CN109638473A - 透镜天线及透镜天线制作方法 - Google Patents

透镜天线及透镜天线制作方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种透镜天线及透镜天线制作方法，涉及通信技术领域。该透镜天线包括：多个不同半径的介电环组，每个介电环组包括多个介电环，每个介电环是由介电环对应的单元结构旋转而成，其中，每个单元结构包括填充介质和空气，且与透镜天线中心距离相同的介电环对应的单元结构中填充介质的填充率相同。该透镜天线制作过程简单、工艺难度和成本较低。

Description

透镜天线及透镜天线制作方法
技术领域
本申请涉及通信领域，具体而言，涉及一种透镜天线及透镜天线制作方法。
背景技术
毫米波多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术被视为第5代自动通信技术(The5th Generation mobile communication technology，5G)的核心技术，其关键点之一在于如何实现可产生大量辐射波束的天线。
现有技术中，一般通过各种多波束透镜天线来产生大量辐射波束，其中，以龙伯(Luneburg)透镜天线最为理想，理论上，用于龙伯透镜天线的材料的介电常数从球心到最外层应该是从2到1连续变化，然而实际上是无法制作出这样理想的龙伯透镜天线的，一般常用分层设计的离散球壳来代替。
但是上述现有的通过多层离散球壳制作龙伯透镜天线的方法中，多层具有不同介电常数的壳体显著增加了制造复杂性和成本，使得龙伯透镜天线制作工艺难度高、过程繁琐耗时、成本高。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种透镜天线及透镜天线制作方法，用于解决现有技术中制作工艺难度高、过程繁琐耗时且成本高的技术问题。
为实现上述目的，本申请实施例所采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供一种透镜天线，包括：多个不同半径的介电环组，每个介电环组包括多个介电环，每个介电环是由介电环对应的单元结构旋转而成，其中，每个单元结构包括填充介质和空气，且与透镜天线中心距离相同的介电环对应的单元结构中填充介质的填充率相同。
可选地，在一个实施例中，单元结构为方形平面单元或者方形体单元。
可选地，在本申请实施例中，所述填充介质的形状包括：圆形、多边形或环形。
如上所述，透镜天线还包括：至少一个馈电单元；馈电单元设置于透镜天线边缘，且馈电单元的等效相位中心与透镜天线的焦点重合。
可选地，馈电单元为磁电互补结构。
可选地，在一个实施例中，多个不同半径的介电环组之间设置有第一连接结构，每个所述介电环组中的多个介电环之间设置有第二连接结构。
可选地，在本申请实施例中，每个介电环组内每个介电环具有相同或者不同的单元结构。
可选地，上述透镜天线为球形透镜天线或半球形透镜天线。
第二方面，本申请实施例还提供一种透镜天线制作方法，所述方法用于制作如第一方面所述的透镜天线。
该方法包括：
获取构建透镜天线的介电环组的结构参数，其中，结构参数包括形状和尺寸；根据介电环组的形状和尺寸，确定构建介电环组的中心轴和沿中心轴分布的单元结构，其中，与透镜天线中心距离相同的介电环对应的单元结构中填充介质的填充率相同；将单元结构沿中心轴旋转，得到每个介电环；根据每个介电环与中心轴的距离，得到不同半径的介电环组。
可选地，结构参数包括：四分之一或二分之一球形截面和半径。
本申请的有益效果是：
第一方面，本申请实施例提供的透镜天线由多个不同半径的介电环组构成，介电环组中的每个介电环由其对应的单元结构旋转而成，使得该透镜天线制作过程简单，工艺难度和制作成本较低。
第二方面，本申请实施例提供的透镜制作方法，用于制作如第一方面所述的透镜天线，因此，具有第一方面所述的全部有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的透镜天线的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的透镜天线的正视结构示意图；
图3为本申请实施例提供的透镜天线的俯视结构示意图；
图4为本申请实施例提供的透镜天线的剖面结构示意图；
图5为本申请实施例提供的单元结构的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的单元结构的另一结构示意图；
图7为本申请实施例提供的透镜天线的另一结构示意图；
图8为本申请实施例提供的透镜天线的又一结构示意图；
图9为本申请实施例提供的馈电单元的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的馈电单元的爆炸结构示意图；
图11为本申请实施例提供的透镜天线制作方法的流程示意图；
图12为本申请实施例提供的四分之一球形截面的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
随着通信技术的发展，在通信领域对天线的要求越来越高。如，即将到来的5G通信技术中，毫米波MIMO技术的关键点在于如何实现可产生大量辐射波束的天线。目前，多波束透镜天线被认为是实现毫米波MIMO技术最有希望的解决方案，其中，对于透镜天线的选择尤以龙伯透镜最为理想。
龙伯透镜天线是一种透过电介质将电磁波聚焦至焦点的透镜天线。它是一个由介电材料制成的球体，能够将各个方向传来的电磁波汇聚到透镜表面相应的一点。在无限接近球体表面的部分，其材质的介电常数等于1(即与空气的介电常数相同)，其球心处的介电常数等于2。球体从表面到中心材质的介电常数是渐变的，其变化规律为
其中，εr为介电常数，r为当前位置到球体中心的距离，R为龙伯透镜天线的半径。
由于龙伯透镜需要满足球体从表面到中心材质的介电常数是渐变的规律，所以，制作龙伯透镜天线是利用具有不同介电常数的材料来进行，然而能满足要求的材料非常有限，而且材料之间介电常数梯度太大，因此通过材料选择来制作的龙伯球质量大，透镜的辐射特性也不是最佳，因此，龙伯透镜一直没有得到广泛应用。
也即，现有技术中实际上是无法制作出这样理想的龙伯透镜天线的，因此通常用分层设计的离散球壳来代替。但是通过多层离散球壳制作龙伯透镜天线时，多层具有不同介电常数的壳体显著增加了制造复杂性和成本，使得龙伯透镜天线制作工艺难度高、过程繁琐耗时、成本高。
基于此，本申请实施例提供一种制作工艺难度和成本较低的透镜天线，以解决现有技术存在的上述技术问题。
图1为本申请实施例提供的透镜天线的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的透镜天线的正视结构示意图。
图3为本申请实施例提供的透镜天线的俯视结构示意图。
图4为本申请实施例提供的透镜天线的剖面结构示意图。
请参考图1、图2、图3和图4，该透镜天线包括：多个不同半径的介电环组，每个介电环组包括多个介电环110，每个介电环110是由介电环110对应的单元结构旋转而成，其中，每个单元结构包括填充介质和空气，且与透镜天线中心距离相同的介电环110对应的单元结构中填充介质的填充率相同。
具体地，本申请实施例中，通过单元结构旋转形成介电环110，多个半径相同的介电环110沿着其圆心所在的中心轴在依次同轴排布构成一个介电环组，不同半径的介电环110构成不同的介电环组，多个不同半径的介电环110组按照半径大小沿着其圆心所在的中心轴同轴排布，构成该透镜天线。进一步，单元结构由填充介质和空气构成，用于实现透镜天线中不同介电环110对应的介电常数。
其中，对于任意一个介电环110而言，其对应的介电常数与构成该介电环110的单元结构满足如下关系：
εr＝εp·(f)+ε0·(1-f)
其中，εr表示每个介电环110对应的介电常数，εp表示单元结构中填充介质对应的介电常数，f表示单元结构中填充介质的填充率，ε0表示空气的介电常数。
因此，设置透镜天线中构成每个介电环110的单元结构时，可参考每个介电环110需要实现的介电常数，根据上述介电环110的介电常数与构成该介电环110的单元结构的关系表达式，对单元结构中填充介质和空气的比例关系进行相应设置。
以球形透镜天线为例，假设该球形透镜天线根据介电常数不同共分为5层结构，且每一层的介电常数从内向外依次为：2、1.8、1.6、1.4和1.2，则对于每一层所在的介电环110而言，介电环110的介电常数已知，填充介质的介电常数已知，空气的介电常数已知，所以可以根据上述关系式，计算得到单元结构中填充介质的填充率，从而根据该填充率设置相应的单元结构。
可选地，本申请实施例中，填充介质可以是：光敏树脂或尼龙，本申请对此不作限定。
由上所述，本申请实施例提供的该透镜天线由多个不同半径的介电环组构成，介电环组中的每个介电环110由其对应的单元结构旋转而成，使得该透镜天线制作过程简单，工艺难度和制作成本较低。
图5为本申请实施例提供的单元结构的结构示意图。
可选地，如图5所示，在一种实施方式中，上述单元结构为方形平面单元或者方形体单元。
在本实施方式中，该透镜天线的每个介电环可以通过方形平面单元或方形体单元旋转一周而形成，本申请对此不作限定。
在其他实施方式中，单元结构也可以是非方形单元，如：圆形单元、三角形单元或其他多边形单元等，本申请同样对此不作限定。
可选地，在本申请实施例中，单元结构可以是填充介质在内、空气布设在填充介质周围的结构，也可以是填充介质在外，空气布设于填充介质内部的结构。
图6为本申请实施例提供的单元结构的另一结构示意图。
如图6所示，以单元结构为填充介质在内、空气在外的方形单元为例，在本申请实施例中，填充介质的形状可以是如图6(c、d、e、f)所示的多边形，如：矩形、三角形、六边形等，也可以是如图6(a)所示的圆形或图6(b)所示的十字形，还可以是如环形等其他形状，本申请对此不作限定。
图7为本申请实施例提供的透镜天线的另一结构示意图。
如图7所示，如上所述，透镜天线还包括：至少一个馈电单元210，馈电单元210设置于透镜天线边缘，且馈电单元210的等效相位中心与透镜天线的焦点重合。
具体地，当馈电单元210的等效相位中心与透镜天线的焦点重合时，透镜天线一侧的馈电单元210产生的球面波可以经过透镜天线发生多次折射，最终转化为平面波，并在透镜天线的另一侧形成相应的辐射波束。
图8为本申请实施例提供的透镜天线的又一结构示意图。
可选地，如图8所示，在本申请实施例中，透镜天线周围可设置多个馈电单元210，以使得该透镜天线能够产生大量辐射波束。
图9为本申请实施例提供的馈电单元的结构示意图。
可选地，如图9所示，馈电单元210为磁电互补结构。
具体地，本申请实施例中，磁电互补结构210可以是具有端射辐射的磁电偶极子(ME-dipole)，ME-dipole是基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)结构，与传统的波导或电偶极子馈电相比，磁电偶极子可以实现更好的辐射特性。
图10为本申请实施例提供的馈电单元的爆炸结构示意图。
请参照图9和图10，SIW结构由介质板211和分别位于介质板上下表面的金属覆层212构成，介质板211中密集地排列有两排金属柱213。若在两层金属覆层212上下分别再放置介质基板211，则开路端SIW作为磁偶极子工作，上下两排金属柱213作为电偶极子工作，形成磁电偶极子结构。
可选地，介质基板211的材料可以是罗杰斯(Rogers)5880，其介电常数为2.2。
由于磁电偶极子具有宽工作频带和优异的辐射特性，辐射图在整个工作频带的E和H平面中是稳定的。相较于现有技术中用电偶极子和开放波导结构而言，本申请实施例提供的该透镜天线用其作为馈电结构，具有更好的辐射特性，实现了低后向辐射和略高的增益。另外，磁电偶极子馈电的透镜还具有稳定的辐射图案和期望得到的交叉水平的优点。
可选地，本申请部分实施例中，多个不同半径的介电环组之间设置有第一连接结构，每个介电环组中的多个介电环之间设置有第二连接结构。
其中，第一连接结构能够保证不同半径的介电环组之间具有相对稳定性，第二连接结构能够保证每个介电环组内的多个介电环之间具有相对稳定性。也即，第一连接结构和第二连接结构能够支撑透镜天线中的介电环，使透镜天线形成较为稳定的整体结构。
可选地，在本申请实施例中，上述第一连接结构和第二连接结构可以是与单元结构中填充介质相同或不同的材质，如，尼龙、光敏树脂等，本申请对此不作特别要求。
同时，为了尽可能减小第一连接结构和/或第二连接结构对透镜天线本身性能的影响，可以在保证透镜天线整体结构稳定的前提下，尽可能减少第一连接结构和/或第二连接结构的数量。
可选地，在本申请实施例中，每个介电环组内每个介电环具有相同或者不同的单元结构。
如上所述，本申请实施例提供的该透镜天线可以为球形透镜天线、半球形透镜天线、圆柱形透镜天线等。具体地，可以根据需要对介电环组的数量，以及每个介电环组中的介电环的数量进行设定，以实现不同结构的透镜天线。
例如，对于n个不同半径的介电环组，将每个介电环组中的介电环数量均设置为相同，并将n个介电环组按照半径大小依次同轴排布，即可得到圆柱形透镜天线。类似地，还可以得到其他形状的透镜天线，本申请在此不再一一列举。
图11为本申请实施例提供的透镜天线制作方法的流程示意图。
如图11所示，本申请实施例还提供一种透镜天线制作方法，所述方法用于制作如上所述的透镜天线。
该方法包括：
S1101、获取构建透镜天线的介电环组的结构参数，其中，结构参数包括形状和尺寸。
S1102、根据介电环组的形状和尺寸，确定构建介电环组的中心轴和沿中心轴分布的单元结构。
其中，与透镜天线中心距离相同的介电环对应的单元结构中所述填充介质的填充率相同。
S1103、将单元结构沿中心轴旋转，得到每个介电环。
S1104、根据每个介电环与中心轴的距离，得到不同半径的介电环组。
可选地，结构参数包括：四分之一或二分之一球形截面和半径。
举例说明，以半球形透镜天线为例，在制作半球形透镜天线时，获取到构建半球形透镜天线的介电环组的结构参数为：四分之一球形截面和半径为R。在确定了半径为R的四分之一球形截面后，可将该四分之一球形截面的一条半径所在的边作为确定构建介电环组的中心轴，根据半径为R可确定构成透镜天线的多个介电环组中的最大半径为R。
图12示出了本申请实施例提供的四分之一球形截面的结构示意图。
进一步地，如图12所示，可将该四分之一球形截面划分为多个沿着中心轴分布于该四分之一球形截面内的单元，并依次将每个单元制作为如上所述的单元结构。然后，将上述多个沿着中心轴分布于四分之一球形截面内的单元结构通过3D打印的方式一起进行旋转，即可得到距离半径不同的介电环组，这些介电环组一起构成了半球透镜天线。
同样的，若需要制作球形透镜天线，则获取到的结构参数可以包括二分之一球形截面，并按照如上所述的制作方法对二分之一球形界面内的单元结构进行旋转，即可得到球形透镜天线。
由于本申请实施例提供的该透镜天线制作方法，用于制作前述实施例中所述的透镜天线，因此，具有前述实施例中所述的全部有益效果，本申请在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透镜天线，其特征在于，包括：多个不同半径的介电环组，每个所述介电环组包括多个介电环，每个所述介电环是由所述介电环对应的单元结构旋转而成，其中，每个所述单元结构包括填充介质和空气，且与所述透镜天线中心距离相同的介电环对应的单元结构中所述填充介质的填充率相同。
2.根据权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，所述单元结构为方形平面单元或者方形体单元。
3.根据权利要求2所述的透镜天线，其特征在于，所述填充介质的形状包括：圆形、多边形或环形。
4.根据权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，所述透镜天线还包括：至少一个馈电单元；所述馈电单元设置于所述透镜天线边缘，且所述馈电单元的等效相位中心与所述透镜天线的焦点重合。
5.根据权利要求4所述的透镜天线，其特征在于，所述馈电单元为磁电互补结构。
6.根据权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，多个不同半径的介电环组之间设置有第一连接结构，每个所述介电环组中的多个介电环之间设置有第二连接结构。
7.根据权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，每个介电环组内每个介电环具有相同或者不同的单元结构。
8.根据权利要求1-7任一项所述的透镜天线，其特征在于，所述透镜天线为球形透镜天线或半球形透镜天线。
9.一种透镜天线制作方法，其特征在于，所述方法用于制作如权利要求1-8任一项所述的透镜天线，所述方法包括：
获取构建所述透镜天线的介电环组的结构参数，其中，所述结构参数包括形状和尺寸；
根据所述介电环组的形状和尺寸，确定构建介电环组的中心轴和沿所述中心轴分布的单元结构，其中，与所述透镜天线中心距离相同的介电环对应的单元结构中填充介质的填充率相同；
将所述单元结构沿所述中心轴旋转，得到每个介电环；
根据每个介电环与所述中心轴的距离，得到不同半径的介电环组。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述结构参数包括：
四分之一或二分之一球形截面和半径。
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