CN110289497A - 介质透镜及基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种介质透镜，多个介质片及介质片之间的空白区域共同构成介质透镜的整体结构，故介质透镜的等效介质常数将由介质片的介电常数及空白区域的介电常数共同确定。由于在透镜单元内，实体区域与空白区域的体积的比值按预设函数关系变化，故上述介质透镜的等效介电常数也可按对应的规律实现渐变。加工上述介质透镜时，可先根据所选用的介质片的介电常数、所需的介质透镜等效介电常数的渐变规律预先设计出每个介质片的表面形状以及相邻两个介质片所需的夹角，再将多个介质片按照所需的夹角组装即可。因此，上述介质透镜加工更方便。此外，本发明还提供一种基站天线。

Description

介质透镜及基站天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种介质透镜及基站天线。

背景技术

将介质透镜技术用于基站天线，可压窄天线波束、提高天线增益，能为通信系统提供高性价比的多波束覆盖方案。目前，广泛适用的介质透镜类似于龙勃透镜的原理，可实现介电常数从中心沿径向渐变，从而聚焦天线波束。

现有介质透镜的结构存在多种形式，但普遍存在结构复杂、工艺实现难度大的问题。譬如，通过改变透镜主体上通孔密度可实现等效介电常数渐变，但复杂的多孔结构难以通过简单的机械加工方式实现。另外，通过嵌套多个不同介电常数的同心介质层也可实现等效介电常数的渐变。但是，介电常数的精确控制及嵌套层间的尺寸公差控制仍有很高的实现难度。

发明内容

基于此，有必要针对现有介质透镜加工难度大的问题，提供一种便于加工的介质透镜及基站天线。

一种介质透镜，包括多个呈板状结构的介质片，每个所述介质片具有相对的内边及外边，每个所述介质片的内边均沿所述介质透镜的中轴线延伸，且多个所述介质片沿所述中轴线的周向呈放射状分布，相邻两个所述介质片构成透镜单元，且在每个所述透镜单元内，填充有所述介质片的实体区域与相邻两个所述介质片之间空白区域的体积的比值沿所述透镜单元的径向按预设函数关系变化。

在其中一个实施例中，还包括中心圆柱介质，且所述中心圆柱介质的轴线与所述中轴线重叠，所述中心圆柱介质的表面开设有多个沿周向分布的条形卡槽，所述条形卡槽沿所述中心圆柱介质的轴线延伸，所述多个介质片的内边分别卡持于所述多个条形卡槽内。

在其中一个实施例中，还包括上盖及下盖，所述多个介质片夹持于所述上盖与所述下盖之间。

在其中一个实施例中，所述多个介质片的结构相同并等间隔设置，且在所述介质透镜的横截面上，所述多个介质片的外边均位于同一个圆上。

在其中一个实施例中，在所述介质透镜的横截面上，所述多个介质片的外边均位于同一个椭圆上。

在其中一个实施例中，在所述介质透镜的横截面上，所述多个介质片的外边均位于同一个半圆上。

在其中一个实施例中，所述多个介质片具有相同的介电常数。

在其中一个实施例中，至少两个所述介质片具有不同的介电常数。

在其中一个实施例中，相邻两个所述介质片的外边之间的弧长小于0.5倍波长，所述波长为最高工作频率对应的波长。

上述介质透镜，多个介质片及介质片之间的空白区域共同构成介质透镜的整体结构，故介质透镜的等效介质常数将由介质片的介电常数及空白区域的介电常数共同确定。由于在透镜单元内，实体区域与空白区域的体积的比值按预设函数关系变化，故上述介质透镜的等效介电常数也可按对应的规律实现渐变。加工上述介质透镜时，可先根据所选用的介质片的介电常数、所需的介质透镜等效介电常数的渐变规律预先设计出每个介质片的表面形状以及相邻两个介质片所需的夹角，再将多个介质片按照所需的夹角组装即可。因此，上述介质透镜加工更方便。

一种基站天线，包括多个辐射单元及如优选实施例中任一项所述的介质透镜，所述多个辐射单元沿所述介质透镜的周向分布。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中介质透镜的结构示意图；

图2为图1所示介质透镜的横截面示意图；

图3为另一个实施例中介质透镜的横截面示意图；

图4为第二个实施例中介质透镜的横截面示意图；

图5为第三个实施例中介质透镜的横截面示意图；

图6为极坐标系中介质片的表面形状设计示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”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”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明提供了一种基站天线及介质透镜100。其中，基站天线包括多个辐射单元(图未示)及介质透镜100。

辐射单元用于发射及接收电磁波信号，而介质透镜100则可对电磁波信号进行聚焦，从而达到压窄天线波束、提高天线增益的目的。其中，多个辐射单元沿介质透镜100的周向分布。介质透镜100一般大致呈柱状，为了实现上述目的，其等效介电常数由中心到边缘逐渐变小。

请一并参阅图2，介质透镜100包括多个介质片110。介质片110呈板状结构，每个介质片110具有相对的内边及外边。介质片110由介电常数较高的材料成型，如树脂、金属等。需要指出的是，介质透镜100并不需要透光，只要能实现电磁波信号传导即可。

每个介质片110的内边均沿介质透镜100的中轴线延伸，且多个介质片110沿中轴线的周向呈放射状分布。具体的，其中，介质片110的内边靠近中轴线，而外边位于介质透镜100的外边缘。多个介质片110的结构可以相同，也可以不同。而且，介质片110的数量可根据不同基站天线的辐射指标进行选择，从而使得多个介质片110绕中轴线的整个外圆周分布，或仅仅沿部分外圆周分布。

具体在本实施例中，多个介质片110的结构相同并等间隔设置，且在介质透镜100的横截面上，多个介质片110的外边均位于同一个圆上。

具体的，横截面指的是垂直于介质透镜100的中轴线的截面。在该横截面中，该圆的圆心位于中轴线上。此时，介质透镜100为中心对称及轴对称结构，故有利于提升基站天线的辐射方向图的对称性。

需要指出的是，在其他实施例中，根据对不同基站天线的辐射指标的需求，介质透镜100还可以有多种形式。譬如：

如图4所示，在第二个实施例中，在介质透镜100的横截面上，多个介质片110的外边均位于同一个椭圆上。此时，部分介质片110的宽度(内边到外边的距离)较小，从而使得介质透镜100的外部轮廓呈椭圆形。

如图5所示，在第三个实施例中，在介质透镜100的横截面上，多个介质片110的外边均位于同一个半圆上。此时，介质片110仅沿中轴线的部分外圆周进行分布，从而使得介质透镜100的外部轮廓呈半圆形。

在本实施例中，介质透镜100还包括中心圆柱介质120，且中心圆柱介质120的轴线与中轴线重叠，中心圆柱介质120的表面开设有多个沿周向分布的条形卡槽(图未示)，条形卡槽沿中心圆柱介质120的轴线延伸，多个介质片110的内边分别卡持于多个条形卡槽内。

具体的，中心圆柱介质120的材质可与介质片110的材质相同。条形卡槽可按照特定的角度预先开设于中心圆柱介质120。因此，加工上述介质透镜100时，将介质片110插入条形卡槽即可实现多个介质片110的固定，使得安装更方便。

需要指出的是，在其他实施例中，多个介质片110也可采用其他方式实现固定。譬如：

如图3所示，在另一个实施例中，介质透镜100还包括上盖(图未示)及下盖(图未示)，多个介质片110夹持于上盖与下盖之间。此时，中心圆柱介质120可省略，而通过上盖与下盖的夹紧作用，也可将多个介质片110固定。

进一步的，相邻两个介质片110构成透镜单元20，且在每个透镜单元20内，填充有介质片110的实体区域与相邻两个介质片110之间空白区域的体积的比值沿透镜单元20的径向按预设函数关系变化。

具体的，介质透镜100包含多个透镜单元20。也就是说，介质透镜100不应理解为仅包含了介质片110等实体，介质片110之间的空白区域也共同构成介质透镜100的整体结构，可应看作是介质透镜100的一部分。因此，介质透镜100的等效介质常数将由介质片110的介电常数及空白区域(通常为空气)的介电常数共同确定。

每个透镜单元20内，填充有介质片110的区域称之为实体区域，而未填充有介质片110的区域则称之为空白区域。实体区域本身的介电常数大于空白区域的介电常数。因此，介质透镜100整体可看作为非匀质结构。在实体区域体积占比大的位置，介质透镜100的等效介电常数相对较大；而在实体区域体积占比较小的位置，介质透镜100的等效介电常数相对较小。

进一步的，介质透镜100并非匀质的，实体区域与空白区域的体积的比值在透镜单元20的径向按预设函数关系变化。因此，介质透镜100不同区域的等效介电常数也并不是相同的，其等效介电常数也将按对应的规律实现渐变。根据对基站天线的辐射指标不同要求，上述预设函数关系可相应调整。从而使得介质透镜100的等效介电常数呈现出所需要的变化规律。

加工上述介质透镜100时，可先选择特定的介质片110。其中，多个介质片100的介电常数可以相同，也可以不同。具体在本实施例中，为了保证辐射方向图的对称性，也为了方便加工，多个介质片110具有相同的介电常数。显然，为了实现介质透镜100特殊的聚焦性能，在其他实施例中，多个介质片110的的介电常数可以不同，至少两个介质片110具有不同的介电常数。

进一步的，根据辐射指标要求，确定介质透镜100等效介电常数的渐变规律，并最终设计出每个介质片110的表面形状以及相邻两个介质片110所需的夹角。最后，再将多个介质片110按照所需的夹角组装即可。由于无需对每个介质片110的介电常数进行精确的调节，也无需进行精准的嵌套安装。因此，上述介质透镜100加工更方便。

下面通过举例，简要说明上述介质透镜100的设计步骤：

1、根据辐射指标的需求确定介质透镜100的半径r，该半径为归一化半径，指的是介质片110内边到外边的距离。

假设最高工作频率f(GHz)、所需的波束宽度w为3dB，则介质透镜100的半径为：

2、根据所选用介质片110的介电常数ε_r，确定介质片110的表面形状。如图6所示，r，θ分别是极坐标系数的半径和角度变量，介质片110的轮廓可划分为L1～Ln的多个线段(n≥2)，对于任意一个r位置，片材轮廓对应的角度θ(r)应满足以下关系式：

其中，f(r)表示介质透镜100的等效介电常数沿径向的变化规律，A为介质片110之间的夹角。为便于公式表达，通常即令用归一化的半径表示公式f(r)。

需要指出的是，在其他实施例中，还可通过数学建模的方式对介质片110的表面形状及介质透镜100的整体结构进行设计。在建模软件中建立介质透镜100的模型以及所需的等效介电常数沿径向的变化规律作为约束条件，通过计算机运算模拟，最终得到满足要求的结构。

在本实施例中，相邻两个介质片110的外边之间的弧长小于0.5倍波长，波长为最高工作频率(f)对应的波长。

根据设计经验，当夹角A对应的弧长小于0.5波长(300/f)时，上述介质透镜100可以较好地接近弧长方向具有连续结构的透镜特性。针对图1所示的介质透镜100，所选用的介质片100的数量为：

上述介质透镜100，多个介质片110及介质片110之间的空白区域共同构成介质透镜100的整体结构，故介质透镜100的等效介质常数将由介质片110的介电常数及空白区域的介电常数共同确定。由于在透镜单元20内，实体区域与空白区域的体积的比值按预设函数关系变化，故上述介质透镜100的等效介电常数也可按对应的规律实现渐变。加工上述介质透镜100时，可先根据所选用的介质片110的介电常数、所需的介质透镜100等效介电常数的渐变规律预先设计出每个介质片110的表面形状以及相邻两个介质片110所需的夹角，再将多个介质片110按照所需的夹角组装即可。因此，介质透镜100加工更方便。

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。

Claims (10)

1.一种介质透镜，其特征在于，包括多个呈板状结构的介质片，每个所述介质片具有相对的内边及外边，每个所述介质片的内边均沿所述介质透镜的中轴线延伸，且多个所述介质片沿所述中轴线的周向呈放射状分布，相邻两个所述介质片构成透镜单元，且在每个所述透镜单元内，填充有所述介质片的实体区域与相邻两个所述介质片之间空白区域的体积的比值沿所述透镜单元的径向按预设函数关系变化。

2.根据权利要求1所述的介质透镜，其特征在于，还包括中心圆柱介质，且所述中心圆柱介质的轴线与所述中轴线重叠，所述中心圆柱介质的表面开设有多个沿周向分布的条形卡槽，所述条形卡槽沿所述中心圆柱介质的轴线延伸，所述多个介质片的内边分别卡持于所述多个条形卡槽内。

3.根据权利要求1所述的介质透镜，其特征在于，还包括上盖及下盖，所述多个介质片夹持于所述上盖与所述下盖之间。

4.根据权利要求1所述的介质透镜，其特征在于，所述多个介质片的结构相同并等间隔设置，且在所述介质透镜的横截面上，所述多个介质片的外边均位于同一个圆上。

5.根据权利要求1所述的介质透镜，其特征在于，在所述介质透镜的横截面上，所述多个介质片的外边均位于同一个椭圆上。

6.根据权利要求1所述的介质透镜，其特征在于，在所述介质透镜的横截面上，所述多个介质片的外边均位于同一个半圆上。

7.根据权利要求1至6任一项所述的介质透镜，其特征在于，所述多个介质片具有相同的介电常数。

8.根据权利要求1至6任一项所述的介质透镜，其特征在于，至少两个所述介质片具有不同的介电常数。

9.根据权利要求4至6任一项所述的介质透镜，其特征在于，相邻两个所述介质片的外边之间的弧长小于0.5倍波长，所述波长为最高工作频率对应的波长。

10.一种基站天线，其特征在于，包括多个辐射单元及如上述权利要求1至9任一项所述的介质透镜，所述多个辐射单元沿所述介质透镜的周向分布。