[发明专利]基于人造介电材料的电磁透镜

说明书

本发明公开了一种柱面聚焦透镜，包含介电外罩和人造介电材料，其中人造介电材料包含层状设置的多个多层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；其中，设置放置在所述泡沫发泡介质材料薄片中内的短导电管构成一个圆形和一个围绕该圆形的环形，由无没有短导电管的泡沫发泡介质材料制成构成的环形将由短导电管形成构成的圆形、圆环环形及介电外罩三者相互隔开。本发明的透镜克服了已知由轻质人造介电材料制成的透镜的不足，与自由空间能够良好匹配，且与已知的类似物相比，其制造更简单。

技术领域

本发明涉及由人造介电材料制成的电磁波聚焦透镜。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。本发明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。