一种基于3D打印的透镜和透镜天线的制作方法

本发明涉及透镜天线技术领域，特别涉及一种基于3d打印的透镜和透镜天线。

背景技术：

透镜天线是一种能够通过电磁波，将点源或线源的球面波或柱面波转换为平面波从而获得笔形、扇形或其他形状波束的天线。通过合理设计透镜表面形状和折射率n，调节电磁波的相速以获得辐射口径上的平面波前。透镜天线吸收了许多光信息工程技术，从而在通信和军事领域得到更加广泛的应用，也引起了更多业内人士的关注。按照几何光学理论，处于透镜焦点处的点光源辐射出的球面波经过透镜折射会聚，最终形成了平面波。透镜天线是由透镜和电磁辐射器构成。电磁波具有波粒二象性,在其传输的过程中，经过不平行的不同介质时，会发生折射现象。在辐射器前安装透镜，可使辐射能量集中，波束压窄。在众多透镜天线中，最引人注目的当属龙伯透镜。

但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

现有的龙伯透镜加工成本高，加工周期长，难以实现产业化；对加工精度有很高的要求，设计复杂度高；需要使用特定形状或者特定材质的激励源，在某些特殊场合不能满足工作需要；很难实现小型化。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于3d打印的透镜和透镜天线，用以解决现有技术中龙伯透镜加工成本高，加工周期长，难以实现产业化；对加工精度有很高的要求，设计复杂度高；难以实现小型化的技术问题，达到了降低了生产难度，便于制作，加工成本低，实用性高的技术效果。

一方面，本发明提供了一种基于3d打印的透镜，所述透镜包括：圆柱形本体，所述圆柱形本体具有第一半径和第一等效介电常数，其中，所述圆柱形本体均匀分布有贯穿上、下表面的多个第一通孔；m个中空圆柱形结构，m个所述中空圆柱形结构依次套设于所述圆柱形本体外，且均与所述圆柱形本体同心设置，其中，m为正整数，每个所述中空圆柱形结构均匀分布有贯穿上、下表面的多个通孔，且，任意两个通孔之间不连通；中空圆柱形壳体，所述中空圆柱形壳体套设于所述m个中空圆柱形结构外，所述中空圆柱形壳体具有一预设高度，其中，所述中空圆柱形壳体上均匀分布有多个第六通孔和第七通孔，其中，所述第六通孔贯穿所述中空圆柱形壳体的上、下表面，所述第七通孔均匀分布在所述中空圆柱形壳体的侧表面上，；其中，所述圆柱形本体、中空圆柱形壳体、m个中空圆柱形结构均采用3d打印制成。

优选的，所述第一半径的范围为15-17mm；第一等效介电常数为1.95；所述第一通孔半径为2.5mm。

优选的，m为4。

优选的，所述m个中空圆柱形结构具体包括：第一中空圆柱形结构，所述第一中空圆柱形结构内径与所述圆柱形本体外径相贴合，其中，所述第一中空圆柱形结构具有第二等效介电常数；第二中空圆柱形结构，所述第二中空圆柱形结构内径与所述第一中空圆柱形结构外径相贴合，其中，所述第二中空圆柱形结构具有第三等效介电常数；第三中空圆柱形结构，所述第三中空圆柱形结构内径与所述第二中空圆柱形结构外径相贴合，其中，所述第三中空圆柱形结构具有第四等效介电常数；第四中空圆柱形结构，所述第四中空圆柱形结构内径与所述第三中空圆柱形结构外径相贴合，其中，所述第四中空圆柱形结构具有第五等效介电常数。

优选的，所述第一中空圆柱形结构的外半径的范围为24-26mm，其中，所述第一中空圆柱形结构的内半径与所述第一半径相等，所述第二等效介电常数为1.66；所述第二中空圆柱形结构的外半径的范围为26.7-28.7mm，其中，所述第二中空圆柱形结构的内半径与所述第一中空圆柱形结构外半径相等，所述第三等效介电常数为1.43；所述第三中空圆柱形结构的外半径的范围为30.5-32.5mm，其中，所述第三中空圆柱形结构的内半径与所述第二中空圆柱形结构的外半径相等，所述第四等效介电常数为1.28；所述第四中空圆柱形结构外半径的范围为32-34mm，其中，所述第四中空圆柱形结构的内半径与所述第三中空圆柱形结构的外半径相等，所述第五等效介电常数为1.15；所述中空圆柱形壳体外半径的范围为34-36mm，其中，所述中空圆柱形壳体的内半径与所述第四中空圆柱形结构的外半径相等，所述中空圆柱形壳体具有第六等效介电常数，且，所述第六等效介电常数为1.06。

优选的，所述第一中空圆柱形结构均匀分布有多个第二通孔，且，所述第二通孔的直径与所述第一中空圆柱形结构的厚度相等；所述第二中空圆柱形结构上均匀分布有多个第三通孔，且，所述第三通孔的直径与所述第二中空圆柱形结构的厚度相等；所述第三中空圆柱形结构上均匀分布有多个第四通孔，且，所述第四通孔的直径与所述第三中空圆柱形结构的厚度相等；所述第四中空圆柱形结构上均匀分布有多个第五通孔，且，所述第五通孔的直径与所述第四中空圆柱形结构的厚度相等。

优选的，所述第六通孔的直径与所述中空圆柱形壳体的厚度相等，所述第七通孔的半径为0.5mm。

优选的，所述预设高度的范围为30-60mm；其中，所述圆柱形本体、m个中空圆柱形结构、中空圆柱形壳体具有同一高度。

优选的，所述透镜的材料为用于3d打印的光敏树脂。

另一方面，本发明还提供了一种透镜天线，包括馈源天线和所述的透镜，其中，所述馈源天线平行于所述透镜的轴线设置。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

本发明实施例提供的一种基于3d打印的透镜，通过圆柱形本体设置在透镜的中心位置处，且圆柱形本体的上下表面均匀贯穿有多个第一通孔，进而在圆柱形本体的外径依次向外套设有4个中空圆柱形结构，且，4个中空圆柱形结构的上下表面之间均匀贯穿有多个通孔，且，任意两个通孔之间不连通，最后在最外层中空圆柱形结构外围还套设有一中空圆柱形壳体，在中空圆柱形壳体上分布有多个第六通孔和第七通孔，从而解决了现有技术中龙伯透镜加工成本高，加工周期长，难以实现产业化；对加工精度有很高的要求，设计复杂度高；难以实现小型化的技术问题，达到了降低了尺寸，实用性高，降低了生产难度，便于制作，加工成本低，实用性高的技术效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例中一种基于3d打印的透镜的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种基于3d打印的透镜的另一结构示意图；

图3为本发明实施例中一种基于3d打印的透镜的俯视图；

图4为本发明实施例中一种基于3d打印的透镜的侧视图；

图5为本发明实施例中一种透镜天线安装透镜后馈源天线方向图的xoy面切面图；

图6为本发明实施例中一种透镜天线安装透镜后馈源天线方向图的xoz面切面图。

附图标记说明：1-中空圆柱形壳体；2-圆柱形本体；3-第一中空圆柱形结构；4-第二中空圆柱形结构；5-第三中空圆柱形结构；6-第四中空圆柱形结构。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于3d打印的透镜和透镜天线，用以解决现有技术中龙伯透镜加工成本高，加工周期长，难以实现产业化；对加工精度有很高的要求，设计复杂度高；难以实现小型化的技术问题。

本发明实施例中的技术方案，总体思路如下：

本发明实施例提供的一种基于3d打印的透镜和透镜天线，通过中圆柱形本体，所述圆柱形本体具有第一半径和第一等效介电常数，其中，所述圆柱形本体均匀分布有贯穿上、下表面的多个第一通孔；m个中空圆柱形结构，m个所述中空圆柱形结构依次套设于所述圆柱形本体外，且均与所述圆柱形本体同心设置，其中，m为正整数，每个所述中空圆柱形结构均匀分布有贯穿上、下表面的多个通孔，且，任意两个通孔之间不连通；中空圆柱形壳体，所述中空圆柱形壳体具有一预设高度，其中，所述中空圆柱形壳体上均匀分布有多个第六通孔和第七通孔，其中，所述第六通孔贯穿所述中空圆柱形壳体的上、下表面，所述第七通孔均匀分布在所述中空圆柱形壳体的侧表面上；其中，所述圆柱形本体、中空圆柱形壳体、m个中空圆柱形结构均采用3d打印制成。达到了降低了生产难度，便于制作，加工成本低，实用性高的技术效果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例中一种基于3d打印的透镜的结构示意图。如图1所示，所述透镜包括：

圆柱形本体2，所述圆柱形本体2具有第一半径和第一等效介电常数，其中，所述圆柱形本体2均匀分布有贯穿上、下表面的多个第一通孔。

进一步的，所述第一半径的范围为15-17mm；第一等效介电常数为1.95；所述第一通孔半径为2.5mm。

具体而言，所述中心圆柱形区域2的形状为圆柱形结构，位于所述透镜的中心位置处，且，所述中心圆柱形区域2与透镜具有同一中线轴线，所述中心圆柱形区域2的第一半径范围在15-17mm，本实施例中将第一半径r1＝16mm作为优选，等效介电常数为1.95，其中，所述中心圆柱形区域2的材料为用于3d打印所使用的光敏树脂(εr＝2.8和tanδ＝0.02)，同时，为了使介电常数固定的光敏树脂材料呈现出介电常数渐变的效果，可采用在透镜上固定区域均匀打通孔的方法，以达到上述目的。因为空气的介电常数近似为1，所以可以改变光敏树脂材料与空气的比例来使得固定区域的等效介电常数为1至2.8之间的任意数值，因此，在所述中心圆柱形区域2的上下两个表面之间均匀打上多个第一通孔，使得所述第一通孔贯穿所述中心圆柱形区域2的上表面和下底面，其中，所述第一通孔的半径r1为2.5mm。

m个中空圆柱形结构，m个所述中空圆柱形结构依次套设于所述圆柱形本体外，且均与所述圆柱形本体同心设置，其中，m为正整数，每个所述中空圆柱形结构均匀分布有贯穿上、下表面的多个通孔，且，任意两个通孔之间不连通。

进一步的，m为4。

具体而言，基于龙伯透镜的原理，首先对透镜的层数做出假设，采用hfss仿真软件中对不同层数的透镜进行仿真，先后选择层数分别为4、5、6、7层的透镜进行仿真，最终根据仿真结果和加工难易程度后采用透镜最佳层数为6层。因此，选择m为4作为最优方案，所述m个中空圆柱形结构包括4个中空圆柱形结构，且每一个中空圆柱形结构的形状均为中空的圆柱形结构，且每个中空圆柱形结构的截面为圆环形状，该4个中空圆柱形结构均与所述圆柱形本体2同心设置，且所述4个中空圆柱形结构最内层的圆环与所述圆柱形本体2的外径相贴合，并依次向外扩展，其中，所述4个中空圆柱形结构打通孔的半径和疏密程度均不相同，进一步的，所述圆柱形本体2和所述4个中空圆柱形结构上打的通孔之中任意两个通孔之间均不连通。

中空圆柱形壳体1，所述中空圆柱形壳体1套设于所述m个中空圆柱形结构外，所述中空圆柱形壳体1具有一预设高度，其中，所述中空圆柱形壳体1上均匀分布有多个第六通孔和第七通孔，其中，所述第六通孔贯穿所述中空圆柱形壳体1的上、下表面，所述第七通孔均匀分布在所述中空圆柱形壳体的侧表面上；其中，所述圆柱形本体2、中空圆柱形壳体3、m个中空圆柱形结构均采用3d打印制成。

进一步的，所述预设高度的范围为30-60mm；其中，所述圆柱形本体2、m个中空圆柱形结构、中空圆柱形壳体1具有同一高度。

进一步的，所述透镜的材料为用于3d打印的光敏树脂。

具体而言，所述中空圆柱形壳体1为所述透镜的主体结构，所述中空圆柱形壳体1的形状即为中空的圆柱体，同样的，所述中空圆柱形壳体1的截面形状为一圆环形，如图2所示，图2示出的结构仅仅是为了直观显示所述透镜上不同圆环结构上布置有不同的通孔，本实施例中所述圆柱形本体2、m个中空圆柱形结构、中空圆柱形壳体1其实是具有同一高度，也就是说，所述透镜的主体结构是高度范围为30-60mm的圆柱体结构，本实施例中将所述中空圆柱形壳体1的高度h＝47mm作为优选，且所述透镜根据打洞的半径和疏密程度该透镜可分为里外6层，其中，最内层为圆柱形结构，次内层到最外层均为截面为圆环的中空圆柱形结构，因此，所述圆柱形本体2、m个中空圆柱形结构、中空圆柱形壳体1的高度保持一致。

进一步的，所述m个所述圆环结构具体包括：第一中空圆柱形结构3，所述第一中空圆柱形结构3内径与所述圆柱形本体2外径相贴合，其中，所述第一中空圆柱形结构3具有第二等效介电常数；第二中空圆柱形结构4，所述第二中空圆柱形结构4内径与所述第一中空圆柱形结构3外径相贴合，其中，所述第二中空圆柱形结构4具有第三等效介电常数；第三中空圆柱形结构5，所述第三中空圆柱形结构5内径与所述第二中空圆柱形结构4外径相贴合，其中，所述第三中空圆柱形结构5具有第四等效介电常数；第四中空圆柱形结构6，所述第四中空圆柱形结构6内径与所述第三中空圆柱形结构5外径相贴合，其中，所述第四中空圆柱形结构6具有第五等效介电常数。

进一步的，所述第一中空圆柱形结构3的外半径的范围为24-26mm，其中，所述第一中空圆柱形结构3的内半径与所述第一半径相等，所述第二等效介电常数为1.66；所述第二中空圆柱形结构4的外半径的范围为26.7-28.7mm，其中，所述第二中空圆柱形结构4的内半径与所述第一中空圆柱形结构3外半径相等，所述第三等效介电常数为1.43；所述第三中空圆柱形结构5的外半径的范围为30.5-32.5mm，其中，所述第三中空圆柱形结构5的内半径与所述第二中空圆柱形结构4的外半径相等，所述第四等效介电常数为1.28；所述第四中空圆柱形结构6外半径的范围为32-34mm，其中，所述第四中空圆柱形结构6的内半径与所述第三中空圆柱形结构5的外半径相等，所述第五等效介电常数为1.15；所述中空圆柱形壳体1外半径的范围为34-36mm，其中，所述中空圆柱形壳体1的内半径与所述第四中空圆柱形结构6的外半径相等，所述中空圆柱形壳体1具有第六等效介电常数，且，所述第六等效介电常数为1.06。

具体而言，如图3所示，所述4个所述圆环结构分别为：第一中空圆柱形结构3，第二中空圆柱形结构4，第三中空圆柱形结构5，第四中空圆柱形结构6。具体的，所述第一中空圆柱形结构3套设在所述圆柱形本体2外围，所述第一中空圆柱形结构3的形状为中空、截面为圆环形状的圆柱体结构，因此，所述第一中空圆柱形结构3的内半径与所述圆柱形本体2的第一半径相等，所述第一中空圆柱形结构3的第二等效介电常数为1.66；所述第二中空圆柱形结构4套设在所述第一中空圆柱形结构3的外围，所述第二中空圆柱形结构域4的形状同样为中空、截面为圆环形状的圆柱体结构，所述第二中空圆柱形结构域4内半径与所述第一中空圆柱形结构3的外半径相等，外半径的范围为24-26mm，所述第二中空圆柱形结构4的第三等效介电常数为1.43；所述第三中空圆柱形结构5套设在所述第二中空圆柱形结构4的外围，所述第三中空圆柱形结构5的形状同样为中空、截面为圆环形状的圆柱体结构，因此，所述第三中空圆柱形结构5的外半径的范围为30.5-32.5mm，所述第三中空圆柱形结构5的内半径与所述第二中空圆柱形结构4的外半径相等，所述第四等效介电常数为1.28，所述第三中空圆柱形结构5的第四等效介电常数为1.28；所述第四中空圆柱形结构6套设在所述第三中空圆柱形结构5的外围，所述第四中空圆柱形结构6的形状同样为中空、截面为圆环形状的圆柱体结构，所述第四中空圆柱形结构6的内半径与所述第三中空圆柱形结构5的外半径相等，外半径的范围为所述中空圆柱形壳体1的内半径与所述第四中空圆柱形结构6的外半径相等，外半径范围为34-36mm，所述中空圆柱形壳体1具有第六等效介电常数，且，所述第六等效介电常数为1.06。

作为优选，本实施例中选择中空圆柱形结构的内、外半径数据如下所示：所述第一中空圆柱形结构3的内半径r1为16mm，外半径r2为25mm，所述第二中空圆柱形结构4的内半径为25mm，外半径r3为27.7mm，所述第三中空圆柱形结构5的内半径为27.7mm，外半径r4为31.5mm、所述第四中空圆柱形结构6的内半径为31.5mm，外半径r5为33mm的圆环，所述中空圆柱形壳体1内半径为33mm，外半径为35mm。进一步的，上述的中空圆柱形区域中任意两个相邻的中空圆柱形结构之间均不存在间隙，也就是说，它们之间为紧密贴合状态。由此可以看到，该透镜实际物理尺寸只有r＝35mm，从而达到了大大缩小了现有技术方案中的尺寸，提高了实用性的技术效果，本发明实施例中的中空圆柱形外壳1、中心圆柱形区域2以及m个中空圆柱形区域均采用3d打印制成，其材料为用于3d打印的光敏树脂。也就是说，通过使用3d打印机就可以方便快捷的制作出该透镜天线，且制作成本低、周期短、精度高。

进一步的，所述第一中空圆柱形结构3均匀分布有多个第二通孔，且，所述第二通孔的直径与所述第一中空圆柱形结构3的厚度相等；所述第二中空圆柱形结构4上均匀分布有多个第三通孔，且，所述第三通孔的直径与所述第二中空圆柱形结构4的厚度相等；所述第三中空圆柱形结构5上均匀分布有多个第四通孔，且，所述第四通孔的直径与所述第三中空圆柱形结构5的厚度相等；所述第四中空圆柱形结构6上均匀分布有多个第五通孔，且，所述第五通孔的直径与所述第四中空圆柱形结构6的厚度相等。

进一步的，所述第六通孔的直径与所述中空圆柱形壳体1的厚度相等，所述第七通孔的半径为0.5mm。

具体而言，为了使介电常数固定的光敏树脂材料呈现出介电常数渐变的效果，因此，在所述圆柱形本体2、4个中空圆柱形结构和中空圆柱形壳体1上均采用了均匀打通孔的方法，从而达到呈现出介电常数渐变的效果。同时，由于空气的介电常数近似为1，所以可以改变光敏树脂材料与空气的比例来使得固定区域的等效介电常数为1至2.8之间的任意数值，因此，在所述4个圆环区域上均分布有若干通孔，具体的，所述第二通孔、第三通孔、第四通孔、第五通孔、第六通孔分别对应与所述第一中空圆柱形结构3、所述第二中空圆柱形结构4、所述第三中空圆柱形结构5、所述第四中空圆柱形结构6的厚度相等，而所述第七通孔的半径为0.5mm。

下面给出一组本实施例中的通孔半径数据作为优选，如图3所示，所述第一中空圆柱形区域3上均匀分布有半径r2＝4.4mm的第二通孔；所述第二中空圆柱形区域4上均匀分布有半径r3＝1.28mm的多个第三通孔；所述第三中空圆柱形区域5上均匀分布有半径r4＝1.8mm的多个第四通孔；所述第四中空圆柱形区域6上均匀分布有径为r5＝0.68mm的多个第五通孔；由于所述中空圆柱形外壳1的第六等效介电常数为1.06，该数值十分接近空气，故采用交叉打孔的方式来增加空气所占的比例，因此，所述中空圆柱形外壳1上均匀分布有多个第六通孔和第七通孔，如图4所示，其中，第六通孔的半径r6＝0.9mm，第七通孔的半径r7＝0.5mm，所述第六通孔和第七通孔交叉分布，具体的，所述第六通孔均匀设置在所述中空圆柱形外壳1的径向上，且贯穿所述中空圆柱形外壳1的上下表面，所述第七通孔均匀设置在所述中空圆柱形外壳1的侧表面上，故，所述第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔、第五通孔、第六通孔、第七通孔的半径和疏密程度均不相同。所述透镜天线基于龙伯透镜的原理，即电磁波具有波粒二象性，在其传输的过程中经过不平行的不同介质时，会发生折射的现象。由于所述透镜天线是垂直于轴线方向打的通孔，在轴线方向上没有介电常数渐变的效果，所以不会对平行于透镜轴线方向的电磁波产生汇聚作用。因此，所述透镜适用于将一个辐射范围较大的波束汇聚成在一个比较窄的面内，且这个面的方向平行于透镜的轴线方向。

实施例二

本发明实施例还提供了一种透镜天线，包括馈源天线和前述的透镜，其中，所述馈源天线平行于所述透镜的轴线设置。

具体而言，将所述馈源天线平行于所述透镜天线的轴线放置，以天线辐射面距离透镜中心44mm，利用cst仿真软件进行仿真为例，仿真结果显示所述透镜天线对于馈源天线的波束汇聚作用十分明显，最大增益提高了10个db。如图5所示，可以看出其3db波瓣宽度为7.4°，如图6所示，可以看出其3db波瓣宽度为10.6°，上述结果进一步显示出加载透镜天线对馈源天线的方向图有很强的汇聚作用。由于本发明对于馈源天线没有特殊的要求，只要是工作在26ghz的线极化天线都可以使用本发明来达到波束汇聚的目的，故此处不对仿真时使用的天线模型进行详尽描述。因此，该透镜天线对于馈源天线没有形状、材料方面的要求，使用范围更加广泛。

前述图1实施例1中的一种基于3d打印的透镜的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的一种透镜天线，通过前述对一种基于3d打印的透镜的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中一种透镜天线的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

本发明实施例提供的一种基于3d打印的透镜，通过圆柱形本体设置在透镜的中心位置处，且圆柱形本体的上下表面均匀贯穿有多个第一通孔，进而在圆柱形本体的外径依次向外套设有4个中空圆柱形结构，且，4个中空圆柱形结构的上下表面之间均匀贯穿有多个通孔，且，任意两个通孔之间不连通，最后在最外层中空圆柱形结构外围还套设有一中空圆柱形壳体，在中空圆柱形壳体上分布有多个第六通孔和第七通孔，从而解决了现有技术中龙伯透镜加工成本高，加工周期长，难以实现产业化；对加工精度有很高的要求，设计复杂度高；难以实现小型化的技术问题，达到了降低了尺寸，实用性高，降低了生产难度，便于制作，加工成本低，实用性高的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。