一种混合式菲涅尔透镜的制作方法

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种混合式菲涅尔透镜。

背景技术：

菲涅尔透镜天线有体积小，重量小，增益高等优点，其中，透镜的子区(subzone)越多，增益越高。在经典沟槽式菲涅尔透镜的设计中，由于相邻的子区存在高度差异，会产生阴影效应，影响增益。平面打孔式菲涅尔透镜的设计通过使用将原始设计中材料和空气的介电常数按比例进行等效，规避了经典沟槽式设计中子区的高度差，消除了阴影效应，使得增益增加。但是，平面打孔式菲涅尔透镜的制作由于需要在制作好的透镜上进行打孔操作使得该设计方法的实际制作非常困难。

近年来，3d打印的发展，使得平面打孔式菲涅尔透镜的制作变得简单，通过引入不同大小的空心打印单元(unitcell)来实现不同的材料比例(infillpercentage)，即可实现不同的介电常数的等效，且打印单元越大材料比例越小，等效介电常数越小。

但是，由于菲涅尔透镜本身的性质，子区由内到外环半径越来越小，而在一个全波区(full-wavezone)中，由于所需的介电常数越来越小，子区所需的打印单元尺寸将越来越大。在实际制作的过程中，当子区较多时，非常容易出现打印单元尺寸超过子区半径的现象，进一步地，由于在3d打印过程中，熔融材料从喷嘴沉积到建筑区域，喷嘴的直径决定了最小打印特征的大小，在一次印刷过程中通常不更换喷嘴，因此喷嘴的直径是固定的。因而导致了在设计子区较多的菲涅尔透镜天线时，使用平面打孔式设计将不能制作，迫使透镜设计者放弃平面打孔式设计中的不可处理的子区，从而将增益降低到比实际使用的沟槽式设计低的水平；或者只能使用经典的沟槽式设计，同样影响了增益。

技术实现要素：

为解决子区较多的菲涅尔透镜天线在设计时只能使用受阴影效应影响极大的沟槽式设计，从而导致了增益低的问题，本实用新型提供了一种混合式菲涅尔透镜，将菲涅尔透镜天线分为内环的平面打孔部和外环的沟槽部，在设计时将从第一个不能制作的平面打孔部的子区开始改为经典的沟槽式设计，从而尽可能多地保留可3d打印制作的平面打孔式子区，最小化阴影效应的影响，最大化增益。

为了实现上述目的，本实用新型提供的具体技术方案如下：

一种混合式菲涅尔透镜，包括数个全波区，每个全波区由数个同心环透镜体及环间缝隙排列而成的子区组成，优选地，所述数个全波区包括设置于内环的平面打孔部和设置于外环的沟槽部，且所述沟槽部由所述平面打孔部内首个无法制作的子区起始设置。

最好,所述制作包括3d打印。

优选地，所述数个全波区通过支臂互相联接固定。

优选地，所述同心环透镜体及环间缝隙的环宽沿圆心向外延伸的方向逐级递减。

最好，在所述平面打孔部中，所述同心环透镜体的高度相同；在所述沟槽部中，每个全波区的所述同心环透镜体的高度沿圆心向外延伸的方向逐级递减。

优选地，所述平面打孔部内设有贯通所述同心环透镜体的空心打印单元，且每个全波区的所述空心打印单元的尺寸沿圆心向外延伸的方向逐级递增。

优选地，所述沟槽部的设置位置满足：在所述平面打孔部内，当所述同心环透镜体中空心打印单元的尺寸大于所述同心环透镜体的环宽时，开始设置所述沟槽部。

本实用新型的有益效果：

(1)、本申请所述的混合式菲涅尔透镜天线将平面打孔式菲涅尔透镜和沟槽式菲涅尔透镜相结合，最大限度地减小了沟槽式菲涅尔透镜的阴影效应及平面打孔式菲涅尔透镜制造限制的影响，使得其具有高增益、高带宽的特点。

(2)、本申请可以将菲涅尔透镜天线在大型化的同时提高增益并控制阴影效应的影响，以保证增益的最大化。

(3)、本申请所述的混合式菲涅尔透镜天线以平面打孔式菲涅尔透镜为基础，并在平面打孔部内首个无法制作的子区起始设置沟槽式菲涅尔透镜体，使得其整体能够直接3d打印制作，避免了因平面打孔式菲涅尔透镜的全波区或子区数目太多，而迫使透镜设计者放弃打孔式设计中的不可处理的子区，从而将增益降低到比实际使用的沟槽式设计还低的水平。

附图说明

图1是沟槽式菲涅尔透镜的立体图；

图2是沟槽式菲涅尔透镜的剖面示意图；

图3是平面打孔式菲涅尔透镜的立体图；

图4是平面打孔式菲涅尔透镜的剖面示意图；

图5是平面打孔式菲涅尔透镜中一个全波区的结构示意图；

图6是本申请一种优选实施例中混合式菲涅尔透镜的立体图；

图7是本申请一种优选实施例中混合式菲涅尔透镜的剖面示意图；

图8是本申请一种优选实施例中目标频率为30ghz时波导的归一化辐射方向图；

图9是本申请一种优选实施例中菲涅尔透镜和波导的位置示意图。

其中，1-全波区；2-子区，21-同心环透镜体，22-环间缝隙；3-平面打孔部；4-沟槽部；5-空心打印单元。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“联接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“数个”、“多组”的含义是两个或两个以上。

说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

参照图1-图2，其中示出了沟槽式菲涅尔透镜的立体图与剖面示意图，由图中可见，沟槽式菲涅尔透镜包含数个全波区1，每个全波区1又包含数个子区2，通过调整每个子区2的高度，使得相邻区域间的相位差等于所需的相位补偿。但是由于相邻子区2之间的存在高度差异，沟槽式菲涅尔透镜会受到阴影效应的影响，从而降低了其增益。

参照图3-图5，其中示出了平面打孔式菲涅尔透镜的立体图、剖面示意图及一个全波区1的结构示意图，由图中可见，平面打孔式菲涅尔透镜同样包含数个全波区1，每个全波区1又包含数个子区2，且每个子区2的高度等同，通过改变填充材料的百分比来模拟每个子区2中相对介电常数的变化。平面打孔式菲涅尔透镜可以通过3d打印来实现，在打印过程中，熔融材料从喷嘴沉积到建筑区域，形成大小不同的空心打印单元5。喷嘴的直径决定了最小打印特征的大小，在一次3d打印的过程中通常不更换喷嘴，因此喷嘴的直径是固定的，从而只有增加空气面积才能达到较低的填充材料百分比，这就导致了空心打印单元5尺寸的增加。

然而，对于平面打孔式菲涅尔透镜而言，在某些情况下无法制造：全波区1从内子区到外子区的填充百分比下降意味着空心打印单元5尺寸的增加，与此同时，子区2的环宽沿圆心向外延伸的方向逐级递减，与空心打印单元5的大小趋势成反比。因此，随着透镜半径的增加，空心打印单元5可能会大于承载其子区2的环宽，从而导致无法打印。而在实际应用中，平面打孔式菲涅尔透镜在设计时选择较多的全波区1数量或较多的子区2数量，是非常常见的。这迫使透镜设计者放弃平面打孔式设计中的不可处理的子区2，从而将增益降低到比实际使用的沟槽式设计低的水平；或者只能使用经典的沟槽式设计，同样影响了增益。

参照图6-图7，在本实用新型一种优选实施例当中，提供了一种混合式菲涅尔透镜，包括数个通过支臂互相联接固定的全波区1，每个全波区1由数个同心环透镜体21及环间缝隙22排列而成的子区2组成，所述同心环透镜体21及环间缝隙22的环宽沿圆心向外延伸的方向逐级递减。

进一步地，所述数个全波区1包括设置于内环的平面打孔部3和设置于外环的沟槽部4，且所述沟槽部4由所述平面打孔部3内首个无法3d打印制作的子区2起始设置。具体地，在所述平面打孔部3中，所述同心环透镜体21的高度相同；在所述沟槽部4中，每个全波区1的所述同心环透镜体21的高度沿圆心向外延伸的方向逐级递减。

进一步地，所述平面打孔部3内设有贯通所述同心环透镜体21的空心打印单元5，且每个全波区1的所述空心打印单元5的尺寸沿圆心向外延伸的方向逐级递增。

进一步地，所述沟槽部4的设置位置满足：在所述平面打孔部3内，当所述同心环透镜体21中空心打印单元5的尺寸大于所述同心环透镜体21的环宽时，开始设置所述沟槽部4。

本实用新型所述的混合式菲涅尔透镜的设计过程为：

使用wr28矩形开口波导作为透镜天线的馈源，wr28的推荐频带为26.5-40ghz，边缘锥度选择为-10db。图8显示了目标频率为30ghz时波导的归一化辐射方向图，-10db的边缘锥度出现在60°。菲涅尔透镜和波导的位置如图9所示。考虑到焦距为30mm，可以通过以下公式找到透镜的半径r：

r＝tan60°f1-1

其中f为透镜焦距。

根据公式1-1，可以估算出相应的全波区1数w:

其中λ为设计波长。

通常，子区2的数量p选择为4、8或16，这意味着每个子区2将每90°，45°或22.5°校正相位。p值越大，相邻子区2间的相位差越小，菲涅尔透镜的增益越大，子区2的环宽越窄。其中，由于3d打印机喷嘴直径(0.4mm)的限制，以p＝4为例，来最大化子区2的数量，以减少阴影效应。下表1列出了设计参数：

表1参数设置

根据表1中确定的参数，沟槽式菲涅尔透镜每个全波区1中第s个子区2的厚度ds和外半径bs可以通过公式1-3及1-4得出:

其中mod是除法求余数的模运算，εr是材料的相对介电常数，εr0是空气的相对介电常数，p是全波区1中子区2的数量，wp是w和p的乘积。

第s个子区2的环宽rs为：

rs＝bs-bs-1,s＝1,2,…,wp,b0＝01-5

在平面打孔式菲涅尔透镜的设计中，所有子区2的厚度d相同:

用公式1-4也可求得平面打孔式菲涅尔透镜设计中各子区2的半径，但各子区2的相对介电常数与沟槽式菲涅尔透镜设计不同。在沟槽式设计中，各子区2的相对介电常数与材料相同，而在平面打孔式菲涅尔透镜中，全波区1各子区2的相对介电常数有所不同:

由于填充一定比例的空气可以实现不同的相对介电常数，因此在平面打孔式菲涅尔透镜设计中还需要考虑另一个参数，即填充百分比ns：

在平面打孔式菲涅尔透镜的3d打印过程中，由于喷嘴的直径固定，较低的填充百分比需要较大的空心打印单元5。通过使用3d打印仿真软件ideamaker，可以找到不同填充百分比的空心打印单元5大小。空心打印单元5的尺寸大小可以通过10×10mm²的面积中的空心打印单元5的数量确定。

结果表明，在限定的10×10mm²有效介质区域中，填充百分比降低，由于空心打印单元5尺寸的增加，其数量也减少了。由于空心打印单元5变得太大而无法容纳在10×10mm²的区域中，这将导致错误的相对介电常数值。

表2显示了平面打孔式菲涅尔透镜的子区2参数

从表2中可以看出，在第8子区2和第12子区2的空心打印单元5的尺寸大于子区2环宽，意味着这两个子区2无法3d打印制作出来，因此这个平面打孔式菲涅尔透镜超过第8子区2的部分将不能打印。

同时考虑到子区2环宽的导数：

随着子区2数量的增加，外部子区2的环宽会减小。因此，常见的情况是，一个子区2的空心打印单元5的尺寸大小大于子区2的环宽。在这种情况下，平面打孔式菲涅尔透镜不能完全打印出来，只能采用沟槽式重新设计，产生阴影效应，从而影响增益。

因此，为了最大限度地减小沟槽式菲涅尔透镜阴影效应和平面打孔式菲涅尔透镜制造限制的影响，在平面打孔式菲涅尔透镜中，当空心打印单元5的尺寸大于子区2环宽时，开始设置沟槽式菲涅尔透镜结构，这种混合式结构不仅可以直接3d打印制作，还具有阴影效应影响小、增益高等特点。

与现有技术相比，本申请所述的混合式菲涅尔透镜的有益效果在于：

(1)、本申请所述的混合式菲涅尔透镜天线将平面打孔式菲涅尔透镜和沟槽式菲涅尔透镜相结合，最大限度地减小了沟槽式菲涅尔透镜的阴影效应及平面打孔式菲涅尔透镜制造限制的影响，使得其具有高增益、高带宽的特点。

(2)、本申请可以将菲涅尔透镜天线在大型化的同时提高增益并控制阴影效应的影响，以保证增益的最大化。

(3)、本申请所述的混合式菲涅尔透镜天线以平面打孔式菲涅尔透镜为基础，并在平面打孔部内首个无法制作的子区起始设置沟槽式菲涅尔透镜体，使得其整体能够直接3d打印制作，避免了因平面打孔式菲涅尔透镜的全波区或子区数目太多，而迫使透镜设计者放弃打孔式设计中的不可处理的子区，从而将增益降低到比实际使用的沟槽式设计还低的水平。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。