低频段宽角域的异形龙伯透镜及设计方法

本发明涉及龙伯透镜，具体是一种椭球型的龙伯透镜反射器，实现在低频段、宽角域下增强散射特性的应用。

背景技术：

1、龙伯透镜是一种特殊的介电常数分布结构，其介电常数沿径向逐渐变化，用于控制电磁波的传播和散射特性。目前常见的龙伯透镜多为球形结构，体积占比较大，且通常需要使用介电常数在2～1之间的材料。在自然界中很难找到合适的低介电的材料。传统方法通过分层堆叠材料或化学合成等手段获得最低介电常数材料，然而这些方法存在制备复杂、成本昂贵等问题。

2、申请号为“202022918742.6”的实用新型专利申请提出了一种透镜本体为椭球型的龙伯透镜设计方案。该设计将传统的球形龙伯透镜变形为椭圆形扁球面龙伯透镜，相比传统的球形结构，这种椭球型龙伯透镜不仅能够透镜本体的特性，保证了增益等性能的稳定，而且能够减小透镜的体积。然而，这项技术的材料制备是通过采用带金属纤维的颗粒来粘贴呈一层层的介电常数层，导致生产工序复杂，生产效率较低。

技术实现思路

1、本发明提出了一种应用于低频段、宽角域下增强散射特性的椭球型龙伯透镜反射器。与上述实用新型专利方法相比，本发明应用于低频段的电磁波，并采用介电常数为3～1.5之间的材料，这也扩大了可选择的材料范围，同时避免了复杂工艺下使用金属纤维颗粒的问题。该发明不仅设计了适用于低频段宽角域的透镜反射器，以实现增益效果，还成功减小了透镜的体积和质量。同时，在透镜生产加工过程中，本发明具有材料可选性大、设计合理、生产效率高等优点。

2、为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

3、一种低频段宽角域的异形龙伯透镜的设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1、定义异形龙伯透镜的中心为坐标系圆心建立坐标系，其中透镜的空间坐标为(x,y,z)，异形龙伯透镜由k层椭圆形介电球壳嵌套，层数k≥4，每层介电球壳在xoy面和xoz面投影均呈现椭圆形，椭圆的长轴在x方向，短轴在y方向，每层介电球壳在xoy面投影的椭圆的长轴和短轴分别用变量lx和ly表示，而每层介电球壳的高度则用变量lz表示，参数m＝ly/lx，参数n＝lz/lx；

5、步骤2、令lx＝r，r取值在60～120mm，而m、n的取值范围在0～1之间；

6、步骤3、从内层到外层的介电球壳对应的介电常数在3-1.5的区间逐渐减小。

7、本发明还提供一种低频段宽角域的异形龙伯透镜，定义异形龙伯透镜的中心为坐标系圆心建立坐标系，其中透镜的空间坐标为(x,y,z)，异形龙伯透镜由k层椭圆形介电球壳嵌套，层数k≥4，每层介电球壳在xoy面和xoz面投影均呈现椭圆形，椭圆的长轴在x方向，短轴在y方向，每层介电球壳在xoy面投影的椭圆的长轴和短轴分别用变量lx和ly表示，而每层介电球壳的高度则用变量lz表示，参数m＝ly/lx，参数n＝lz/lx；

8、令lx＝r，r取值在60～120mm，而m、n的取值范围在0～1之间；

9、异形龙伯透镜由k层介电球壳嵌套，层数k≥4，从内层到外层的介电球壳对应的介电常数在3-1.5的区间逐渐减小。

10、作为优选方式，k＝5。

11、作为优选方式，k＝5，从内到外每层介电球壳的xoy面投影的椭圆的长轴参数依次取值为lx1～lx5，分别为0.2r、0.4r、0.6r、0.8r、r，而xoy面投影的椭圆的短轴参数ly1～ly5、高度lz1～lz5的取值由参数m和n确定。

12、作为优选方式，k＝5，从内到外的介电球壳对应的介电常数分别取2.85、2.6、2.3、2、1.6。

13、作为优选方式，设计lx＝r＝100mm，取m＝0.5，n＝0.5。

14、作为优选方式，k为6，从内到外每层介电球壳的xoy面投影的椭圆的长轴参数取值lx1～lx6分别为0.3r、0.4r、0.6r、0.8r、0.9r、r，而参数ly1～ly6和lz1～lz6的取值由参数m和n确定。每层球壳从内到外对应的介电常数分别取2.8、2.6、2.3、2、1.6、1.45。

15、作为优选方式，m＝0.5，n＝0.5；或者m＝0.7，n＝0.5；或者m＝0.7，n＝0.6。

16、本发明的原理为：椭球型结构的龙伯透镜的技术方案是这样实现的：一种洋葱状结构的多层椭球型龙伯透镜反射器，包括内部的椭球体、多层椭球型球壳层及反射层。该透镜反射器的特点在于利用材料的介电常数相对于传统透镜更大，从而使得透镜在制造中具有更多的选择性，并且实现了在低频段的宽角域增益效果。

17、这种设计方式可以压缩透镜的尺寸，传统的龙伯透镜的直径设为r，体积从原先的减小到2πmnr3，同时在xoz平面的面积从πr2减小为4nr2。这样的设计不仅能够有效减小的体积，还能有效减轻透镜的质量。

18、本发明的有益效果为：

19、本发明提供了一种低频段宽角域的椭球型龙伯透镜，其介电层的介电常数设计使得工艺的复杂性降低，生产成本得以减少，并且生产效率得到提高。异形透镜相比于传统的球形龙伯透镜在体积上缩小了47.5％，在xoz平面上面积减小了36.3％。这种设计能够有效减小透镜的尺寸，降低了透镜的重量，使得其更适用于实际应用中的安装与携带。同时，本发明保证了透镜在电磁波中的增益效果。在3.2ghz低频段下，透镜在xoz方向和yoz方向均能实现一个宽角域的散射增强，说明透镜在低频段的宽角域应用具有良好的性能表现。

技术特征：

1.一种低频段宽角域的异形龙伯透镜的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

2.一种低频段宽角域的异形龙伯透镜，其特征在于：定义异形龙伯透镜的中心为坐标系圆心建立坐标系，其中透镜的空间坐标为(x,y,z)，异形龙伯透镜由k层椭圆形介电球壳嵌套，层数k≥4，每层介电球壳在xoy面和xoz面投影均呈现椭圆形，椭圆的长轴在x方向，短轴在y方向，每层介电球壳在xoy面投影的椭圆的长轴和短轴分别用变量lx和ly表示，而每层介电球壳的高度则用变量lz表示，参数m＝ly/lx，参数n＝lz/lx；

3.根据权利要求2所述的一种低频段宽角域的异形龙伯透镜，其特征在于：k＝5。

4.根据权利要求2所述的一种低频段宽角域的异形龙伯透镜，其特征在于：k＝5，从内到外每层介电球壳的xoy面投影的椭圆的长轴参数依次取值为lx1～lx5，分别为0.2r、0.4r、0.6r、0.8r、r，而xoy面投影的椭圆的短轴参数ly1～ly5、高度lz1～lz5的取值由参数m和n确定。

5.根据权利要求2所述的一种低频段宽角域的异形龙伯透镜，其特征在于：k＝5，从内到外的介电球壳对应的介电常数分别取2.85、2.6、2.3、2、1.6。

6.根据权利要求2所述的一种低频段宽角域的异形龙伯透镜，其特征在于：设计lx＝r＝100mm，取m＝0.5，n＝0.5。

7.根据权利要求2所述的一种低频段宽角域的异形龙伯透镜，其特征在于：k为6，从内到外每层介电球壳的xoy面投影的椭圆的长轴参数取值lx1～lx6分别为0.3r、0.4r、0.6r、0.8r、0.9r、r，而参数ly1～ly6和lz1～lz6的取值由参数m和n确定。每层球壳从内到外对应的介电常数分别取2.8、2.6、2.3、2、1.6、1.45。

8.根据权利要求2所述的一种低频段宽角域的异形龙伯透镜，其特征在于：m＝0.5，n＝0.5；或者m＝0.7，n＝0.5；或者m＝0.7，n＝0.6。

技术总结
本发明提供一种低频段宽角域的异形龙伯透镜及设计方法，包括步骤：1、定义异形龙伯透镜的中心为坐标系圆心建立坐标系，异形龙伯透镜由k层椭圆形介电球壳嵌套，每层介电球壳在xoy面和xoz面投影均呈现椭圆形，2、令Lx＝R，R取值在60～120mm，3、从内层到外层的介电球壳对应的介电常数在3‑1.5的区间逐渐减小。本发明其介电层的介电常数设计使得工艺的复杂性降低，生产成本得以减少，生产效率得到提高。保证了透镜在电磁波中的增益效果。在3.2GHz低频段下，透镜在xoz方向和yoz方向均能实现一个宽角域的散射增强，说明透镜在低频段的宽角域应用具有良好的性能表现。

技术研发人员：谢媛媛,罗威,翁小龙,李志明,李凯,李松昊
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/26