柱形龙伯透镜的制造方法和龙伯透镜天线

摘要

本发明涉及一种柱形龙伯透镜的制造方法和龙伯透镜天线，方法用于制造柱形龙伯透镜，该柱形龙波透镜包括沿径向方向由内至外依次设置的若干层环形透镜；方法包括：获取各环形透镜的初始半径和初始厚度，并分别确定各环形透镜的目标半径和目标厚度；目标半径和目标厚度为初始半径和初始厚度经归一化处理得到；基于各初始半径和各初始厚度，确定各环形透镜的介电常数值；根据各介电常数值、各目标半径和各目标厚度，向3D打印机传输打印指令；打印指令用于指示3D打印机打印柱形龙伯透镜。本申请可通过3D打印的方法制造低剖面的柱状龙伯透镜，提供了简明可行的变形龙伯透镜制造方法，进而降低龙伯透镜的制造难度。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及柱形龙伯透镜的制造方法和龙伯透镜天线。

背景技术

随着射频技术、电磁场与电磁波理论的告诉发展，无线电设备已经在人类社会中发挥了重大作用。其中，天线作为无线电系统中电磁波的发送端和接收端，其性能的优劣将对无线电系统的整体性能产生决定性影响。随着射频技术向超高频和极高频拓展，以及频谱资源的开发使用，毫米波展现出巨大的优势和应用场景。其中，毫米波的工作波长介于微波和远红外波相交叠的波长范围内，其频率范围为30GHz至300GHz，因而同时兼具两种波的特点。目前，毫米波的应用范围有无线通信、卫星通信、雷达系统、射频识别、电磁干扰等，并且在5G通信和民用汽车防撞雷达等方面具有突出优势。

而龙伯透镜引起优良的宽带特性、快速波束切换能力、宽角度扫描能力、波束聚焦能力和高速数传能力，在毫米波频率范围内展现出绝对的优势，因此可广泛应用于上述多个领域中。然而，发明人发现，传统的龙伯透镜存在制备过程复杂的问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统技术中存在的制造过程复杂的问题，提供一种简明可行的柱形龙伯透镜的制造方法和龙伯透镜天线。

为实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种柱形龙伯透镜的制造方法，该方法用于制造柱形龙伯透镜，柱形龙伯透镜包括沿径向方向由内至外依次设置的若干层环形透镜。该方法包括：获取各环形透镜的初始半径和初始厚度，并分别确定各环形透镜的目标半径和目标厚度；其中，目标半径和目标厚度为初始半径和初始厚度经归一化处理得到；基于各初始半径和各初始厚度，确定各环形透镜的介电常数值；根据各介电常数值、各目标半径和各目标厚度，向3D打印机传输打印指令；其中，打印指令用于指示3D打印机打印柱形龙伯透镜。

在其中一个实施例中，基于各初始半径和初始厚度，确定各环形透镜的介电常数值的步骤，包括：采用准保角变换理论和麦克斯韦方程分别处理各初始半径和各初始厚度，得到柱形龙伯透镜的相对介电常数分布函数；根据相对介电常数分布函数，确定各环形透镜的介电常数值；其中，相邻两层环形透镜的介电常数值之比为定值。

在其中一个实施例中，分别确定各环形透镜的目标半径和目标厚度的步骤，包括：

根据本层环形透镜对应的初始半径确定本层环形透镜的半径取值区间，并根据本层环形透镜对应的初始厚度确定本层环形透镜的厚度取值区间；采用格林函数和电磁场叠加算法处理半径取值区间和厚度取值区间，得到本层环形透镜的归一化外侧半径；根据归一化外侧半径分别确定本层环形透镜的目标半径和目标厚度。

在其中一个实施例中，获取各环形透镜的初始半径和初始厚度的步骤，包括：采用变换光学理论对理想龙伯透镜的天线参数进行变形，得到初始半径和初始厚度。

在其中一个实施例中，打印指令用于指示3D打印机通过多次单层打印制造柱形龙伯透镜。

另一方面，本申请实施例提供了一种龙伯透镜天线，包括柱形龙伯透镜。该柱形龙伯透镜包括径向方向由内至外依次设置的若干层环形透镜，且采用上述的制造方法进行制备。

在其中一个实施例中，各环形透镜的介电常数值互不相同且由内至外依次递减，相邻两层环形透镜的介电常数值之比为定值。

在其中一个实施例中，龙伯透镜天线还包括馈源，馈源设于最外层的环形透镜上。

在其中一个实施例中，环形透镜的数量为5层。

在其中一个实施例中，各环形透镜的厚度互不相同。

上述柱形龙伯透镜的制造方法和龙伯透镜天线中，柱形龙伯透镜包括沿径向方向由内至外依次设置的若干层环形透镜，通过获取各环形透镜的初始半径和初始厚度，并分别确定各环形透镜的目标半径和目标厚度，其中所述目标半径和所述目标厚度为所述初始半径和所述初始厚度经归一化处理得到；以及基于各所述初始半径和各所述初始厚度，确定各所述环形透镜的介电常数值；根据各所述介电常数值、各所述目标半径和各所述目标厚度，向3D打印机传输打印指令；所述打印指令用于指示所述3D打印机打印所述柱形龙伯透镜，从而可通过3D打印的方法制造低剖面的柱状龙伯透镜，提供了简明可行的变形龙伯透镜制造方法，进而降低龙伯透镜的制造难度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中柱形龙伯透镜的制造方法的流程示意图；

图2为一个实施例中确定目标半径和目标厚度的流程示意图；

图3为一个实施例中确定各环形透镜的介电常数值的流程示意图；

图4为一个实施例中龙伯透镜天线的第一结构示意图；

图5为一个实施例中龙伯透镜天线的第二结构示意图；

附图标记说明：

410-第一环形透镜，412-第二环形透镜，414-第三环形透镜，416-第四环形透镜，418-第五环形透镜，420—馈源，422—金属片。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该/其”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

正如背景所述，传统的龙伯透镜存在制备过程复杂的问题，除此之外，传统的龙伯透镜还具有材料难制备、结构复杂、体积庞大等弊端，前述种种弊端限制了龙伯透镜在毫米波段的进一步应用，导致其无法进行大规模的普及和推广。基于此，有必要提供一种简明可行、制造简单的变形龙伯透镜分层方法和制造方法，以解决龙伯透镜存在的电磁特性工程实现困难、制备过程复杂等问题。在一些实施例中，还提供了一种新型低剖面的龙伯透镜天线，该龙伯透镜天线具有结构简明的优点。进一步地，该龙伯透镜天线还可应用在毫米波通信上，并可实现高增益、低旁瓣电平和小型化。

在一个实施例中，请参阅图1，图1示出了一种柱形龙伯透镜的制造方法，用于制造柱形龙伯透镜，该柱形龙波透镜包括沿径向方向由内至外依次设置的若干层环形透镜，环形透镜的具体数量可以根据龙伯透镜的具体参数或者天线参数等进行确定，本申请对此不作具体限制。为便于理解，下面以5层环形透镜为例进行说明。该制造方法具体包括以下步骤：

步骤S110，获取各环形透镜的初始半径和初始厚度，并分别确定各环形透镜的目标半径和目标厚度；目标半径和目标厚度为初始半径和初始厚度经归一化处理得到。

其中，各层环形透镜均可分别与相应的初始半径、初始厚度、目标半径和目标厚度对应，各初始半径之间、各初始厚度之间、各目标半径之间和各目标厚度之间可以互不相同。初始半径可以为对理想龙伯透镜进行变换后得到的，用于估计环形透镜的目标半径的数值；初始厚度可以为对理想龙伯透镜进行变换后得到的，用于估计环形透镜的目标厚度的数值。同一层环形透镜的初始半径和目标半径可以相同或不同。同理，同一层环形透镜的初始厚度和目标厚度之间可以相同或不同。目标半径为在制造柱形龙伯透镜时，环形透镜的半径值；目标厚度为制造柱形龙伯透镜时，环形透镜的厚度值。进一步地，初始厚度可以根据各初始半径确定，目标厚度可以根据各目标半径确定得到。

具体而言，分别获取各层环形透镜对应的初始半径和初始厚度。在其中一个实施例中，获取各环形透镜的初始半径和初始厚度的步骤，包括：采用变换光学理论对理想龙伯透镜天线的天线参数进行变形，得到初始半径和初始厚度。通过变换光学理论对球形理想龙波透镜天线的天线参数进行变形，从而可得到柱形龙伯透镜各层透镜的初始半径和初始厚度。

在得到各初始半径和初始厚度后，针对每一层环形透镜，均可根据该层环形透镜对应的初始半径和初始厚度，确定该层环形透镜的目标半径和目标厚度在其中一个实施例中，如图2所示，对于每一层环形透镜，确定本层环形透镜的目标半径和目标厚度的步骤，包括：

步骤S210，根据本层环形透镜对应的初始半径确定本层环形透镜的半径取值区间，并根据本层环形透镜对应的初始厚度确定本层环形透镜的厚度取值区间；

步骤S220，采用格林函数和电磁场叠加算法原理处理半径取值区间和厚度取值区间，得到本层环形透镜的归一化外侧半径；

步骤S230，根据归一化外侧半径分别确定本层环形透镜的目标半径和目标厚度。

其中，半径取值区间为目标半径的取值区间，即目标半径的取值范围；厚度取值区间为目标厚度的取值区间，即目标厚度的取值范围。例如，本层环形透镜的初始半径为5，则可据此确定半径取值区间为3至6，在进行计算后可确定目标半径为4.8。归一化外侧半径为环形透镜外侧(即远离圆心的一侧)与圆心之间的距离经归一化处理后得到的值。

具体而言，根据本层环形透镜对应的初始半径确定本层环形透镜的半径取值区间，并根据本层环形透镜对应的初始厚度确定本层环形透镜的厚度取值区间。利用格林函数和电磁场叠加算法处理半径取值区间和厚度取值区间，以计算本层环形透镜对应的口径积分，从而可得出本层环形透镜外侧的归一化半径(即归一化外侧半径)。由于环形透镜一般具备一定的厚度，厚度对其半径存在一定的影响，环形透镜内侧(即靠近圆心方向的一侧)的半径与外侧(即远离圆心方向的一侧)的半径有一定的差距。因此，为提高数据的准确性，本申请根据本层环形透镜的归一化外侧半径来确定本层环形透镜的目标半径，本层环形透镜的目标半径与里一层环形透镜的目标半径的差值即为本层环形透镜的目标厚度。

对于每一层环形透镜，均可重复执行步骤S210至步骤S230，以得到每一环形透镜的目标半径和目标厚度。进一步地，对于最里层的环形透镜，即最靠近圆心的环形透镜，其可为实心结构，也可具备空腔，其具体结构可根据天线参数、设计需求等因素确定，本申请对此不作具体限制。

步骤S120，基于各初始半径和各初始厚度，确定各环形透镜的介电常数值。

具体而言，根据各个初始半径和各个初始厚度，可以得到各层环形透镜的介电常数值，各层环形透镜可通过阶跃的介电常数值来逼近理想龙伯透镜的连续节点行数分布情况，从而符合龙伯透镜天线的分层原理。在其中一个实施例中，如图3所示，基于各初始半径和各初始厚度，确定各环形透镜的介电常数值的步骤，包括：

步骤S310，采用准保角变换理论和麦克斯韦方程分别处理各初始半径和各初始厚度，得到柱形龙伯透镜的相对介电常数分布函数；

步骤S320，根据相对介电常数分布函数，确定各环形透镜的介电常数值；其中，相邻两层环形透镜的介电常数值之比为定值。

具体而言，可由准保角变换理论和麦克斯韦方程求出柱形龙伯透镜的相对介电常数分布函数。以5层环形透镜的龙伯透镜为例，根据相对介电常数分布函数，可确定5个阶跃介电常数值，并通过前述5个阶跃介电常数值逼近理想龙伯透镜的连续介电常数分布情况。此时，中心处环形透镜的介电常数值最高，最外层环形透镜的介电常数值最低，且优化后各层环形透镜的相对介电常数比为定值，即各层环形透镜的介电常数比为定值，符合龙伯透镜天线的分层原理。如此，可通过5层圆柱结构的环形透镜将球面波或柱面波转化为平面波，从而可提高龙伯透镜天线的定向增益。

步骤S130，根据各介电常数值、各目标半径和各目标厚度，向3D打印机传输打印指令；打印指令用于指示3D打印机打印柱形龙伯透镜。

具体而言，可通过3D打印技术制备柱形龙伯透镜，基于各层环形透镜分别对应的介电常数值和几何参数，生成打印指令。在打印指令的控制下，3D打印机可通过3D打印制备满足前述介电常数值和几何参数的各层环形透镜，进而实现柱形龙伯透镜的制备。其中，几何参数包括但不局限于目标半径、目标厚度和透镜曲率等。

在其中一个实施例中，打印指令用于指示3D打印机通过多次单层打印制造柱形龙伯透镜。以5层环形透镜的柱形龙伯透镜为例，在打印指令的控制下，3D打印机通过5次打印单层圆柱壳(一层圆柱壳为一层环形透镜)实现不同的介电常数值和几何参数，在降低制备难度的同时还可提高天线结构的稳定性。进一步地，可通过依次传输各单层打印指令，单层打印指令用于指示3D打印机按照一层环形透镜的介电常数值和几何参数进行打印。在多个单层打印指令的指示下，3D打印机依次打印各层环形透镜。

上述柱形龙伯透镜的制造方法中，柱形龙伯透镜包括沿径向方向由内至外依次设置的若干层环形透镜，通过获取各环形透镜的初始半径和初始厚度，并分别确定各环形透镜的目标半径和目标厚度，其中所述目标半径和所述目标厚度为所述初始半径和所述初始厚度经归一化处理得到；以及基于各所述初始半径和各所述初始厚度，确定各所述环形透镜的介电常数值；根据各所述介电常数值、各所述目标半径和各所述目标厚度，向3D打印机传输打印指令；所述打印指令用于指示所述3D打印机打印所述柱形龙伯透镜，从而可通过3D打印的方法制造低剖面的柱状龙伯透镜，提供了简明可行的变形龙伯透镜制造方法，进而降低龙伯透镜的制造难度。

应该理解的是，虽然图1-3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-3中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，提供了一种龙伯透镜天线，该龙伯透镜天线包括柱形龙伯透镜。其中，柱形龙伯透镜为圆柱结构的龙伯透镜，该龙伯透镜的透镜参数可根据实际情况，如工作频段等进行确定，本申请对此不做具体限制。该柱形龙伯透镜包括沿径向方向由内至外依次设置的若干层环形透镜，并可通过上述的制造方法进行制造。

具体而言，柱形龙伯透镜包括沿径向方向由内至外依次设置的若干层环形透镜，每层环形透镜为一圆柱结构，且最里层环形透镜的可以为一实心结构，也可开设有空腔，其具体结构可根据实际情况以及设计需求进行确定，本申请对此不做具体限制。多层环形透镜依次嵌套从而可得到上述柱形龙伯透镜，以柱形龙伯透镜中包括5层环形透镜为例，5层环形透镜分别为第一环形透镜410、第二环形透镜412、第三环形透镜414、第四环形透镜416和第五环形透镜418，如图4所示，第一环形透镜410设置在最里层且嵌套在第二环形透镜412内，即第二环形透镜412环绕第一环形透镜410设置。第二环形透镜412、第三环形透镜414、第四环形透镜416和第五环形透镜418依次嵌套，在柱形龙伯透镜的半径方向上，第一环形透镜410、第二环形透镜412、第三环形透镜414、第四环形透镜416和第五环形透镜418依次排列。进一步地，相邻的两层环形透镜之间可以贴合设置。

需要说明的是，除了上述5层结构的柱形龙伯透镜外，环形透镜的数量还可根据实际情况(如天线的设计参数等)进行确定，例如，环形透镜的数量还可以为3层、4层、7层等，本申请对此不做具体限制，只需龙伯透镜天线能够实现其上述功能即可。

可以理解，本申请的龙伯透镜天线可根据应用场景、设计位置等不同，用于实现任意频段信号的收发，在其中一个实施例中，本申请的龙伯透镜天线可以为毫米波天线，即该天线的工作频段为毫米波频段，从而可利用龙伯透镜天线优良的宽带特性、快速波束切换能力、宽角度扫描能力、波束聚焦能力和高速数传能力，实现多场景的应用，拓宽了龙伯透镜天线在毫米波频段的应用范围，便于大规模普及和推广。

本实施例中的龙伯透镜天线，通过采用柱形龙伯透镜进行实现，可实现龙伯透镜天线的低剖面和易共形。

在一个实施例中，各环形透镜的介电常数值互不相同，且各环形透镜的介电常数值由内至外依次递减，即最内层的环形透镜的介电常数值最高，最外层的环形透镜的介电常数值最低。相邻两层环形透镜的介电常数值之比为定值。

具体而言，按照各环形透镜在径向方向由内至外的排布顺序，各环形透镜的介电常数值依次递减，最里层环形透镜的介电常数值最高，最外层环形透镜的介电常数值最低。同时，相邻两层环形透镜的介电常数值之比为定值，即对于每一层环形透镜而言，其介电常数值与里一层环形透镜(或外一层环形透镜)的介电常数值的比值为一固定值，该比值是固定不变的。

以上述5层环形透镜为例，各层环形透镜的介电常数值从大至小分别为：第一环形透镜410的介电常数值、第二环形透镜412的介电常数值、第三环形透镜414的介电常数值、第四环形透镜416的介电常数值和第五环形透镜418的介电常数值。同时，第一环形透镜410的介电常数值与第二环形透镜412的介电常数值的比值，第二环形透镜412的介电常数值与第三环形透镜414的介电常数值的比值，第三环形透镜414的介电常数值与第四环形透镜416的介电常数值的比值，第四环形透镜416的介电常数值与第五环形透镜418的介电常数值的比值均是相同的。

如此，可通过多个阶跃介电常数值逼近理想龙伯透镜的连续介电常数分布情况，使得柱形龙伯透镜符合龙伯透镜天线的分层原理，并可采用该柱形龙伯透镜实现通信。同时，通过多层圆柱结构的环形透镜，可实现龙伯透镜天线的低剖面和易共形。该多层结构的环形透镜可将球面波或柱面波转化为平面波，从而提高龙伯透镜天线的增益。

在其中一个实施例中，各层环形透镜的厚度互不相同，即任意两层环形透镜的厚度互不相同以实现龙伯透镜天线特性。

在一个实施例中，龙伯透镜天线还包括馈源420，该馈源420设置于最外层的环形透镜上。其中，最外层的环形透镜为与圆心距离最远的环形透镜，例如图5中的第五环形透镜418。

具体而言，馈源420在最外层环形透镜上具体设置位置，以及具体设置方式均可根据馈源420的实现方式、数量、天线设计参数等因素确定，本申请对此不作具体限制。可以理解，本申请可采用现有技术中任意材料、任意数量、任意形状的馈源420进行实现，当馈源420中包括多个子部件时，各子部件之间的排布方式可按照子部件的材料、数量、形状、天线设计参数、应用场景、工作频段等因素确定，本申请对此不作具体限制。

在其中一个实施例中，如图5所示，馈源420可以包括若干个金属片422，各个金属片422均设置在最外层环形透镜上，且沿柱形龙伯透镜的周向方向依次排布。各金属片422之间可保持一定的间隔距离，间隔距离的具体值可根据实际情况以及设计需求进行确定，本申请对此不作具体限制。

本实施例中，通过将馈源420设置在柱形龙伯透镜的侧面，从而可降低龙伯透镜天线的整体剖面高度，有利于实现集成化。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。