基于人造介电材料的电磁透镜的制作方法

1.本实用新型涉及由人造介电材料制成的电磁波聚焦透镜。


背景技术：

2.现代移动通信市场需要可以创建窄波束并在不同频段运行的多波束天线。聚焦介质透镜是多波束天线的主要部分。通常多波束天线包含与自由空间匹配的龙勃透镜，因为这种透镜的介电常数ε根据公式ε＝2-(r/a)2是从中心向外轮廓减小，其中r是透镜中心到一个内点的距离，a是透镜的外半径。专利wo 2019/003939 a1描述了通过盘状构件堆叠的龙勃透镜的径向外部区域中的厚度小于中心区域中的厚度。聚焦透镜的直径必须是电磁波的几个波长，通过透镜的传播才能产生窄波束，因此一些用于移动通信的多波束天线的透镜直径超过1m。这种由常用的介电材料制成的透镜太重，因此行业内进行了许多研究以制造重量轻且损耗低的透镜，以提供理想的聚焦特性。
3.大多数轻质人造介电材料是通过随机混合小颗粒制成的，从而具备最终材料的各向同性特性。例如，美国专利9819094b2描述了一种柱面透镜，由具有基本同质的介电常数ε的轻质人造各向同性介电材料制成。当透镜在标称工作频率的自由空间中的直径小于3个波长时，这种设计的透镜比具有相同直径的龙勃透镜提供更大的增益。因此，由具有基本同质的介电常数ε的各向同性介电材料制成的相对较小的透镜比提供相同增益的龙勃透镜小，但具有一些缺陷。
4.由各向同性人造介电材料制成的柱面透镜对通过这种透镜产生电磁波去极化，因此包括这种透镜的天线承受高交叉极化水平。美国专利us 9819094 b2描述了一种多波束天线，该天线包含设置在该透镜周围的称为补偿器的特殊元件。补偿器减少了通过柱面透镜的电磁波的去极化，提高了多波束天线的交叉极化率，但增加了制造成本。由具有基本同质的介电常数ε的各向同性介电材料制成的透镜的另一个缺陷是来自透镜外轮廓的大反射。美国专利us 9780457 b2描述了一种改进匹配自由空间透镜的设计。透镜包括多个隔室，用于具有基本上同质的的介电常数ε的轻质各向同性介电材料。靠近透镜中心设置的介电材料填充隔室比靠近透镜外轮廓设置的介电材料填充隔室的介电常数ε大。这种设计的透镜与能与自由空间更好地匹配，但制造起来更复杂，并且提供的指向性比具有均质性介电常数ε的透镜少。
5.由各向异性介电材料制成的柱面透镜可以减少通过柱面透镜的电磁波去极化，提高多波束天线的交叉极化率。
6.在新西兰nz专利752904和美国专利us 10971823 b1描述了具备各向异性特性并适用于制造柱面透镜的轻质人造介电材料。这些材料由具有薄壁的短导电管组成，并分层放置在发泡介电材料内部。一层包括一片含有多个孔的发泡介电材料。薄壁的短导电管被放置在由轻质介电材料制成的孔中。包含管的层被不带管的轻质介电材料层隔开。新西兰专利752904描述了所有导电管的轴线都背向垂直于层的方向的材料。这种结构可以提供沿管轴传播高达2.5的介电常数ε的电磁波，但沿着垂直方向的传播的电磁波的介电常数ε明
显变小。美国专利us10971823 b1描述的人造介电材料包含具有垂直层和平行于层的轴向的管。由于管的不同取向，这种材料具备了期望的各向异性特性，从而降低了包括柱面透镜的天线的交叉极化水平。
7.聚焦射频波的透镜必须与自由空间很好地匹配，以改善多波束天线的回波损耗和隔离度，因此需要使新型人造介电材料制成的透镜与自由空间良好匹配。


技术实现要素：

8.本实用新型的第一目的是克服已知由轻质人造介电材料制成的透镜的不足，研发一种与自由空间良好匹配的袖珍型透镜。本实用新型的第二个目的是提供与自由空间良好匹配的透镜，与已知的类似物相比，其制造更简单。
9.本实用新型研发了一种柱面聚焦透镜，其包含介电外罩和人造介电材料，该人造介电材料包括多层设置的发泡介电材料片和放置在发泡介电材料片中的多个短导电管。导电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。设置在介电片中的短导电管形成一个圆和一个围绕该圆的环，并通过没有短导电管的发泡介电材料环与该圆和天线罩隔开。包含短导电管的发泡介电材料片被没有短导电管的发泡介电材料片隔开。
10.包含短导电管的圆圈形成一层聚焦筒。发泡介电材料的两个环和包含短导电管的环形成宽带变压器，匹配包含具有自由空间的短导电管的环。形成圆的导电管可以以新西兰专利752904和美国us10971823 b1中描述的任何晶格的形状布置。包括形成其他形状晶格的管的透镜也可以通过包含管的环和发泡介电材料环的变压器与自由空间相匹配。在一些工作频率低于1ghz且具有大尺寸发泡介电材料环的透镜中，可以用空隙代替以使其更轻并节省发泡介电材料。
11.形成一层圆环和圈的短导电管的轴线可以指向相同的方向或不同的方向。
12.放置在不同层的短导电管的轴线可以指向相同的方向或不同的方向。
13.放置在一层中的短导电管的轴线可以垂直于该层或平行于该层。
14.放置在一层中并平行于该层的短导电管的轴线可以垂直于设置在相邻层并平行于该层的短导电管的轴线。
15.形成宽带变压器的环的宽度取决于工作频带和作为宽带变压器外部的介电天线罩的厚度。
16.放置在圆和带短导电管的环之间的不带短导电管的发泡介质材料环的宽度是带短导电管的环的宽度的0.2-0.8倍。放置在介电天线罩和带短导电管之间的不带短导电管的发泡介电材料环的宽度是带短导电管的环的宽度的1.0-4.0倍。
17.放置在相邻层中的管可以在相同轴上彼此重叠放置或彼此移位并具有不同轴。
18.管子以不同的管子轴线方向放置。一些管的轴线垂直于层而其他管的轴线平行于层。具有平行于层的轴的管可以彼此垂直放置。如此，管的轴线具有三个正交方向，因此所提供的轻质人造介电材料的介电特性较少依赖于穿过材料的电磁波的方向和极化。
19.放置在一层中的管可以具有相同的轴取向或不同的轴取向。放置在彼此之上的包含管的层可以具有相同的结构或不同的结构。
20.包含所述变压器的透镜不包含额外的元件，因此与已知的类似物相比，它们的制造更简单。此类变压器可用于匹配其他类型的聚焦透镜。
31a以六边形晶格的形状排列并且管的轴线平行于该层并且垂直于该横截面c-c。布置在环6和环7之间的管31b布置成两个圈，形成布置在圈5和介电天线罩9之间的环8，并且通过由没有管的发泡介电材料形成的环10和12隔开。管31b的轴线平行于层并垂直于截面c-c。
36.图1g示出了柱面透镜的横截面a-a，该柱面透镜包括具有图1a到1f带管的所有层, 并被没有管的发泡介电材料层4隔开。这些层堆叠在一起形成十二个组件14，具备所需的各向异性特性。由于具有不同介电常数值ε的环8、10和12与来自天线罩9和圆 5的反射相比，以相反的方式反射通过透镜的电磁波，因此透镜改善了与自由空间的匹配度。来自环8、10和12的额外反射抑制来自天线罩9和与具有自由空间的透镜匹配的圆5的反射。提供最佳匹配的环8、10和12的宽度取决于标称工作频率和天线罩9的厚度以及介电常数值ε。
37.图2a说明了穿过天线罩9和环8、10和12的平面电磁波的多次反射，具有相对于透镜轴的不同介电常数值ε。介电材料层归一化的阻抗相对于自由空间的阻抗是公式 z＝1/squrt介电常数ε，因此，来自介电材料层的平面电磁波的反射可以计算为来自具有不同阻抗z和长度的主线的依次(紧密)相连的部分的反射。图2b示出了具有外半径 r的天线罩9和环8、10和12的阻抗。
38.表1包含宽度w和形成人造介电材料透镜的变压器的环的介电常数ε，介电常数ε＝2.0，放置在环5中。变压器的外部天线罩厚度为3mm,介电常数ε＝4.3。
39.表1
[0040][0041]
表2包含模拟匹配变压器的传输线的紧密(依次)连接的部分电气长度l＝wsqurt 介电常数ε和归一化阻抗z。
[0042]
表2
[0043][0044]
计算出的变压器通过0.5-1.0ghz的宽频带提供vswr＝1.06，因此这种方式可用于匹配用于宽带多波束天线的不同透镜，包括用于现代移动通信基站的天线透镜。
[0045]
如图1g所示，短导电管填充在环10、8和12与圆5一起形成的发泡介电材料的整个圆片的孔中。所提供的将透镜与自由空间匹配的方式不需要像专利us 9780457 b2所描述的那样具有多个隔室的复杂天线罩，因此匹配透镜的制造成本与由轻质人造介电材料制成的透镜相同，具有基本同性介电常数ε。环8、10和12与天线罩9一起形成一个宽带变压器，其长度小于常用的变压器，由在标称工作频率和不同阻抗的自由空间中长度等于四分之一波长的部分组成。结果，根据本实用新型，透镜具有比提供相同增益的透镜更小的直径，其中该介电常数ε朝着透镜的外轮廓依次地减小。
[0046]
应用的其他实施例，在层中移位的管可以形成其他结构并且透镜可以包括其他数量的不同层。例如，图3a到3e中所示由两种不同层组装而成的柱面透镜，每层包括多个布置成圆形并且其轴线具有两个正交取向的短导电管。
[0047]
图3a和3b分别示出了第一层41的俯视图和相应的横截面d-d，其中放置在圆45内部的管40a和43a以向日葵(晶格)的形状布置。形成奇数圆的管40a的轴线平行于层并且平行于圆45。形成偶数圆的管43a的轴线垂直于层。放置在圆46和47之间的管40b放置成两个圆，形成布置在圆45和电介质天线罩49之间的环48，并且通过由没有管的发泡电介质材料形成的环50和52隔开。管40b的轴线平行于层并且平行于圆45。管43b的轴线垂直于层。细电介质棒53穿过所有层并相互固定形成透镜。
[0048]
图3c和3d分示出了第二层的俯视图和相应的横截面e-e，其中布置在圆45内部的管 60a和63a以向日葵(晶格)的形状布置。形成奇数圆的管60a的轴线平行于层并垂直于圆45。形成偶数圆的管63a的轴线垂直于层。放置在圆圈46和47之间的管60b放置成两个圆，形成布置在圆45和电介质天线罩49之间的环48，并且通过由没有管的发泡电介质材料形成的环50和52隔开。管60b的轴线平行于层并垂直于圆45。管63b的轴线垂直于层。
[0049]
图3e示出了包括图3a到图3b，图3c到3d中所示的层的柱面透镜的横截面a-a，这些层被没有管的发泡介电材料层54分隔。这些层堆叠在一起形成十二个组件44，具备所需的各向异性特性。
[0050]
由于具有不同介电常数值ε的环48、50和52与来自天线罩49和圆45的反射相比，以相反的方式反射通过透镜的电磁波，因此透镜改善了与自由空间的匹配度。
[0051]
来自环48、50和52的额外反射抑制来自天线罩49和与具有自由空间的透镜匹配的圆45的反射。提供最佳匹配的环48、50和52的宽度取决于标称工作频率和天线罩49的厚度以及介电常数值ε。
[0052]
聚焦透镜群体可以通过但不仅限于上述实施案例匹配自由空间，透镜也可以由其他结构的管组成，比如，形成层的管可以有三个正交方向，管形成的匹配变压器的环也可以包含有三个正交方向的轴线的管，这样的透镜也可以只包含一种层。
[0053]
应当理解，如果在此引用任何现有技术出版物，则该引用不构成承认该出版物是任何国家的本领域公知常识的一部分。