CN110534912B - 一种透镜和辐射装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种透镜和辐射装置，用于降低能量损耗，提高天线增益。本申请实施例中透镜是采用周期性结构设计，通过改变周期性结构的参数来改变其等效的介电常数和磁导率，实现相位补偿。该透镜包括：介质基板和金属单元，金属单元的数量为至少两个，其形状为正多边形，各个金属单元按照三角形栅格方式排列于介质基板上，每一个金属单元包括至少两层金属贴片，每一层金属贴片也为正多边形，并且各个金属单元以介质基板的几何中心为对称中心呈中心对称分布。

Description

一种透镜和辐射装置

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种透镜和辐射装置。

背景技术

随着移动通信以及卫星通信技术的快速发展，对现代通信系统的容量的要求也随之越来越高。由于在高频频段的频谱资源极为丰富对增加现代通信系统的容量意义重大。高频频段的频谱资源的频率较高，其信号传输所需的能量也较高，从而在信号传输过程中需使用增益较大的阵列天线才能实现高频频段的信号传输。

透镜天线是一种最为常见的高增益天线，透镜天线由于具有馈电简单，无馈源遮挡等优点而被广泛使用。但目前，透镜仍然面临自身能量损耗较大的问题，使得透镜天线的整体能耗增加，从而影响透镜天线的增益，进而增益不高导致透镜天线在高频频段的信号传输。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例第一方面提供了一种透镜，包括：介质基板和至少两个金属单元，该至少两个金属单元按照三角形栅格方式排列于该介质基板上，该金属单元为正多边形；该至少两个金属单元以该介质基板的几何中心为对称中心呈中心对称分布；该至少两个金属单元中的每一个金属单元包括至少两层金属贴片，该每一层金属贴片为该正多边形。

从以上方案可以看出，本申请实施例中的透镜采用中心对称的周期性结构设计，以及三角形栅格排列方式，因此，与其他排列方式相比，对于口径相同的透镜，本申请实施例中的透镜中的三角形栅格排列方式可以有效减少透镜中金属单元的数量，从而减少金属贴片的贴片面积，降低透镜的能量损耗，改良透镜的辐射特性。

在第一方面的一种可能的实现方式中，该正多边形包括正六边形。应理解，经过大量实验证明，相比于其他形状，正六边形的带宽特性更好，可以支持水平极化、垂直极化、-45°极化和+45°极化四种极化方式。

在第一方面的一种可能的实现方式中，该每一个金属贴片的面积与该每一层金属贴片与该对称中心的距离之间具有对应关系。

在第一方面的一种可能的实现方式中，该每一个金属单元中不同层金属贴片的面积大小不同。每一层金属贴片的面积大小可以改变透镜中的介电常数和磁导率，从而改变透镜的移相能力，因此，采用通过改变不同层金属贴片的面积可以使得透镜的不同位置具有相应的移相能力，从而实现相位补偿。

在第一方面的一种可能的实现方式中，该至少两个金属单元排列在该介质基板上的至少两个预设区域中。

在第一方面的一种可能的实现方式中，该至少两个预设区域为圆环状，其中，该圆环状中的金属单元的面积随着该圆环状中的金属单元与该对称中心的距离的增大而减小。

通过在介质基板上设置预设区域用于放置金属单元，使得介质基板得到合理利用，可以进一步的减少金属贴片的面积，降低金属耗。

本申请实施例第二方面提供了一种辐射装置，包括：透镜和天线，该天线用于发射或者接收无线电信号；该透镜用于对该无线电信号进行相位补偿，该透镜为上述权利要求1至6中任一项该的透镜。

在第二方面的一种实现方式中，该天线为馈源天线，该馈源天线设置于该透镜的几何中心，该馈源天线包括：馈线、金属平板和辐射单元，其中，该馈线和该辐射单元设置于该金属平板的两个平面上。

在第二方面的一种实现方式中，该天线为相控阵天线，该透镜设置于该相控阵天线的辐射方向的正上方，与该相控阵天线相距0.3至0.5个焦径比的距离，该焦径比为该透镜的焦距与直径之间的比值。

在第二方面的一种实现方式中，该辐射装置还包括结构件，该结构件用于支撑该透镜和该相控阵天线。

第二方面的技术效果可参阅第一方面的中相关描述，对此此处不再赘述。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一个透镜的二维结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种金属单元的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一个金属单元的俯视图；

图4为本申请实施例提供的一个金属单元的侧视图；

图5为本申请实施例提供的一个幅频特性示意图；

图6为本申请实施例提供的另一个幅频特性示意图；

图7为本申请实施例提供的一种馈源天线的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一个馈源天线的归一化方向图；

图9为本申请实施例提供的一个辐射装置示意图；

图10为本申请实施例提供的另一个辐射装置示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种透镜和辐射装置，用于降低能量损耗，提高天线增益。

下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请实施例提供了一种采用正多边形按照三角形栅格形式排列的透镜。与传统透镜相比，在相同透镜口径下和满足圆锥形区扫描不出现栅瓣的条件下，本申请实施例提供的透镜，可以减少金属贴片的面积，降低金属损坏，从而降低能量损耗。

图1为本申请实施例提供的一个透镜的二维结构示意图。如图1所示的透镜中灰色部分10为金属单元，白色部分11为介质基板。其中，金属单元按照三角形栅格方式排列在介质基板上，并且，金属单元以介质基板的几何中心(即透镜的透镜中心)为对称中心呈中心对称分布于介质基板上。

图1中示出的金属单元为正六边形，并且，多个正六边形金属单元排列于上述介质基板的预设区域即灰色部分10，每一个灰色部分10中的正六边形金属单元的面积随着其与上述对称中心的距离的增大而减小。需要说明的是，正六边形金属单元的面积和该正六边形金属单元与对称中心的距离之间具有对应关系，其中，该对应关系可以是上述的增大而减小，或者，该对应关系也可以是其他具有周期性的对应关系。通过该对应关系设计得到一种具有周期性结构的透镜，进而通过改变该透镜的周期性结构参数可以改变其介电常数和磁导率，从而使得透镜具有移相能力，实现相位补偿。

还需要说明的是，金属单元可以是正六边形，也可以是其他正多边形例如正八边形，或者，镂空圆环形。但是相对于镂空圆环形以及其他正多边形而言，正六边形具有更好的带宽特特性，可以支持水平(0°)极化、垂直(90°)极化、-45°极化和+45°极化四种极化方式。

在上述图1中所示的金属单元分布于图中灰色部分10，此外，金属单元还可以周期性分布区域还可以为介质基板上的全部区域或者其他形状的预设区域中，以得到一种周期性结构设计的透镜。

上述图1中示出的金属单元中包括至少两个金属贴片，每一个金属贴片单元的面积大小可以各不相同，也可以部分相同。图2为本申请实施例提供的一种金属单元的结构示意图。

图2中示出了的金属单元中具有5层金属贴片，每层包括一个金属贴片，分别为正六边形金属贴片12、13、14、15和16。此外，图2中还包括：正六边形介质基板17、18、19和20，其中，五个介质基板之间相互贴合，从上至下依次为正六边形介质基板17、18、19和20。正六边形金属贴片12设置于正六边形介质基板17的上表面，正六边形金属贴片13设置于正六边形介质基板17与正六边形介质基板18之间，正六边形金属贴片14设置于正六边形介质基板18与正六边形介质基板19之间，正六边形金属贴片15设置于正六边形介质基板19与正六边形介质基板20之间，正六边形金属贴片16设置于正六边形介质基板20的下表面。其中，介质基板17、18、19和20均为介电常数为ε_r的介电材料制成。

图3为本申请实施例提供的一个金属单元的俯视图。图3中示出了一个边长为W4的正六边形金属单元，其中，正六边形金属贴片12和正六边形金属贴片16的边长相等，为W7，正六边形金属贴片13和正六边形金属贴片15的边长相等，为W6，正六边形金属贴片14的边长为W5，W4>W5>W6>W7。

图4为本申请实施例提供的一个金属单元的侧视图。图4中示出了正六边形介质基板17、18、19和20的各自厚度，其中，正六边形介质基板17的厚度为h5，正六边形介质基板18的厚度为h6，正六边形介质基板19的厚度为h7，正六边形介质基板20的厚度为h8。与上述图3中的参数设计类似，取h5＝h8，h6＝h7。

本申请实施例提供的正六边形金属贴片可以等效为电容，相邻金属贴片之间的介质层可以等效为电感，因此，金属单元可以用多级电感电容的电路模型进行等效，利用其等效得到的滤波器原型电路来控制传输零点和传输极点的分布，在所需的工作频带内形成通带，并且，通过控制零点和极点的位置，使得不同金属单元具有不同的群时延特性，及具有不同的移相特性，从而实现透镜中不同位置具有不同的相位补偿能力，实现不同的相位补偿需求。

金属单元之间三角形栅格的排布方式，可以推迟栅瓣的出现，并且在透镜具有相同口径的前提下，三角形栅格的排布方式可以使得金属贴片的面积减小，从而减小金属损耗，提高天线增益，使得透镜在高频频段尤其是毫米波频段使用时，获得更大的增益，提升通信质量。

为了更好地理解本申请提供的透镜，下面结合一个具体的实现方案对其进行详细说明。具体如下：设计一个中心频率为28GHz，口径为128mm×128mm的透镜，其中，对应上述图4，透镜中的介质基板使用Rogers 4350B制成，其介电常数为3.48，h5＝h8＝0.508mm，h6＝h7＝0.422mm，四层介质基板采用三层Rogers 4450F半固化片(介电常数为3.52，厚度为0.101mm)进行粘合。图5为本申请实施例提供的一个幅频特性示意图。图6为本申请实施例提供的另一个幅频特性示意图，其中，图5中示出的是S11与频率之间的关系，图6示出的是S12与频率之间的关系，需要说明的是，S11和S21为该领域的通用术语，其含义及其他相关描述可参见其他相关资料，对此此处不再赘述。另外，与上述图3中对应，图6中示出的幅频特性对应的正六边形金属贴片的参数为W5＝0.95mm，W6＝0.93mm，W7＝0.92mm。

如上所述，透镜的作用主要用于对天线进行相位补偿，以实现将球面波转化为平面波，得到高增益波束。因此，通常本申请中的透镜需要与天线一起使用，从而实现获取更大的天线增益。需要说明的是，天线是一种变换器，用于将传输线中的导行波转换为电磁波或者将电磁波转换成传输线中的导行波，为了增强天线的传输能力，需要获得更大的天线增益。

本申请实施例中还提供了一种辐射装置，该辐射装置包括：天线和透镜，其中，该透镜为上述本申请实施例中图1中提供的透镜，天线用于发射或者接收无线电信号。

在一种示例中，天线为馈源天线，该馈源天线设置于透镜的几何中心。图7为本申请实施例提供的一种馈源天线的结构示意图。如图7所示，馈源天线包括：辐射贴片介质基板21、馈线介质基板22、辐射贴片23、金属平板24和馈线25。其中，辐射贴片23设置于辐射贴片介质基板21的下表面，馈线25设置于馈线介质基板22的上表面，金属平板24设置于辐射贴片23的下方，馈线25的上方。

示例性的，图8为本申请实施例提供的一个馈源天线的归一化方向图。图8中示出了由馈源天线激励透镜的归一化方向图。图8中对应的透镜的焦径比为F＝0.583，馈源天线与透镜之间的馈电高度为71.96mm，馈源距离/透镜直径＝F’＝0.558，天线功率增益为28.83dBi，其中馈源距离又称馈电距离，其含义为：馈源天线与透镜之间的距离。从上述图8所示的归一化方向图中可以看出，除了后瓣的归一化增益略有升高之外，其余副瓣的归一化增益均低于-25dB，水平面和垂直面的波束宽度均为5.2度，透镜的辐射特性良好。需要说明的是，上述焦径比为透镜的焦距与直径之间的比值。

在一种示例中，天线为相控阵天线，相控阵天线是一种通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变信号方向的天线。其中，该透镜设置于相控阵天线的辐射方向的正上方，与相控阵天线相距0.3至0.5个焦径比的距离。

示例性的，图9为本申请实施例提供的一个辐射装置示意图。如图9所示，辐射装置包括：透镜、结构件和相控阵天线，其中，结构件用于支撑透镜和相控阵天线，透镜为位于相控阵天线辐射方向的正上方，并且与相控阵天线保持0.3至0.5个焦径比的距离。图8中所示的辐射装置可以增强相控阵天线的天线增益，并且使得相控阵天线的波束具有扫描特性。

示例性的，图10为本申请实施例提供的另一个辐射装置示意图。如图10所示，辐射装置包括：透镜、结构件、转台和相控阵天线，与上述图9中的辐射装置不同的是，图10中所示的辐射装置还包括转台，以及结构件是圆柱体。转台中还设置有电机，使得转台可以在水平方向上360°旋转，从而带动垂直于转台放置的透镜旋转，使得相控阵天线的波束可以具备水平面360°的扫描能力。同时，通过合理的设置相控阵天线与透镜之间的相对位置，可以使得相控阵天线的波束在垂直方向上也具备±10°至±30°的扫描能力。还需要说明的是，上述图10所示的设备在使用前需要进行波束对准，其过程简述如下：控制电机进行360°水平旋转，每水平旋转1°，用相控阵进行垂直波束扫描，直到找到能对准基站传输信号的最佳波束，完成校准。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案范围。

Claims (8)

1.一种透镜，其特征在于，包括：

介质基板和至少三个金属单元，所述至少三个金属单元按照三角形栅格方式排列于所述介质基板上，所述金属单元为正多边形；

所述至少三个金属单元以所述介质基板的几何中心为对称中心呈中心对称分布；

所述至少三个金属单元中的每一个金属单元包括至少三层金属贴片，所述每一层金属贴片为所述正多边形，每一个金属贴片的面积与所述每一层金属贴片和所述金属单元的几何中心的距离之间具有对应关系，所述对应关系为所述每一个金属贴片的面积随着每一层金属贴片与所述金属单元的几何中心沿垂直于所述金属贴片的轴向的距离的增大而减小，所述金属单元中的金属贴片以所述金属单元的几何中心沿所述轴向呈对称分布。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述正多边形包括正六边形。

3.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述至少三个金属单元排列在所述介质基板上的至少两个预设区域中。

4.根据权利要求3所述的透镜，其特征在于，所述至少两个预设区域为圆环状，其中，所述透镜的圆环状区域中的金属单元的面积随着所述透镜的圆环状区域中的金属单元与所述对称中心的距离的增大而减小。

5.一种辐射装置，其特征在于，包括：

透镜和天线，所述天线用于发射或者接收无线电信号；

所述透镜用于对所述无线电信号进行相位补偿，所述透镜为上述权利要求1至4中任一项所述的透镜。

6.根据权利要求5所述的辐射装置，其特征在于，所述天线为馈源天线，所述馈源天线设置于所述透镜的几何中心，所述馈源天线包括：馈线、金属平板和辐射单元，其中，所述馈线和所述辐射单元设置于所述金属平板的两个平面上。

7.根据权利要求5所述的辐射装置，其特征在于，所述天线为相控阵天线，所述透镜设置于所述相控阵天线的辐射方向的正上方，与所述相控阵天线相距0.3至0.5个焦径比的距离，所述焦径比为所述透镜的焦距与直径之间的比值。

8.根据权利要求7所述的辐射装置，其特征在于，所述辐射装置还包括结构件，所述结构件用于支撑所述透镜和所述相控阵天线。

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