混合物中。在讨论理论计算和假设之前，首先来讨论各种成分的一些性质和在制造过程中它们怎样相互影响是有用的，那些理论计算和假设被用来得到这样的混合物，其在被固化或熔化时，将产生具有所期望的介电常数的组合物。
本发明使用的玻璃球的颗粒大小一般在从15微米直到200微米的大小范围内，平均颗粒大小为40-60微米。它们可以是可以利用的实心玻璃球或具有预定壁厚的中空玻璃球。这样的玻璃球可以从包括3M公司和Emerson & Cuming合成材料公司的多个制造商那里获得。就如在下面所详细讨论的那样，选择壁薄、壁较厚或实心的玻璃球将影响到透镜的物理性质。熟悉本发明的一个本领域的普通技术人员将能够从可获得的选项当中选择球，并且选择性地混合球的种类来获得所期望的透镜性能。
本发明的有用的可固化的粘结剂包括聚酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂。连同本发明的有用的可熔化的粘结剂包括聚酯、聚烯烃、聚酰胺、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物，以及热塑性弹性体。所列举的具体粘结剂仅仅是举例，一个本领域的普通技术人员将认识到，另外的可固化或可熔化的粘结剂材料是可以被替代的。构成粘结剂材料的分子单元的大小与玻璃球的颗粒大小是可比拟的或比其要小。粘结剂的目的是为了在玻璃球的接触点将它们相互之间粘结起来，而不用再对玻璃球之间的间隙空隙进行填充以产生尺寸稳定的多孔结构。当根据所公开的主题的教导进行该操作时，形成了从大约30％到大约50％的间隙空隙体积。相信包括被封闭的间隙空隙体积是本方法的一个具有新颖性的方面。另一个具有新颖性的方面是尺寸稳定的多孔结构，该结构在粘结剂固化或熔化的过程中并不表现出收缩，由此使得同心球壳在彼此上成型，而不会造成开裂或其他内部结构的损坏。封闭气体的存在还有助于减少所形成的材料的介电常数。令人吃惊的是，间隙空隙体积的性质(即，体积和分布)已经被证明是相当一致的并且可以被再现。
另一个指定的组分是低损耗介电材料，该组分在要求高介电常数(相对于外球壳层)的楞勃透镜的层中是特别有用的。在优选实施例中，该低损耗介电材料具有低于在微波频段所测量的约0.01的损耗角正切(tan)。优选的低损耗介电材料包括二氧化钛、氮化硼、二氧化硅、铝硅酸盐、氧化镁和氧化铝。在该优选的组中，二氧化钛是特别适合的材料。低损耗介电材料被包括在较高介电常数的层中来增加该层的密度(因此增加了介电常数)。包括这种材料对间隙空隙体积的体积和分布的影响可忽略不计。
为了近似经过熔化的或固化的材料的介电常数和密度之间的关系，已经发现可以应用如下的算法ln k’＝(常数)(实际的层密度)在该算法中，介电常数(k’)的自然对数(ln)等于常数和所制造的经过熔化或固化的材料实际的层密度的乘积。该常数的值取决于构成该经过熔化的或固化的材料的成分。例如，利用3M公司的K1 Scotchlite玻璃泡(Glass Bubble)、杜邦的粉末涂覆晶体透明树脂(Powder Coating Crystal Clear Resin)和二氧化钛的组合，该常数大约是1.28g/cc。该常数值由所测量的测试样品的实际的层密度和介电常数的统计回归所确定。
实际的经过熔化的或固化的层密度等于“填充因子”乘以真实颗粒密度(TPD)，填充因子表示在间隙空间中存在的封闭气体。填充因子等于1减去间隙空隙体积。当根据所公开的主题的教导进行制造时，填充因子将在从大约0.7到大约0.5的范围内。填充因子受到构成层材料的成分和模型被振动的条件影响，其平均值约为0.65。
考虑示出TPD的计算，“填充因子”的介绍和上面所设定的k’的计算解法的例子是有指导性的。考虑一个例子，其中将如下的成分以指定的(体积)比例进行混合，
83.7％的玻璃球(密度0.46g/cm3)14.8％的树脂(密度1.3g/cm3)1.5％的二氧化钛(密度4.3g/cm3)TPD通过如下的密度分数的和进行计算(0.837)(0.46g/cm3)+(0.148)(1.3g/cm3)+(0.015)(4.3g/cm3)＝0.642g/cm3然后通过将TPD与“填充因子”相乘对其进行调整。
(0.642g/cm3)(0.65)＝0.417g/cm3乘积0.417g/cm3代表了对实际的材料密度非常接近的近似，该实际的密度能够通过实验确定。然后，该值能被用来解答上面示出的包括k’变量的算法。
ln k’＝(1.18)(0.417)ln k’＝0.492k’＝1.64本发明的方法中，最初的步骤是制造中心核。如在发明背景部分所讨论的那样，球面楞勃透镜的中心具有大约为2.0的介电常数。对于制造透镜的内核，为了将密度增加到足以获得必需的介电常数的水平，可能需要包括比如二氧化钛的低损耗介电材料。
粘结剂相对玻璃球的体积比率在从大约5-10％的有用范围的低端值到大约30％的有用范围的高端值的范围内。如果使用了太少的粘结剂，那么合成物趋向于易粉碎。如果使用了太多的粘结剂，那么所封闭的间隙空间在材料的熔化或固化的过程减少，由此造成材料收缩。该收缩导致同心层在彼此上成型较差，并且可能产生内应力，该应力可能导致层开裂和差的透镜性能。
材料的搅拌器能准确地选择要混合的成分的量的一种方式是，利用前面所提到的介电常数和实际的层密度之间的关系来制造楞勃透镜的层，该楞勃透镜具有预定的介电常数。例如，考虑制造具有介电常数为1.2的中间层。通过介电常数和实际的层密度之间的关系，利用K1 Scotchlite玻璃泡、晶体透明树脂和二氧化钛ln k’＝1.28(实际的层密度)实际的层密度＝ln k’/1.28＝ln(1.2)/1.28＝0.18/1.28＝0.14g/cc取填充因子为0.65TPD＝实际的层密度/填充因子＝0.14/0.65＝0.22g/cc尽管各种玻璃球、树脂和二氧化钛的组合能够满足0.22g/cc的TPD，但是经验研究已经表明，为了获得用于楞勃透镜的外层所期望的介电常数，不需要包括比如二氧化钛的低损耗介电材料。所以，对于所选择的例子，所期望的TPD可以通过混合52g的玻璃球(密度为0.125g/cc)和48g的树脂(密度为1.3g/cc)获得
TPD＝组分重量的和/组分体积的和组分重量的和＝52g+48g＝100g组分体积的和＝52g/0.125g/cc+48g/1.3g/cc＝416cc+36.9cc＝452.9ccTPD＝100g/452.9cc＝0.22g/cc该成分的组合也满足了粘结剂相对玻璃球的优选的体积比率在从大约5-10％到大约30％的范围内这一限制粘结剂体积/玻璃球体积＝36.9cc/416cc＝9％进行配方和得到所测量的介电常数。对该配方进行小的调整将对偏差进行校正，该偏差略微地偏离所期望的介电常数。
在透镜中所设置的层的数目和它们的介电常数大部分取决于性能要求。例如，可以制造相对粗糙的透镜，其只有单独的中间层。对于更加精巧的应用，没有理论上限。但是实际地讲，虽然50-100层将提供高的性能，但是该楞勃透镜昂贵并难于制造。
在一些应用中对透镜性能的要求低，成本考虑优先，对于这些应用，可以构建体现本发明的教导的两层透镜。这样的两层透镜将包括内核，该内核是玻璃球、可固化或可熔化的粘结剂，以及所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的混合物，该混合物经过固化或熔化并基本上是均质的。优选地，该内核将具有从约1.6到约2.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积。该两层透镜将还包括外壳层，该外壳层包括玻璃球和可固化或可熔化的树脂的混合物，混合物经过固化或熔化并基本上是均质的，并且该外壳层具有约1.2到1.6的介电常数，以及从约30％到大约50％的间隙空隙体积。
在实践中，为内核所选择的混合物被用来填充内核模型，并且振动模型来确保对材料足够的填充。然后，以这样的方式处理材料，使得材料熔化或固化。如本领域的普通技术人员所公知的那样，固化或熔化过程取决于所选择的粘结剂。然后，移除内核模型，所形成的内核被固定于模型装置中下一个更大的模型内的中央处。然后，围绕内核通过使用所计算出的混合物进行填充来形成具有预定介电常数的材料，接着熔化或固化该材料，这样就形成了第一中间层。就如对内核模型进行的填充那样，该步骤和所有后续的模型填充步骤都在振动模型装置时进行。重复该过程直到形成最后的外层(k’大约为1.0)。
一个本领域的普通技术人员将认识到，本发明的教导对于制造梯度介电常数的半球面透镜以及球面透镜是有用的。半球面透镜在多种环境得到应用(例如，参见第5,781,163号美国专利)。
除了上面所讨论的制造方法外，本发明还与物质的组成相关。更具体地说，本发明所公开的是一种具有内核的梯度介电常数透镜，该内核包括玻璃球、可固化或可熔化的粘结剂和低损耗介电材料的混合物，该混合物经过固化或熔化并基本上是均质的。如前面所讨论的，这样的内核具有大约为2.0的介电常数。如在这里所讨论的所有层那样，该内核层具有从大约30％到大约50％的间隙空隙体积。
本发明的梯度介电常数透镜还包括外壳层，该外壳层具有大约为1.0的介电常数，并且包括中空玻璃球和可固化或可熔化树脂的混合物，该混合物经过固化或熔化并基本上是均质的。
在外壳层和内核之间有一个和多个中间层，这些中间层具有介于外壳层的介电常数和内核的介电常数之间的介电常数。在优选实施例中，形成了两个或多个中间层。
实施例下面所讨论的例子与中间层的制造有关，该中间层具有1.6的介电常数。如上所讨论的，通过使用前面提及的介电常数和实际的层密度之间的关系，人们能够精确地选择要混合的成分的量，来制造具有预定的介电常数的楞勃透镜的层。在这个例子中，使用了K46 Scotchlite玻璃泡、晶体透明树脂和二氧化钛。
ln k’＝1.18(实际的层密度)实际的层密度＝ln k’/1.18＝ln(1.6)/1.18＝0.47/1.18＝0.40g/cc假设填充因子是0.65，真实颗粒密度(TPD)＝实际的层密度/填充因子＝0.40/0.65＝0.62g/cc尽管有多种玻璃球、树脂和二氧化钛的组合能够满足0.62g/cc的TPD，但是只包含有玻璃球和树脂的混合物代表了一种较简单的制造情形。所以，在这个例子中，使用60g的玻璃球(密度0.46g/cc)和40g的树脂(密度1.3g/cc)获得了所期望的TPD，如下所示TPD＝组分重量的和/组分体积的和组分重量的和＝60g+40g＝100g组分体积的和＝60g/0.46g/cc+40g/1.3g/cc＝130.4cc+30.8cc＝161.2ccTPD＝100g/161.2cc＝0.62g/cc该成分的组合也满足了这一限制，即，树脂粘结剂相对玻璃球的优选体积比在从5-10％到大约30％的范围内，如下所示树脂粘结剂体积/玻璃球体积＝30.8cc/130.4cc＝23.6％使用下面的结果进行配方，并测试批号901490所测试的介电常数＝1.54目标介电常数＝1.60所测试的实际的层密度＝0.38g/cc目标实际的层密度＝0.40g/cc
实际填充因子＝0.613目标填充因子＝0.65由于第901490批略微低于目标介电常数，所以进行了下面的略微调整。第901490批的填充因子有些小于目标值。采用如下所示的较小的填充因子对目标真实颗粒密度重新进行计算。
真实颗粒密度(TPD)＝实际的层密度/填充因子＝0.40/0.62＝0.65g/cc该目标TPD可以通过混合54g的K46玻璃泡和46g的晶体透明树脂获得，如下所示。
TPD＝组分重量的和/组分体积的和组分重量的和＝54g+46g＝100g组分体积的和＝54g/0.46g/cc+46g/1.3g/cc＝117.4cc+35.4cc＝152.8ccTPD＝100g/152.8cc＝0.65g/cc使用下面的结果进行配方，并测试批号901550所测试的介电常数＝1.58
目标介电常数＝1.60尽管这一批次紧紧地逼近目标介电常数，但是该组合的成分也接近了这一限制的上限，即，树脂粘结剂相对玻璃球的优选体积比在从5-10％到大约30％的范围内，如下所示树脂粘结剂体积/玻璃球体积＝35.4cc/117.4cc＝30.2％除在这两种组分的配方中作进一步的调整外，二氧化钛被添加到该配方中以获得目标介电常数。对于大约为0.65的目标真实颗粒密度，如上面的例子那样，可以使用下面的成分组合60g的K46玻璃泡、30g的晶体透明树脂和10g的二氧化钛(密度4.3g/cc)TPD＝组分重量的和/组分体积的和组分重量的和＝60g+30g+10g＝100g组分体积的和＝60g/0.46g/cc+30g/1.3g/cc+10g/4.3g/cc＝130.4cc+23.1cc+2.3 cc＝155.8ccTPD＝100g/155.8cc＝0.64g/cc成分的该组合也更好地满足了这一限制，即，树脂粘结剂相对玻璃球的优选体积比在从5-10％到大约30％的范围内，如下所示
树脂粘结剂体积/玻璃球体积＝23.1cc/130.4cc＝17.7％使用该配方所进行的测试的得到下面的结果批号901580所测试的介电常数＝1.60目标介电常数＝1.60
权利要求
1.一种梯度介电常数透镜，包括a)内核，包括玻璃球、可固化或可熔化的粘结剂和所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的混合物，该混合物基本上是均质的，所述内核具有大约为2.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积；b)外壳层，包括中空玻璃球和可固化或可熔化的树脂的混合物，该混合物基本上是均质的，所述外壳层具有大约为1.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积；以及c)位于所述内核核所述外壳层之间的两个或多个中间层，该中间层具有从大于1.0到小于2.0范围内的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积，最里面的中间层具有中间层中最高的介电常数，每一个相继较大的中间层具有小于紧邻的较小的中间层的介电常数，该中间层包括玻璃球、树脂和所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的混合物，该混合物经过固化并基本上是均质的。
2.如权利要求1的梯度介电常数透镜，其中，在a)项中的所述玻璃球是中空的、实心的或中空和实心的混合物。
3.如权利要求1的梯度介电常数透镜，其中，在c)项中的所述玻璃球是中空的、实心的或中空和实心的混合物。
4.如权利要求1的梯度介电常数透镜，其中，在a)、b)和c)项中的所述玻璃球颗粒大小小于大约200微米。
5.如权利要求1的梯度介电常数透镜，其中，所述可以固化的粘结剂是从由聚酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂构成的一组中选出。
6.如权利要求1的梯度介电常数透镜，其中，所述可以熔化的粘结剂是从由聚酯、聚烯烃、聚酰胺、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物，以及热塑性弹性体构成的一组中选出。
7.如权利要求6的梯度介电常数透镜，其中，所述聚烯烃是从由聚乙烯、聚丙烯和乙烯共聚物构成的一组中选出。
8.如权利要求6的梯度介电常数透镜，其中，所述热塑性弹性体是从由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)共聚物构成的一组中选出。
9.如权利要求1的梯度介电常数透镜，其中，所述低损耗介电材料具有低于在微波频段所测量的约0.01损耗角正切。
10.如权利要求1的梯度介电常数透镜，其中，所述低损耗介电材料是从由二氧化钛、氮化硼、二氧化硅、铝硅酸盐、氧化镁和氧化铝构成的一组中选出。
11.一种梯度介电常数透镜，包括a)内核，包括玻璃球、可固化或可熔化的粘结剂和所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的混合物，该混合物经过固化或溶化并基本上是均质的，所述内核具有大约为2.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积；b)外壳层，包括中空玻璃球和可固化或可熔化的树脂的混合物，该混合物经过固化或溶化并基本上是均质的，所述外壳层具有大约为1.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积；以及c)位于所述内核和所述外壳层之间的中间层，该中间层具有在1.3和1.7之间的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积，该中间层包括玻璃球、树脂和所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的混合物，该混合物经过固化并基本上是均质的。
12.如权利要求11的梯度介电常数透镜，其中，在a)项中的所述玻璃球是中空的、实心的或中空和实心的混合物。
13.如权利要求11的梯度介电常数透镜，其中，在c)项中的所述玻璃球是中空的、实心的或中空和实心的混合物。
14.如权利要求11的梯度介电常数透镜，其中，所述玻璃球颗粒大小小于大约200微米。
15.如权利要求11的梯度介电常数透镜，其中，所述可以固化的粘结剂是从由聚酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂构成的一组中选出。
16.如权利要求11的梯度介电常数透镜，其中，所述可以熔化的粘结剂是从由聚酯、聚烯烃、聚酰胺、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物，以及热塑性弹性体构成的一组中选出。
17.如权利要求16的梯度介电常数透镜，其中，所述聚烯烃是从由聚乙烯、聚丙烯和乙烯共聚物构成的一组中选出。
18.如权利要求16的梯度介电常数透镜，其中，所述热塑性弹性体是从由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)共聚物构成的一组中选出。
19.如权利要求11的梯度介电常数透镜，其中，所述低损耗介电材料具有低于在微波频段所测量的约0.01损耗角正切。
20.如权利要求11的梯度介电常数透镜，其中，所述低损耗介电材料是从由二氧化钛、氮化硼、二氧化硅、铝硅酸盐、氧化镁和氧化铝构成的一组中选出。
21.一种用于制造梯度介电常数透镜的方法，包括a)提供振动的同心模型装置，该模型装置包括内核模型、外壳模型，以及两个或多个中间层模型；b)提供玻璃球、可固化或可熔化的粘结剂，以及所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的干混合物，该混合物基本上是均质的，并且在振动所述内核模型时，使用本步骤中的所述基本上均质的干混合物填充所述内核模型；c)固化或干燥所述可固化或可熔化的粘结剂，在本步骤中形成的内核具有大约为2.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积；d)将在a)步骤形成的核置于最里面的中间层模型内的中央处；e)提供玻璃球、树脂，以及所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的干混合物，该混合物基本上是均质的，并且在振动时，使用在本步骤中的所述基本上均质的干混合物填充所述最里面的中间层模型的空的部分；f)固化或干燥所述可固化或可熔化的粘结剂，在本步骤中形成的最里面的中间层具有这样的介电常数，其小于2.0，但却大于下面将描述的更靠外的层的介电常数，并且具有从大约30％到大约50％的间隙空隙体积；g)将在f)步骤的产品置于下一个较大的中间层模型内的中央处；h)提供玻璃球、树脂，以及所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的干混合物，该混合物基本上是均质的，并且在振动时，使用在本步骤中的所述基本上均质的干混合物填充下一个较大的中间层模型；i)固化或干燥所述可固化或可熔化的粘结剂，在本步骤中形成的中间层具有这样的介电常数，小于在步骤f)中形成的层的介电常数，但却大于下面所描述的更靠外的层的介电常数，并且具有从大约30％到大约50％的间隙空隙体积；j)可选地重复上面所描述的模型放置和填充步骤来形成相继较大的同心的中间层；k)将使用最大的中间层模型形成的产品放置在所述外壳模型内的中央处；1)提供玻璃球和可固化和可熔化的粘结剂的干混合物，该混合物基本上是均质的，并且在振动时，使用在本步骤中的所述基本上均质的干混合物填充所述外壳模型的空的部分；m)固化或干燥所述可固化或可熔化的粘结剂，在本步骤中形成的外壳层具有大约为1.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积。
22.如权利要求21的方法，其中，在b)步骤中的所述玻璃球是中空的、实心的或中空和实心的混合物。
23.如权利要求21的方法，其中，在e)和h)步骤中的所述玻璃球是中空的、实心的或中空和实心的混合物。
24.如权利要求21的方法，其中，所述玻璃球颗粒大小小于大约200微米。
25.如权利要求21的方法，其中，所述可以固化的粘结剂是从由聚酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂构成的一组中选出。
26.如权利要求21的方法，其中，所述熔化的粘结剂是从由聚酯、聚烯烃、聚酰胺、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物，以及热塑性弹性体构成的一组中选出。
27.如权利要求26的方法，其中，所述聚烯烃是从由聚乙烯、聚丙烯和乙烯共聚物构成的一组中选出。
28.如权利要求26的方法，其中，所述热塑性弹性体是从由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)共聚物构成的一组中选出。
29.如权利要求21的方法，其中，所述低损耗介电材料具有低于在微波频段所测量的约0.01损耗角正切。
30.如权利要求21的方法，其中，所述低损耗介电材料是从由二氧化钛、氮化硼、二氧化硅、铝硅酸盐、氧化镁和氧化铝构成的一组中选出。
31.一种用于制造梯度介电常数透镜的方法，包括a)提供振动的同心模型装置，该模型装置包括内核模型、外壳模型，以及中间层模型；b)提供玻璃球、可固化或可熔化的粘结剂，以及所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的干混合物，该混合物基本上是均质的，并且在振动所述内核模型时，用本步骤中的所述基本上均质的干混合物填充所述内核模型；c)固化或干燥所述可固化或可熔化的粘结剂，在本步骤中形成的内核具有大约为2.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积；d)将在a)步骤形成的核置于最里面的中间层模型内的中央处；e)提供玻璃球、树脂，以及所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的干混合物，该混合物基本上是均质的，并且在振动时，使用在本步骤中的所述基本上均质的干混合物填充所述中间层模型的空的部分；f)固化或干燥所述可固化或可熔化的粘结剂，在本步骤中形成的中间层具有这样的介电常数，其小于2.0，但却大于1.0，并且具有从大约30％到大约50％的间隙空隙体积；g)将在f)步骤的产品置于外壳层模型内的中央处；h)提供玻璃球和可固化或可熔化的粘结剂的干混合物，该混合物基本上是均质的，并且在振动时，使用在本步骤中的所述基本上均质的干混合物填充所述外壳层模型的空的部分；i)固化或干燥所述可固化或可熔化的粘结剂，在本步骤中形成的外壳层具有大约为1.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积。
32.如权利要求31的方法，其中，在b)步骤中的所述玻璃球是中空的、实心的或中空和实心的混合物。
33.如权利要求31的方法，其中，在e)步骤中的所述玻璃球是中空的、实心的或中空和实心的混合物。
34.如权利要求31的方法，其中，所述玻璃球颗粒大小小于大约200微米。
35.如权利要求31的方法，其中，所述可以固化的粘结剂是从由聚酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂构成的一组中选出。
36.如权利要求31的方法，其中，所述熔化的粘结剂是从由聚酯、聚烯烃、聚酰胺、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物，以及热塑性弹性体构成的一组中选出。
37.如权利要求36的方法，其中，所述聚烯烃是从由聚乙烯、聚丙烯和乙烯共聚物构成的一组中选出。
38.如权利要求36的方法，其中，所述热塑性弹性体是从由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)共聚物构成的一组中选出。
39.如权利要求31的方法，其中，所述低损耗介电材料具有低于在微波频段所测量的约0.01损耗角正切。
40.如权利要求31的方法，其中，所述低损耗介电材料是从由二氧化钛、氮化硼、二氧化硅、铝硅酸盐、氧化镁和氧化铝构成的一组中选出。
41.一种梯度介电常数透镜，包括a)内核，包括玻璃球、可固化或可熔化的粘结剂和所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的混合物，该混合物经过固化或溶化并且基本上是均质的，所述内核具有从大约1.6到大约2.0之间的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积；b)外壳层，包括玻璃球、可固化或可熔化的树脂的混合物，该混合物经过固化或溶化并且基本上是均质的，所述外壳层具有在大约1.2到大约1.6之间的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积。
全文摘要
本发明公开了一种梯度介电常数透镜以及其制造方法。该透镜包括内核，该内核包括玻璃球、可固化或可熔化的粘结剂和所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的经过固化或熔化的基本上均质的混合物。该内核具有约为2.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积(代表在经过固化或熔化的材料单元之间被封闭的气体空间)。该透镜还包括外壳层，该外壳层包括中空玻璃球和可固化或可熔化的树脂的经过固化或熔化的基本上均质的混合物。优选地，该外壳层具有大约为1.0的介电常数，以及从大约30％到大约50％的间隙空隙体积。此外，该透镜包括最少一个中间层，优选地包括两个或多个中间层，该中间层具有落入1和2之间的介电常数。该中间层包括玻璃球、树脂和所需要来增加介电常数的低损耗介电材料的经过固化的基本上均质的混合物。就如内核和外壳层的情形那样，该中间层具有从大约30％到大约50％的间隙空隙体积。本发明还公开了用于制造上面所述类型的透镜的制造方法。
文档编号B29C67/04GK1543577SQ02815974
公开日2004年11月3日 申请日期2002年7月17日 优先权日2001年8月15日
发明者迈克尔·P·卡彭特, 玛丽·M·奥斯沃德, 戴维·A·吉布斯, A 吉布斯, M 奥斯沃德, 迈克尔 P 卡彭特 申请人:爱默生及其微波产品公司