[发明专利]一种超轻人工介质多层圆柱透镜

说明书

本发明提供一种超轻人工介质多层圆柱透镜，包括n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，为一个实心圆柱体；围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，分别为n‑1个同心圆环，n个同心层被装配成一个多层圆柱体，其特征在于，所述n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05至1.05间变化；所述n个同心层由低介电常数的基材添加高介电常数、低比重的材料制成。该超轻人工介质圆柱透镜的层数、直径和高度可以根据预定的天线指标要求设计，制成的透镜总表观密度为0.08‑0.095g/cm³，重量超轻，且频率超宽，能够满足各种天线的应用需求，抗老化、无污染，符合环保要求，设计简便，安全可靠，特别适用于密集用户及大数据业务区。

技术领域

本发明涉及天线工程技术领域，尤其涉及一种超轻人工介质多层圆柱透镜。

背景技术

随着移动通信4G、5G、MIMO、卫星通信、雷达、电子战等无线领域市场的需求迅速扩张，对作为无线出入口的天线也提出了新的技术要求。在满足高增益、低副瓣、窄波束、波束覆盖范围广等要求的同时还要提高网速，考虑成本、环境等需要。其中最重要的是天线既要能承载超大信息容量，又不能增加其数量、重量和站址。

近年发展的多波束天线是一种解决方案。传统的多波束天线是用多波束形成网络(BFN)激励辐射单元平面阵列、或用多级巴特勒矩阵等做成。然而，由于存在不对称波束、隔离度、网络损耗导致增益损失、频带窄等问题，使其难以大规模应用。传统的龙伯球透镜技术具有承载多天线、多波束潜力，但由于龙伯透镜重量太重及制造工艺极其复杂，长期以来只能作为雷达无源目标探测、机场跑道盲降等8GHz以上频段少量应用，难以进入民用领域。

传统的龙伯球天线主要通过打孔和发泡两种工艺来制作，过程耗时繁琐且产品质量太重。打孔方式在孔定位和加工上操作难度非常大，而且由于孔的数目较多，制作过程中存在形变和机械强度不足等问题，各部分间的牢固性低，而且这种设计方案只能实现宏观上的介电常数等效，实际上透镜天线的效率非常低；采用发泡方式制作龙伯透镜也存在一定缺陷，传统发泡方法得到的材料介电常数很难超过1.4，再想提升，材料的密度必然会很大，增大重量。而且由于发泡材料的密度难以精确控制，且发泡珠容易发生二次发泡或收缩，导致材料之间存在间隙，其介电常数难以精确控制。

为了解决以上问题，减轻龙伯球的重量，研究人员进行了几十年的努力。最近在市场上已见到应用于移动通信领域的多波束龙伯球透镜天线(在2017年美国特朗普总统就职典的百万群众集会上使用的Matsine Ball，US20110003131A1)该发明人介绍，Matsine龙伯球比天然介质材料(聚四氟乙烯)要轻8倍，比市场上有的人造介质龙伯球要轻3-4倍，是迄今最轻的人造介质龙伯球，天线增益为21dBi。Matsine龙伯球天线与传统移动通信基站天线一样，也配有复杂的垂直波束下倾机构，这是由于垂直面波束宽度窄的缘故，这增加了应用的操作难度、复杂性和成本。

中国发明专利(201511027751.3：一种轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线)公开了一种三层柱面龙伯介质透镜天线，该发明主要通过在低介电常数圆盘状基底材料上开孔填充高介电常数介质材料来实现所需渐变介电常数，三层透镜上面的孔密度由外向内依次变密集。这种方法得到各透镜层的介电常数难以控制，很难得到各层的具体介电常数值，只能从宏观上实现介电常数的变化。且在基底材料上开孔的过程较为繁琐，钻孔加工难度较大，孔数目较多，需考虑材料的形变和机械强度。并且该透镜天线是扁平状的，在垂直面辐射上也没有优势。

中国发明专利(201610393370.5：龙伯透镜天线的制造方法)公开了一种龙伯透镜天线的制造方法，包括如下步骤：对发泡原料进行预发泡处理；根据龙伯透镜天线各透镜层的设计值，对预发泡后的发泡原料进行配置，得到发泡原料粒子组合，并制作对应的模具；将发泡原料粒子组合加入到对应的模具中进行成型，得到龙伯透镜天线的各透镜层；将各透镜层进行组装。该发明虽然能够提高龙伯透镜各透镜层的介电常数的精确度，提高龙伯透镜天线的工作性能。但制作过程较为繁琐，且使用模具复杂，对温度和反应时间控制非常精确，难以大批量生产。