Искусственный диэлектрический материал и выполненные из него фокусирующие линзы
Искусственный диэлектрический материал содержит множество листов диэлектрического материала и множество коротких проводящих трубок, размещенных в листах диэлектрического материала. Листы диэлектрического материала, содержащие короткие проводящие трубки, разделены листами диэлектрического материала без коротких проводящих трубок, и при этом оси трубок ориентированы вдоль по меньшей мере двух разных направлений. Технический результат – обеспечение анизотропных характеристик для уменьшения деполяризации электромагнитной волны, пропущенной через цилиндрическую линзу, а так же упрощение изготовления. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 24 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Настоящая заявка на изобретение испрашивает приоритет заявки на патент Новой Зеландии 752944, поданной 26 апреля 2019 г., содержание которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к искусственным диэлектрическим материалам и фокусирующим линзам для электромагнитных волн.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является предоставление легкого искусственного диэлектрического материала для изготовления таких устройств как фокусирующие линзы и антенны для радиосвязи. Предоставленный материал должен быть прост в изготовлении и иметь воспроизводимые характеристики.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Современный рынок мобильной связи нуждается в многолучевых антеннах, создающих узкие лучи и работающих в разных частотных диапазонах. Фокусировка диэлектрических линз является главной частью большинства эффективных многолучевых антенн. Диаметр фокусирующей линзы должен быть в несколько раз больше длины электромагнитной волны, распространяющейся через линзу, для создания узкого луча, поэтому некоторые линзы многолучевых антенн для мобильной связи имеют диаметр, превышающий 1 м. Такие линзы, выполненные из обычных диэлектрических материалов, слишком тяжелы, поэтому было проведено большое количество исследований для создания легковесных линз с малыми потерями, обеспечивающих желаемые характеристики фокусирующих линз.
Наиболее хорошо известные легковесные искусственные диэлектрические материалы состоят из ориентированных случайным образом проводящих частей, смешанных с непроводящими частями, выполненными из легковесного диэлектрического материала. Очень тяжело изготавливать однородный материал, имеющий желаемые диэлектрические характеристики, смешивая в случайном порядке проводящие и непроводящие части, поэтому фокусирующая линза является наиболее дорогим компонентом многолучевых антенн. Для улучшения характеристик и уменьшения стоимости линз разработка таких материалов постоянно продолжается.
В патенте США №8518537 B2 описан легковесный искусственный диэлектрический материал, содержащий множество ориентированных в случайном порядке малых частиц легковесного диэлектрического материала наподобие вспененного полиэтилена, содержащего проводящие волокна, помещенные внутрь каждой частицы.
Заявка на патент US 2018/0034160 A1 описывает легковесный искусственный диэлектрический материал, содержащий множество ориентированных в случайном порядке малых многослойных частиц легковесного диэлектрического материала, содержащего тонкие проводящие накладки между слоями. В этой заявке написано, что такие многослойные частицы предоставляют большую диэлектрическую проницаемость, чем частицы, содержащие проводящие волокна.
Заявка на патент US 2018/0279202 A1 описывает другие типы легковесного искусственного диэлектрического материала, содержащего множество ориентированных в случайном порядке малых частиц. Один описанный материал содержит малые многослойные частицы легковесного диэлектрического материала, содержащие тонкие проводящие листы между слоями.
Все упомянутые выше легковесные искусственные диэлектрические материалы выполнены при помощи смешивания малых частиц в случайном порядке. Необходимо устранение контакта металл-металл внутри материала, который может привести к искажению пассивной интермодуляции, поэтому изготовление таких материалов включает много этапов и является дорогостоящим.
Смешивание в случайном порядке предоставляет изотропные характеристики конечного материала, состоящего из малых частиц, но для некоторых применений необходим диэлектрический материал, имеющий анизотропные характеристики. Например, цилиндрическая линза, выполненная из анизотропного диэлектрического материала, может уменьшать деполяризацию электромагнитной волны, пропущенной через цилиндрическую линзу, и улучшать коэффициент перекрестной поляризации многолучевой антенны (патент США 9819094 B2). Цилиндрическая линза, выполненная из изотропного искусственного диэлектрического материала, создает деполяризацию электромагнитной волны, пропущенной через такую линзу, поэтому антенна, содержащая такую линзу, может быть подвержена высокому уровню перекрестной поляризации.
Легковесный искусственный диэлектрический материал, предоставляющий анизотропные характеристики и являющийся пригодным для изготовления цилиндрической линзы, был описан в заявке на патент Новой Зеландии 752904, поданной 25 апреля 2019 г. Этот материал состоит из коротких проводящих трубок, имеющих тонкие стенки и расположенных внутри легковесного диэлектрического материала. Трубки расположены в слоях. Один слой содержит лист легковесного диэлектрического материала, содержащего множество отверстий. Легковесный диэлектрический материал может быть пенополимером. Трубки размещены в отверстиях, выполненных в листе легковесного диэлектрического материала, и содержат воздух внутри. Слои, содержащие трубки, разделены слоями легковесного диэлектрического материала без трубок. Оси всех проводящих трубок направлены перпендикулярно от слоев.
Такая конструкция может обладать диэлектрической проницаемостью (Dk) до 2,5 для электромагнитной волны, расходящейся вдоль осей трубок, но ее Dk значительно меньше для электромагнитной волны, распространяющейся в перпендикулярном направлении. Причина такой нежелательной характеристики известного искусственного диэлектрического материала состоит в анизотропной характеристике трубок.
Электромагнитная волна, распространяющаяся через искусственный диэлектрический материал, содержащий проводящие частицы, возбуждает кольцевые токи, протекающие на проводящих частицах, поэтому пропускная способность таких материалов составляет меньше 1. Этот эффект был описан много лет назад (W. E. Kock Metallic delay lenses. // Bell System Technical Journal, v.27, pp. 58-82, January 1948). Когда электромагнитная волна распространяется через квадратную или шестиугольную решетку проводящих трубок в направлении вдоль осей трубок, коэффициент задержки (n) не зависит от поляризации, так как любая поляризация возбуждает те же кольцевые токи. Когда электромагнитная волна распространяется через квадратную или шестиугольную решетку проводящих трубок в направлении, перпендикулярном осям трубок, n зависит от поляризации. Самые большие кольцевые токи протекают на стенке проводящей трубки в направлении, перпендикулярном оси проводящей трубки, когда магнитное поле электромагнитной волны направлено параллельно оси проводящей трубки. В результате пропускная способность для такой поляризации значительно меньше, чем для других поляризаций, и коэффициент задержки n также меньше, чем n для других поляризаций. Возможно повысить коэффициент задержки n для такой поляризации при помощи уменьшения расстояния между трубками, размещенными в слое. Повышение емкости между трубками, размещенными в слое, повышает проницаемость искусственного диэлектрического материала. В результате известный искусственный диэлектрический материал может обеспечить очень малое различие между n для любой поляризации электромагнитной волны, распространяющейся в направлении, перпендикулярном осям проводящих трубок, но не может предоставить тот же n для других направлений электромагнитной волны.
Так как n зависит от угла между направлением электромагнитной волны, пересекающей материал, и осями трубок, такой искусственный диэлектрический материал не подходит для многих применений, требующих изотропного диэлектрического материала, обеспечивающего то же значение n для любого направления и поляризации электромагнитной волны. Например, сферические линзы Люнеберга должны быть выполнены из изотропного диэлектрического материала, имеющего тот же n для любого направления и поляризации электромагнитной волны для сохранения поляризации электромагнитной волны, пропущенной через сферическую линзу. Поэтому существует необходимость в создании искусственного диэлектрического материала, обеспечивающего меньшую зависимость n от направления и поляризации электромагнитной волны, пересекающей материал, по сравнению с известным уровнем техники, например как описано в документе NZ752904. Такой искусственный диэлектрический материал должен предоставлять как желаемые анизотропные характеристики для уменьшения деполяризации электромагнитной волны, пропущенной через цилиндрическую линзу, так и изотропные характеристики, чтобы быть пригодным для изготовления сферических линз Люнеберга. В то же время изготовление такого материала должно быть проще, чем изготовление известных легковесных искусственных материалов, выполненных при помощи смешивания малых частиц, содержащих проводящие элементы, изолированные друг от друга, в случайном порядке.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предоставляет искусственный диэлектрический материал, содержащий множество листов диэлектрического материала и множество коротких проводящих трубок, размещенных в листах диэлектрического материала, при этом листы диэлектрического материала, содержащие короткие проводящие трубки, разделены листами диэлектрического материала без коротких проводящих трубок, и при этом оси трубок ориентированы вдоль по меньшей мере двух разных направлений.
Предпочтительно по меньшей мере два разных направления являются ортогональными направлениями. Короткие проводящие трубки могут иметь поперечное сечение в форме круга или многоугольника, и предпочтительно выполнены из алюминия. Однако, альтернативно, трубки могут быть выполнены из меди, никеля, серебра, или золота.
Предпочтительно диэлектрический материал является пенополимером, который выполнен из материала, выбранного из полиэтилена, полистирола, полипропилена, полиуретана, силикона и политетрафторэтилена.
Короткие проводящие трубки, размещенные в одном слое, могут образовывать квадратную конструкцию (решетку), предоставляя равные расстояния между соседними трубками, размещенными в том же ряду, или в том же столбце. Альтернативно, короткие проводящие трубки, размещенные в одном слое, образуют сотовую конструкцию (решетку), предоставляющую равные расстояния между любыми соседними трубками.
Оси коротких проводящих трубок, размещенных в одном слое, могут быть направлены в одном и том же направлении. Такие оси в одном слое могут быть направлены перпендикулярно слою, или могут быть направлены параллельно слою.
Оси некоторых коротких проводящих трубок, размещенных в одном слое, могут быть направлены перпендикулярно слою, а оси других коротких проводящих трубок могут быть направлены параллельно слою. Оси коротких проводящих трубок, направленные параллельно слою, могут быть направлены в разных направлениях.
Коэффициент задержки n предоставленного искусственного диэлектрического материала зависит от ориентации трубок, расстояний между трубками и между слоями, поэтому предоставленный искусственный диэлектрический материал, содержащий трубки, имеющие разные ориентации осей в слое, и слои с разными конструкциями, обеспечивает больше шансов для достижения желаемых диэлектрических характеристик по сравнению с известным материалом таким, как описан в заявке на патент Новой Зеландии 752904. Например, зависимость n направления распространения электромагнитной волны и поляризация являются меньшими, так как оси трубок имеют несколько направлений, таких как три ортогональных направления. В результате предоставленный искусственный диэлектрический материал может быть применен для изготовления многих типов фокусирующих линз и антенн.
Благодаря обеспечению вышеописанного искусственного диэлектрического материала, настоящее изобретению по меньшей мере частично обеспечивает устранение недостатков известного легковесного искусственного диэлектрического материала, описанного в заявке на патент Новой Зеландии 752904, и обеспечивает легкий искусственный диэлектрический материал, предоставляющий меньшую зависимость n от направления и поляризации электромагнитной волны, распространяющейся через материал. В то же время изготовление такого материала может быть проще, чем изготовление известных аналогов, выполненных при помощи смешивания малых частиц, содержащих проводящие элементы, изолированные друг от друга.
Вместо этого настоящее изобретение предоставляет способ изготовления искусственного диэлектрического материала, включающий размещение тонких проводящих трубок во множестве листов диэлектрического материала и укладывание указанных листов вместе, при этом листы диэлектрического материала, содержащие короткие проводящие трубки, разделяют листами диэлектрического материала без коротких проводящих трубок, и при этом оси трубок ориентируют вдоль по меньшей мере двух разных направлений. Предпочтительно короткие проводящие трубки помещают в ранее созданные отверстия в листах диэлектрического материала.
Настоящее изобретение также предоставляет цилиндрическую фокусирующую линзу, содержащую описанный выше искусственный диэлектрический материал.
Цилиндрическая фокусирующая линза может содержать широкий диапазон конструкций в зависимости от характера использованного искусственного диэлектрического материала и его конструкции. Например, трубки каждого слоя могут образовывать квадратную или шестиугольную решетку. (Фиг. 2). Трубки каждого слоя могут быть расположены радиально кругами и образовывать «конструкцию в виде подсолнуха». (Фиг. 3-8). Слои могут иметь трубки, имеющие оси, направленные только перпендикулярно к слою, и слои, содержащие трубки, имеющие оси, направленные только параллельно слою. (Фиг. 2, 5a). Оси трубок одного слоя, содержащего трубки с осями, направленными только параллельно слою, могут быть направлены перпендикулярно осям трубок другого слоя, содержащего трубки с осями, направленными параллельно слою. (Фиг. 2b, 2c). Каждый слой может содержать трубки с осями, направленными перпендикулярно слою, и трубки с осями, направленными параллельно слою. (Фиг. 4, 6, 7, 8). Оси трубок, направленные параллельно слою и смещенные в четных слоях, могут быть направлены перпендикулярно осям трубок, направленным параллельно слою и смещенным в нечетных слоях. (Фиг. 6). Каждый слой может содержать круги из трубок, имеющие оси, направленные перпендикулярно слою, и круги трубок, имеющие оси, направленные параллельно слою. (Фиг. 8). В таком случае по меньшей мере один круг может содержать трубки, имеющие оси, направленные параллельно слою и параллельно кругу. (Фиг. 8). По меньшей мере один круг может содержать трубки, имеющие оси, направленные параллельно слою и перпендикулярно кругу. (Фиг. 8).
Цилиндрическая фокусирующая линза может содержать диэлектрический стержень, расположенный вдоль продольной оси цилиндрической фокусирующей линзы. (Фиг. 7).
Цилиндрическая фокусирующая линза предусмотрена для применения с многолучевыми антеннами и является более простой в изготовлении по сравнению с известными аналогами.
ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В приведенном ниже описании настоящего изобретения исключительно посредством примера делается ссылка на прилагаемые графические материалы, на которых:
на фиг. 1a-1h показаны виды сверху слоев диэлектрического материала и содержащиеся трубки в различных ориентациях согласно различным вариантами осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2a-2c показаны виды сверху слоев, которые соединены с образованием цилиндрической линзы, поперечное сечение которой показано на фиг. 2d;
на фиг. 3a и 3b показан вид сверху и вид в сечении, соответственно, цилиндрической линзы, собранной из двух типов разных слоев;
на фиг. 4a и 4b показан вид сверху и вид в сечении соответственно, цилиндрической линзы, содержащей множество коротких трубок, расположенных кругами и имеющих две ортогональных ориентации их осей;
на фиг. 5a и 5b показан вид сверху и вид в сечении, соответственно, цилиндрической линзы, содержащей множество коротких трубок, расположенных кругами;
на фиг. 6a и 6b показан вид сверху и вид в сечении, соответственно, цилиндрической линзы, содержащей множество коротких трубок, расположенных кругами и имеющих две ортогональных ориентации их осей;
на фиг. 7a и 7b показан вид сверху и вид в сечении, соответственно, цилиндрической линзы, выполненной из предоставленного легковесного искусственного диэлектрического материала, содержащего стержень, выполненный из обычного диэлектрического материала и расположенный посередине цилиндрической линзы;
на фиг. 8a и 8b показан вид сверху и вид в сечении, соответственно, цилиндрической линзы, содержащей множество коротких трубок, расположенных кругами и имеющих три ортогональных ориентации их осей.
На фиг. 2a-8b линии сечении A-A использованы для указания сечений на соответствующих графических материалах того же набора. Например, сечения, указанные на фиг. 2a-2c, представлены в составном виде слоев, представленных фиг. 2a-2c, показанных на фиг. 2d.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как описано и показано на фигурах, легковесный искусственный диэлектрический материал содержит множество коротких проводящих трубок, имеющих тонкие стенки и расположенных внутри легковесного диэлектрического материала. Поперечное сечение трубки может быть кругом или многоугольником, например квадратом, шестиугольником, или восьмиугольником. Короткие проводящие трубки расположены в слоях. Один слой содержит лист легковесного диэлектрического материала, который может содержать множество отверстий для вставки трубок. Легковесный диэлектрический материал может быть пенополимером. Трубки размещены в отверстиях, выполненных в листе легковесного диэлектрического материала, и содержат воздух внутри трубок. Слои, содержащие трубки, разделены слоями легковесного диэлектрического материала без трубок. Разделяющие слои также могут содержать отверстия, имеющие диаметр, меньший, чем диаметр отверстий для трубок, для обеспечения воздушной вентиляции через легковесный диэлектрический материал. Трубки, размещенные в соседних слоях, могут быть расположены друг над другом на одних и тех же осях, или слои могут быть сдвинуты относительно друг друга и трубки могут иметь разные оси.
Трубки размещены с разной ориентацией осей трубок. Оси некоторых трубок направлены перпендикулярно слоям, а оси других трубок направлены параллельно слоям. Трубки, имеющие оси, направленные параллельно слоям, могут быть размещены перпендикулярно друг другу. Таким образом, в результате того, что оси трубок имеют три ортогональных направления, диэлектрические характеристики предоставленного легковесного искусственного диэлектрического материала являются менее зависимыми от направления и поляризации электромагнитной волны, пересекающей материал. Трубки, размещенные в одном слое, могут иметь одинаковую ориентацию осей, или разную ориентацию. Помещенные друг над другом слои, содержащие трубки, могут иметь одинаковую структуру, или разные структуры.
Несколько вариантов осуществления настоящего изобретения показаны со ссылкой на фиг. 1a-1h, где круглые трубки, размещенные в одном слое, могут образовывать разные конструкции и ориентации.
На фиг. 1a показан вид сверху слоя, содержащего круглые трубки, расположенные рядами, где оси трубок перпендикулярны слою, а расстояния между трубками соседних рядов и расстояния между соседними трубками одного ряда равны. На фиг. 1b показан вид сверху слоя, содержащего круглые трубки, расположенные рядами, где оси трубок перпендикулярны слою. Ряды сдвинуты на половину расстояния между соседними трубками, размещенными в одном ряду, а расстояния между любыми соседними трубками равны. На фиг. 1c показан вид сверху слоя, содержащего круглые трубки, расположенные рядами, где оси всех трубок параллельны слою и параллельны друг другу. На фиг. 1d показан вид сверху слоя, содержащего круглые трубки, расположенные рядами, где оси трубок параллельны слою и параллельны друг другу. Ряды сдвинуты на половину расстояния между соседними трубками, помещенными в один ряд. На фиг. 1e показан вид сверху слоя, содержащего круглые трубки, расположенные рядами, где оси одной половины трубок направлены перпендикулярно слою, а оси другой половины трубок направлены параллельно слою. Каждый ряд содержит трубки с осями, направленными перпендикулярно слою, и трубки с осями, направленными параллельно слою. На фиг. 1f показан вид сверху слоя, содержащего круглые трубки, расположенные рядами, где оси одной половины трубок направлены перпендикулярно слою, а оси другой половины трубок направлены параллельно слою. Каждый ряд содержит трубки с осями, направленными перпендикулярно слою, и трубки с осями, направленными параллельно слою. Соседние ряды сдвинуты на половину расстояния между соседними рядами.
На фиг. 1g показан вид сверху слоя, содержащего круглые трубки, расположенные рядами, где оси одной трети трубок направлены перпендикулярно слою, а оси других трубок направлены параллельно слою. Оси одной половины параллельных трубок направлены перпендикулярно осям другой половины параллельных трубок. На фиг. 1h показан вид сверху слоя, содержащего круглые трубки, расположенные рядами, где оси одной трети трубок направлены перпендикулярно слою, а оси других трубок направлены параллельно слою. Оси одной половины параллельных трубок направлены перпендикулярно осям другой половины параллельных трубок. Соседние ряды сдвинуты на половину расстояния между соседними рядами. Трубки, показанные на фиг. 1a-1h, имеют круглую форму поперечного сечения, но возможно использовать трубки, имеющие любое другое поперечное сечение, например в форме любого многоугольника.
Графические материалы также предоставляют несколько иллюстративных вариантов осуществления цилиндрической линзы, выполненной из обеспеченного искусственного диэлектрического материала, и метод, согласно которому слои могут быть расположены. Со ссылкой на фиг. 2a, это показывает вид сверху первого слоя цилиндрической линзы, где трубки расположены рядами, а оси трубок направлены перпендикулярно слою. Расстояния между соседними трубками равны. На фиг. 2b показан вид сверху второго слоя цилиндрической линзы, где трубки расположены рядами, а оси трубок направлены параллельно слою и вдоль рядов. Расстояния между соседними трубками равны. На фиг. 2c показан вид сверху третьего слоя цилиндрической линзы, где трубки расположены рядами, а оси трубок направлены параллельно слою и перпендикулярны рядам. Расстояния между соседними трубками равны. На фиг. 2d показано сечение цилиндрической линзы, содержащей шесть слоев трубок. Первый слой и четвертый слой одинаковы. Второй слой и пятый слой одинаковы. Третий слой и шестой слой одинаковы. Таким образом, такая линза собрана из трех типов разных слоев.
Для других применений трубки, смещенные в слое, могут образовывать другие конструкции, а линзы могут содержать другие количества разных слоев. Например, цилиндрическая линза, собранная из двух типов разных слоев, показана на фиг. 3a и 3b. На фиг. 3a показан вид сверху первого слоя цилиндрической линзы, где трубки расположены кругами, а ось одной трубки, помещенной в центр линзы, направлена перпендикулярно слою. Оси других трубок направлены параллельно слою и перпендикулярно кругам. Трубки, образующие второй слой, помещены напротив трубок, образующих первый слой, но их оси направлены параллельно кругам, за исключением одной трубки, помещенной в центр линзы. На фиг. 3b показано сечение цилиндрической линзы, содержащей четыре слоя трубок. Первый слой и третий слой одинаковы. Второй слой и четвертый слой одинаковы. Таким образом, такая линза собрана из двух типов разных слоев.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 4a и 4b, где каждый слой цилиндрической линзы содержит множество коротких трубок, расположенных кругами и имеющих две ортогональных ориентации их осей. На фиг. 4а показан вид сверху одного слоя. Оси трубок, расположенных в первом кругу от наружного контура линзы, направлены вдоль слоя. Оси трубок, расположенных во втором кругу от наружного контура линзы, направлены перпендикулярно слою. На фиг. 4b показано сечение цилиндрической линзы, содержащей четыре слоя коротких трубок. Первый слой и второй слой имеют разную ориентацию трубок, расположенных на нечетных кругах. Оси трубок первого слоя, расположенных на нечетных кругах, направлены перпендикулярно кругам. Оси трубок второго слоя, расположенных на нечетных кругах, направлены параллельно кругам. Первый слой и третий слой одинаковы. Второй слой и четвертый слой одинаковы. Таким образом, такая линза собрана из двух типов разных слоев.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 5a и 5b, где каждый слой цилиндрической линзы содержит множество коротких трубок, расположенных кругами. На фиг. 5a показан вид сверху первого слоя цилиндрической линзы, где трубки расположены кругами, а их оси направлены перпендикулярно слою. На фиг. 5b показано сечение цилиндрической линзы, содержащей шесть слоев трубок. Первый слой и четвертый слой одинаковы. Второй слой и пятый слой одинаковы. Третий слой и шестой слой одинаковы. Таким образом, такая линза собрана из трех типов разных слоев. Виды сверху второго слоя и третьего слоя показаны на фиг. 3a.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 6a и 6b, где каждый слой цилиндрической линзы содержит множество коротких трубок, расположенных кругами и имеющих две ортогональных ориентации их осей. На фиг. 6a показан вид сверху первого слоя цилиндрической линзы, где трубки образуют конструкцию, показанную на фиг. 1e и 1f. Трубки расположены кругами и каждый круг содержит трубки с осями, направленными перпендикулярно слою, и трубки с осями, направленными параллельно слою. На фиг. 6b показано сечение цилиндрической линзы, содержащей четыре слоя трубок. Трубки первого слоя с осями, направленными параллельно слою, направлены вдоль кругов. Трубки второго слоя с осями, направленными параллельно слою, направлены перпендикулярно кругам. Первый слой и третий слой одинаковы. Второй слой и четвертый слой одинаковы. Таким образом, такая линза собрана из двух типов разных слоев.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 7a и 7b, где цилиндрическая линза, выполненная из предоставленного легковесного искусственного диэлектрического материала, содержит стержень, выполненный из обычного диэлектрического материала и помещенный в середину цилиндрической линзы. Такой стержень увеличивает Dk в середине такой цилиндрической линзы и обеспечивает механическую поддержку легковесных диэлектрических листов, образующих линзу. Стержень может быть цилиндрическим, или может иметь сечение в форме многоугольника или многолучевой звезды. Слои цилиндрической линзы, показанные на фиг. 7a и 7b, имеют ту же конструкцию, что и цилиндрическая линза, показанная на фиг. 6a и 6b.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 8a и 8b, где каждый слой цилиндрической линзы содержит множество коротких трубок, расположенных кругами и имеющих три ортогональных ориентации их осей. На фиг. 8a показан вид сверху одного слоя. Оси трубок, расположенных на первом кругу от наружного контура линзы, направлены параллельно слою и перпендикулярно кругу. Оси трубок, расположенных на втором кругу от наружного контура линзы, направлены параллельно слою и перпендикулярно кругу. Оси трубок, расположенных на третьем кругу от наружного контура линзы, направлены перпендикулярно слою. Оси трубок, образующих первый, четвертый и седьмой круги, направлены параллельно кругам. Оси трубок, образующих второй, пятый и восьмой круги, направлены перпендикулярно кругам. Оси трубок, образующих третий, шестой и девятый круги, направлены перпендикулярно слою, и эти трубки короче, чем другие трубки, образующие слой. На фиг. 8b показано сечение цилиндрической линзы, содержащей четыре одинаковых слоя, показанных на фиг. 8a. Таким образом, такая линза собрана только из слоев одного типа.
В одном примере диаметр проводящих трубок приблизительно в двадцать раз меньше, чем длина волны рабочей частоты, для предоставления приемлемой зависимости характеристик искусственного диэлектрического материала по сравнению с частотой. Длина проводящих трубок может составлять 0,2-5,0 от их соответствующего диаметра, в зависимости от желаемых характеристик искусственного диэлектрического материала.
Плотность предоставленного искусственного диэлектрического материала в основном зависит от веса трубок и плотности легковесного диэлектрического материала. Например, вспененный полиэтилен имеет плотность в диапазоне 40-100 кг/м3. Алюминиевые трубки, имеющие диаметр 6 мм и толщину стенок 0,1 мм, имеют плотность 180 кг/м3. Предоставленный искусственный диэлектрический материал, содержащий такие трубки и вспененный полиэтилен, имеет плотность приблизительно 140 кг/м3 и проницаемость приблизительно 2,5, когда расстояния между трубками и слоями составляют приблизительно 1 мм. Пропускная способность этого материала составляет приблизительно 0,75, а коэффициент задержки n составляет приблизительно 1,37.
Цилиндрическая линза была собрана из трех типов листов вспененного полиэтилена, содержащего шестиугольную решетку трубок. Оси трубок, размещенных в первом листе, направлены параллельно продольной оси линзы, как показано на фиг. 2a. Оси трубок, размещенных во втором и третьем листах, направлены перпендикулярно продольной оси линзы, как показано на фиг. 2b и 2c. Оси трубок, размещенных во втором и третьем листах, направлены перпендикулярно друг другу. Листы, содержащие трубки, разделены листами вспененного полиэтилена без трубок, как показано на фиг. 2d. Листы были собраны внутри стекловолоконной трубки, имеющей диаметр 350 мм и толщину стенок 2 мм, и сжаты вместе между верхним и нижним покрытиями, размещенными на краях стекловолоконной трубки, имеющей длину 400 мм. Такая линза, возбуждаемая одним источником излучения, излучающим две наклонные линейные поляризации, увеличивает коэффициент преобразования источника излучения на 2,5 дБ и обеспечивает перекрестную поляризацию ниже 16 дБ в диапазоне частот 1,7-2,2 ГГц. Такой результат демонстрирует характеристики примера такого предоставленного искусственного диэлектрического материала.
Группа фокусирующих линз, которые могут быть созданы из предоставленного искусственного диэлектрического материала, не ограничена описанными выше вариантами осуществления. Слои фокусирующих линз также могут быть образованы другими конструкциями. Например, конструкциями, показанными на фиг. 1g и 1h, где оси трубок, образующих каждый ряд, направлены в трех ортогональных направлениях. Если трубки, образующие один слой цилиндрической линзы, будут расположены кругами, то каждый круг может содержать трубки, имеющие три ортогональных направления осей. Такие линзы могут быть собраны из слоев только одного типа. Трубки, образующие слой, могут быть равными или иметь разные размеры. Расстояния между трубками могут быть равны и образовывать конструкцию, обеспечивающую постоянный n вдоль слоя. Расстояния между трубками могут быть неравными и образовывать несколько участков, обеспечивающих разный n вдоль слоя. Такие слои, показанные на фиг. 5-7 в заявке на патент Новой Зеландии 752904, образованы трубками, имеющими оси, направленные перпендикулярно слою. Так как n зависит от угла между направлением электромагнитной волны, пересекающей материал, и осями трубок, такой искусственный диэлектрический материал не подходит для многих применений, требующих изотропного диэлектрического материала, предоставляющего то же значение n для любого направления и поляризации электромагнитной волны. Предоставленный искусственный диэлектрический материал, содержащий трубки, имеющие, например, три ортогональных направления осей, является подходящим для изготовления сферических линз Люнеберга, которые должны быть выполнены из изотропного диэлектрического материала, имеющего одинаковый n для любого направления и поляризации электромагнитной волны.
В приведенной ниже формуле изобретения и в вышеприведенном описании настоящего изобретения, за исключением случаев, когда согласно контексту необходимо иное по причине ясности выражения или необходимости подразумеваемого положения, слово «содержать» или его варианты, такие как «содержит» или «содержащий», использовано включительно, т.e. для указания присутствия указанного признака, но без исключения присутствия или добавления дополнительных признаков в различных вариантах осуществления настоящего изобретения.
Необходимо понимать, что если в данном документе делается ссылка на какую-либо публикацию из известного уровня техники, то такая ссылка не представляет собой допущение того, что данная публикация образует часть общеизвестных знаний из уровня техники какой-либо страны.
1. Искусственный диэлектрический материал, содержащий множество листов диэлектрического материала и множество коротких проводящих трубок, размещенных в листах диэлектрического материала, при этом листы диэлектрического материала, содержащие короткие проводящие трубки, разделены листами диэлектрического материала без коротких проводящих трубок, и при этом оси трубок ориентированы вдоль по меньшей мере двух разных направлений.
2. Искусственный диэлектрический материал по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере два разных направления являются ортогональными направлениями.
3. Искусственный диэлектрический материал по п. 1 или 2, отличающийся тем, что короткие проводящие трубки имеют поперечное сечение в форме круга или многоугольника.
4. Искусственный диэлектрический материал по любому из пп. 1–3, отличающийся тем, что короткие проводящие трубки выполнены из алюминия.
5. Искусственный диэлектрический материал по любому из пп. 1–4, отличающийся тем, что диэлектрический материал является пенополимером.
6. Искусственный диэлектрический материал по п. 5, отличающийся тем, что пенополимер выполнен из материала, выбранного из полиэтилена, полистирола, полипропилена, полиуретана, силикона и политетрафторэтилена.
7. Искусственный диэлектрический материал по любому из пп. 1–6, отличающийся тем, что короткие проводящие трубки, размещенные в одном слое, образуют квадратную конструкцию, обеспечивая равные расстояния между соседними трубками, размещенными в том же ряду или в том же столбце.
8. Искусственный диэлектрический материал по любому из пп. 1–6, отличающийся тем, что короткие проводящие трубки, размещенные в одном слое, образуют сотовую конструкцию, обеспечивающую равные расстояния между любыми соседними трубками.
9. Искусственный диэлектрический материал по любому из пп. 1–6, отличающийся тем, что оси коротких проводящих трубок, размещенных в одном слое, направлены в одном и том же направлении.
10. Искусственный диэлектрический материал по п. 9, отличающийся тем, что оси коротких проводящих трубок, размещенных в одном слое, направлены перпендикулярно слою.
11. Искусственный диэлектрический материал по п. 9, отличающийся тем, что оси коротких проводящих трубок, размещенных в одном слое, направлены параллельно слою.
12. Искусственный диэлектрический материал по любому из пп. 1–8, отличающийся тем, что оси некоторых коротких проводящих трубок, размещенных в одном слое, направлены перпендикулярно слою, а оси других коротких проводящих трубок направлены параллельно слою.
13. Искусственный диэлектрический материал по п. 12, отличающийся тем, что оси коротких проводящих трубок, направленные параллельно слою, направлены в разных направлениях.
14. Цилиндрическая фокусирующая линза, содержащая искусственный диэлектрический материал по любому из пп. 1–6.
15. Цилиндрическая фокусирующая линза по п. 14, отличающаяся тем, что трубки каждого слоя образуют квадратную или шестиугольную решетку.
16. Цилиндрическая фокусирующая линза по п. 14, отличающаяся тем, что трубки каждого слоя расположены радиально кругами.
17. Цилиндрическая фокусирующая линза по п. 14, отличающаяся тем, что содержит слои с трубками, имеющими оси, направленные только перпендикулярно слою, и слои, содержащие трубки, имеющие оси, направленные только параллельно слою.
18. Цилиндрическая фокусирующая линза по п. 17, отличающаяся тем, что оси трубок слоя, содержащего трубки с осями, направленными только параллельно слою, направлены перпендикулярно осям трубок другого слоя, содержащего трубки с осями, направленными параллельно слою.
19. Цилиндрическая фокусирующая линза по п. 16, отличающаяся тем, что каждый слой содержит трубки с осями, направленными перпендикулярно слою, и трубки с осями, направленными параллельно слою.
20. Цилиндрическая фокусирующая линза по п. 19, отличающаяся тем, что оси трубок, направленные параллельно слою и смещенные на четных слоях, направлены перпендикулярно осям трубок, направленным параллельно слою и смещенным на нечетных слоях.
21. Цилиндрическая фокусирующая линза по п. 16, отличающаяся тем, что каждый слой содержит круги из трубок, имеющих оси, направленные перпендикулярно слою, и круги из трубок, имеющих оси, направленные параллельно слою.
22. Цилиндрическая фокусирующая линза по п. 21, отличающаяся тем, что по меньшей мере один круг содержит трубки, имеющие оси, направленные параллельно слою и параллельно кругу.
23. Цилиндрическая фокусирующая линза по п. 21, отличающаяся тем, что по меньшей мере один круг содержит трубки, имеющие оси, направленные параллельно слою и перпендикулярно кругу.
24. Цилиндрическая фокусирующая линза по п. 14, отличающаяся тем, что диэлектрический стержень расположен вдоль продольной оси цилиндрической фокусирующей линзы.
25. Способ изготовления искусственного диэлектрического материала, включающий размещение коротких проводящих трубок во множестве листов диэлектрического материала и укладывание указанных листов вместе друг на друга, при этом листы диэлектрического материала, содержащие короткие проводящие трубки, разделяют листами диэлектрического материала без коротких проводящих трубок, и при этом оси трубок ориентируют вдоль по меньшей мере двух разных направлений.
26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что короткие проводящие трубки помещают в предварительно созданные отверстия в листах диэлектрического материала.
