CN110783713A

CN110783713A - 一种电磁波透镜及天线及天线阵列

Info

Publication number: CN110783713A
Application number: CN201911406686.3A
Authority: CN
Inventors: 郑洪振; 芦永超; 窦英乾
Original assignee: Foshan Eahison Communication Co Ltd
Current assignee: Foshan Eahison Communication Co Ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-02-11
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: CN110783713B

Abstract

本发明提供一种电磁波透镜，经过该透镜的波束的横截面的轮廓形状近似于矩形或正方形，这样可用最少的透镜天线来实现无盲区的信号覆盖。包括内核体以及包裹住所述内核体的若干介质层；内核体的介电常数为1.7～2.3，最外层的介质层的介电常数为1～1.2，由内核体至最外层的介质层，各层的介电常数越来越小；特别地，所述内核体为长方体，各介质层的外形也均为长方体。调试人员实际上可以在避免不同波束大面积互相交叠的情况下，更为简单和精准地完成地面覆盖的调试工作。本发明还提供一种采用这种电磁波透镜的天线，以及还提供了一种电磁波透镜天线阵列。

Description

一种电磁波透镜及天线及天线阵列

技术领域

本发明涉及通信设备生产领域，更具体地说，涉及一种用于控制电磁波传播方向及控制电磁波的波瓣边界形状的透镜，以及涉及一种使用该种透镜的天线，以及一种天线阵列。

背景技术

电磁波透镜是一种能够对电磁波起到汇聚作用的无源装置。其中一种电磁波透镜的结构形式便是著名的龙伯透镜。

天线振子结合龙伯透镜可被制成龙伯透镜天线，龙伯透镜天线具有旁瓣和后瓣小，方向图好、增益高、无需复杂运算等优点，而这些优点在天线振子是运行在高频度时，譬如目前的5G通讯频段甚至是日后的6G通信频段时，其所能够达到的效果甚至是MassiveMIMO（大规模多入多出）方式所不能达到的。

龙伯透镜虽然有比较好的垂直方向图和水平方向图，但其波束的横截面的轮廓形状理论上为圆形，于是在使用多个龙伯透镜天线的信号来覆盖某片场地时，这些龙伯透镜天线的信号不可避免地需要进行较大面积的交叠，才能确保目标场地没有“盲区”，这相当于需要使用较多的龙伯透镜天线才能确保目标场地没有“盲区”，这无疑是增加了建设成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种电磁波透镜，经过该透镜的波束的横截面的轮廓形状近似于矩形或正方形，这样可用最少的透镜天线来实现无盲区的信号覆盖。

采用以下的技术方案：

一种电磁波透镜，包括内核体以及包裹住所述内核体的若干介质层；内核体的介电常数为1.7～2.3，最外层的介质层的介电常数为1～1.2，由内核体至最外层的介质层，各层的介电常数越来越小；特别地，所述内核体为长方体，各介质层的外形也均为长方体，经过电磁波透镜的波束的横截面的轮廓形状近似于矩形或正方形。

本电磁波透镜可以被视为是龙伯透镜的一种变形，其增益的均匀度虽然逊于龙伯透镜，但胜在经过该透镜的波束的横截面的轮廓形状能够近似于矩形或正方形。而矩形或正方形是一种可密铺的形状，可密铺的形状是指要覆盖一个面积时，多个相同的该形状能够不重叠且不留间隙地覆盖这个面积。容易知道，想要不留间隙地覆盖一个特定大小的面积时，在单个形状的面积一定的情况下，可密铺形状的数量相比不可密铺形状的数量更少，这也就意味着使用更少的电磁波透镜及天线。

天线振子发出的电磁波经过本透镜后，其增益的均匀度不及龙伯透镜主要表现在：波束的横截面的外轮廓一周的增益显著较横截面的中心的高。但虽然如此，当天线振子以及透镜距离想要覆盖的场地的距离合适时，增益的这种程度的不均匀性是不会对通信产生很明显的影响的，相比之下此时“可密铺”的投影形状带来的正面效果则要有意义得多。由于波束的横截面的轮廓形状近似于矩形或正方形，于是波束沿任一垂直面而投向地面，即使该投射不是正投影，波束在地面上的投影的轮廓依然是矩形或者是正方形，由于这样的投影轮廓带有接近直线的边缘，此时调试人员因为能够预判到波束在地面上的投影的轮廓----相当于调试人员能够预判到波束在地面上的覆盖轮廓和边界位置，于是此时调试人员实际上可以在避免不同波束大面积互相交叠的情况下，更为简单和精准地完成地面覆盖的调试工作。本电磁波透镜结合天线振子而制成透镜天线应用在一些运动场或者歌剧院时，其覆盖特点相比部署龙伯透镜天线或者Massive MIMO方式的天线都更有优势。

本发明的电磁波透镜的介质层的总数量优选在3～20之间。

本透镜的最外层的尺寸可以大至长*宽*高:1000mm*1000mm*1000mm，甚至更大一点，或者小至长*宽*高:150mm*150mm*150mm，甚至更小一点。具体可以结合天线的频段、功率、目标方向图而定，较大的尺寸宽容度也说明其可适用于广泛的场景。

各介质层以及内核体优选采用颗粒材料构成；所述颗粒材料优选是立方体状或球状或圆柱状。

以上所述的颗粒材料的结构优选为：在非金属材料中混入颗粒状或纤维状的金属导体。所述非金属材料优选为发泡材料。

应当说明的是，正方体被视为是长方体的一种特殊情况，因此本申请所述的长方体是包括正方体这种特殊情况的。相当于本申请也包括了内核体或介质层的外形为正方体的情形。另外，由于工艺限制或者精度足以满足，事实上并非要求内核体和各介质层都是严格的长方体，而是可以允许定点和棱带有些许的圆弧过度。

本发明还提供一种电磁波透镜天线，该透镜天线能提供轮廓形状近似于矩形或正方形的覆盖区域。

一种电磁波透镜天线，包括1件天线振子，所述天线振子对应1件电磁波透镜；特别地，所述电磁波透镜为以上所述结构的电磁波透镜；所述天线振子的辐射中心处在电磁波透镜的中轴线上，以天线振子的辐射中心指向电磁波透镜的中心作为天线的指向，所述电磁波透镜天线投射到地面的覆盖范围形状近似于矩形或正方形。

由于本发明的电磁波透镜的外轮廓形状为长方体，而长方体具有3个不同指向的中轴线，上述天线振子的辐射中心处在电磁波透镜的中轴上是指天线振子的辐射中心可以处在电磁波透镜的任意中轴线上。由于本发明的电磁波透镜并非如球形的龙伯透镜一般具有明确的焦点，因此天线振子至电磁波透镜之间的距离并非有一个如龙伯透镜的焦点一样的理论上最优的位置，而是只有一个较优的距离范围，使用时可以结合电磁波透镜自身的性能、天线振子的运行频率、目标覆盖区域的大小等来调整天线振子至电磁波透镜之间的距离。

所述的天线的指向所穿过的透镜的厚度优选为天线工作波长的1～５倍。

本发明的电磁波透镜天线其波束具有近似矩形或正方形的覆盖区域，可以与其他同样的电磁波透镜天线一起对目标范围进行覆盖而大幅减少相互之间的波束的交叠面积，由此在满足覆盖需要的前提下，能减少天线的部署数量，且调试人员也更容易进行覆盖范围的测定和调试。

本发明还提供一种电磁波透镜天线阵列，该天线阵列能提供轮廓形状近似于矩形或正方形的覆盖区域。

一种电磁波透镜天线阵列，特别地，包括至少2套上述的电磁波透镜天线，这些电磁波透镜天线的电磁波透镜的中心分布在同一平面上或者分布在同一圆柱面上或者分布在同一球面上，所述电磁波透镜天线投射到地面的覆盖范围形状近似于矩形或正方形。

当这些中心分布在同一平面上时，它们可以沿直线排列或者沿圆弧曲线排列，或者构成X向=M套，Y向=N套的M*N矩形阵列，M和N均为自然数。

当这些中心分布在同一个不完整的圆柱面上时，它们可以构成圆弧长度方向=R套，圆柱面高度方向=L套的R*L阵列，R和L均为自然数。

当这些中心分布在同一个不完整的球面上时，它们可以构成一个球面阵列。

本发明的电磁波透镜天线阵列能以最少的天线数量来覆盖目标范围，且天线之间波束交叠面积少。

附图说明：

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例1的剖视结构示意图（沿X-Z平面剖开）；

图3是实施例1的剖视结构示意图（沿Y-Z平面剖开）；

图4是实施例1的剖视结构示意图（沿X-Y平面剖开）；

图5是实施例2的结构示意图；

图6是实施例2的透镜天线垂直地投射到地面时的覆盖范围示意图；

图7是实施例3的第一种结构及原理示意图；

图8是实施例3的第二种结构及原理示意图；

图9是实施例4的结构及原理示意图；

图10是实施例5的结构及原理示意图；

图11是实施例6的结构及原理示意图；

图12是实施例7的结构及原理示意图。

附图标记说明：1-第一介质层；2-第二介质层；3-第三介质层；4-第四介质层；5-第五介质层；6-外壳；7-内核体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明内容作进一步说明。

实施例1

本实施例是本发明电磁波透镜结构的说明例。

如图1、图2、图3、图4所示，本实施例的电磁波透镜包括：内核体7、第一介质层1、第二介质层2、第三介质层3、第四介质层4、第五介质层5和外壳6。

如图2、图3、图4所示，第一介质层1、第二介质层2、第三介质层3、第四介质层4、第五介质层5和外壳依次逐层包裹住内核体7。

其中，内核体7为长方体范畴内的正方体，而其他各介质层也是长方体范畴内的正方体。

内核体7的目标介电常数为2，而第五介质层5和外壳6的目标介电常数为1，且由内核体7至第五介质层5，各层的介电常数越来越小。

本实施例的内核体7和各介质层是由众多圆柱状的颗粒材料构成的，单颗颗粒材料是在发泡材料中混入纤维状的金属导体制成的，发泡材料选用的是发泡成型后介电常数尽可能低的原料，而在一颗颗粒材料内可以只有一根金属导体，也可以有多根金属导体。在一颗颗粒材料内有多根金属导体的情况下，这些金属导体最好是互不接触、互不导通的。根据上面所讲，内核体、各介质层的介电常数是不相同的，因此事实上内核体、各层介质层所采用的颗粒材料的结构模式虽然可能是相同的，但具体的结构参数和规格是不同的。

其中一种颗粒材料的制作方法可参照名为“AN ARTIFICIAL DIELECTRICMATERIAL AND A METHOD OF MANUFACTURING THE SAME”，公开号为WO2009078807，公开日为2009年6月25日的专利文献。

本电磁波透镜结合天线振子而制成透镜天线应用在一些运动场或者歌剧院时，其覆盖特点相比部署龙伯透镜天线或者Massive MIMO方式的天线都更有优势。

实施例2

本实施例是本发明电磁波透镜天线结构的说明例。

如图5所示，本实施例的一种电磁波透镜天线包括：1件天线振子，该天线振子对应1件电磁波透镜。电磁波透镜为实施例1所述结构的电磁波透镜。天线振子的辐射中心处在电磁波透镜的中轴线上，以天线振子的辐射中心指向电磁波透镜的中心作为天线的指向。

本电磁波透镜天线在水平方向上的方向图以及在垂直方向上的方向图与龙伯透镜天线对应的方向图大致上是相同的。但是如图6所示，本实施例的电磁波透镜天线投射到地面的覆盖范围将近似为一个正方形。

当电磁波透镜天线的电磁波透镜为长方体时，此时的电磁波透镜天线投射到地面的覆盖范围将近似为一个长方形。

实施例3

本实施例是本发明电磁波透镜天线阵列结构的说明例。

如图7所示，本实施例的一种电磁波透镜天线阵列包括3套如实施例2所述结构的电磁波透镜天线。该3套电磁波透镜天线的电磁波透镜的中心是分布在同一水平面上的，并且是沿直线排列的。

如图7所示，当该3套电磁波透镜天线都垂直地朝向底面时，本实施例的电磁波透镜天线阵列投射到地面的覆盖范围可以视为是3个实施例2的天线的覆盖范围沿直线方向有交叠地排列而组成的。

如图8所示，当位于两端的2套电磁波透镜天线分别稍向外偏转一定角度后，本实施例的电磁波透镜天线阵列投射到地面的覆盖范围可以视为是1个实施例2的天线的正方形覆盖范围加上2个矩形的覆盖范围这3个覆盖范围沿直线方向几乎没有交叠地排列而组成的。

实施例4

本实施例是本发明电磁波透镜天线阵列结构的另一说明例。

如图9所示，本实施例的一种电磁波透镜天线阵列包括2套如实施例2所述结构的电磁波透镜天线。该2套电磁波透镜天线的电磁波透镜的中心是分布在同一水平面上的，由于电磁波透镜的中心的数量是2个，因此它们可被视为是沿直线排列的。

而这2套电磁波透镜天线是朝向地面并且分别向相反的方向稍作偏转的，这样的天线阵列的覆盖范围可以视为是2个矩形的覆盖范围沿直线方向几乎没有交叠地排列而组成的。

实施例5

本实施例是本发明电磁波透镜天线阵列结构的另一说明例。

如图10所示，本实施例的一种电磁波透镜天线阵列包括3套如实施例2所述结构的电磁波透镜天线。该3套电磁波透镜天线的电磁波透镜的中心是分布在同一竖直面上的，并且是沿圆弧曲线排列的。

本实施例的电磁波透镜天线阵列投射到地面的覆盖范围可以视为是1个实施例2的天线的正方形覆盖范围加上2个矩形的覆盖范围这3个覆盖范围沿直线方向几乎没有交叠地排列而组成的。

实施例6

本实施例是本发明电磁波透镜天线阵列结构的另一说明例。

如图11所示，本实施例的一种电磁波透镜天线包括6套如实施例2所述结构的电磁波透镜天线。该6套电磁波透镜天线的电磁波透镜的中心是分布在同一水平面上的，并且构成X向=2套，Y向=3套的2*3矩形阵列，垂直地向地面投射。

实施例7

本实施例是本发明电磁波透镜天线阵列结构的另一说明例。

如图12所示，本实施例的一种电磁波透镜天线包括9套如实施例2所述结构的电磁波透镜天线。该9套电磁波透镜天线的电磁波透镜的中心是分布在同一不完整的圆柱面上的，它们构成圆弧长度方向=3套，圆柱面高度方向=3套的3*3阵列。

本实施例的电磁波透镜天线的覆盖范围可以视为由3组实施例5所述结构的电磁波透镜天线阵列沿圆柱面的高度方向排列而组成的。

本说明书列举的仅为本发明的较佳实施方式，凡在本发明的工作原理和思路下所做的等同技术变换，均视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电磁波透镜，包括内核体以及包裹住所述内核体的若干介质层；内核体的介电常数为1.7～2.3，最外层的介质层的介电常数为1～1.2，由内核体至最外层的介质层，各层的介电常数越来越小；其特征是：所述内核体为长方体，各介质层的外形也均为长方体，经过电磁波透镜的波束的横截面的轮廓形状近似于矩形或正方形。

2.如权利要求1所述的一种电磁波透镜，其特征是：介质层的总数量在3～20之间。

3.如权利要求1所述的一种电磁波透镜，其特征是：透镜的最外层的尺寸大至长*宽*高:1000mm*1000mm*1000mm。

4.如权利要求1所述的一种电磁波透镜，其特征是：透镜的最外层的尺寸小至长*宽*高：20mm*20mm*20mm。

5.如权利要求1所述的一种电磁波透镜，其特征是：各介质层以及内核体采用颗粒材料构成；所述颗粒材料是立方体状或球状或圆柱状。

6.如权利要求5所述的一种电磁波透镜，其特征是：所述的颗粒材料的结构为：在非金属材料中混入颗粒状或纤维状的金属导体。

7.如权利要求6所述的一种电磁波透镜，其特征是：所述非金属材料为发泡材料。

8.一种电磁波透镜天线，包括1件天线振子，所述天线振子对应1件电磁波透镜；其特征是：所述电磁波透镜为权利要求1所述结构的电磁波透镜；所述天线振子的辐射中心处在电磁波透镜的中轴线上，以天线振子的辐射中心指向电磁波透镜的中心作为天线的指向，所述电磁波透镜天线投射到地面的覆盖范围形状近似于矩形或正方形。

9.如权利要求8所述的一种电磁波透镜天线，其特征是：所述的天线的指向所穿过的透镜的厚度为天线工作波长的1～5倍。

10.一种电磁波透镜天线阵列，其特征是：包括至少2套上述的电磁波透镜天线，这些电磁波透镜天线的电磁波透镜的中心分布在同一平面上或者分布在同一圆柱面上或者分布在同一球面上，所述电磁波透镜天线投射到地面的覆盖范围形状近似于矩形或正方形。

11.如权利要求10所述的一种电磁波透镜天线阵列，其特征是：当这些中心分布在同一平面上时，它们沿直线排列或者沿圆弧曲线排列，或者构成X向=M套，Y向=N套的M*N矩形阵列，M和N均为自然数。

12.如权利要求10所述的一种电磁波透镜天线阵列，其特征是：当这些中心分布在同一个不完整的圆柱面上时，它们构成圆弧长度方向=R套，圆柱面高度方向=L套的R*L阵列，R和L均为自然数。

13.如权利要求10所述的一种电磁波透镜天线阵列，其特征是：当这些中心分布在同一个不完整的球面上时，它们构成一个球面阵列。