CN111262044A - 一种柱形龙伯透镜天线和柱形龙伯透镜天线阵列 - Google Patents

一种柱形龙伯透镜天线和柱形龙伯透镜天线阵列 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种柱形龙伯透镜天线和柱形龙伯透镜天线阵列，涉及通信技术领域，能够使柱形龙伯透镜天线支持双极化，提高通信系统的容量。该柱形龙伯透镜天线包括两个相互平行的金属板以及设置于两个所述金属板之间的柱形龙伯透镜，所述柱形龙伯透镜包括柱形龙伯透镜主体层和补偿层，所述补偿层用于补偿所述柱形龙伯透镜主体层在TEM模式和/或TE10模式下的等效介电常数，以使所述柱形龙伯透镜在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与预设的介电常数分布一致。本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线用于通信系统。

Description

一种柱形龙伯透镜天线和柱形龙伯透镜天线阵列
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种柱形龙伯透镜天线和柱形龙伯透镜天线阵列。
背景技术
随着信息社会的飞速发展，移动通信技术向第五代移动通信技术(也即是5G)迈进。作为5G的标志性变化之一，毫米波频段被各个国家或地区的频谱管理机构规划用于移动通信，因为毫米波频段相比3G或4G时代常用的低频段带宽更大，可以缓解低频段频率资源紧张、带宽不足的问题，有望大大提高通信系统的容量。
然而，毫米波在空间中传播的高衰减特性对无线通信系统的天线设计带来的挑战是高增益和广扫描角度。龙伯透镜作为一种经典电磁透镜，它对电磁波的聚焦作用能够大大提高天线的增益，并且龙伯透镜的旋转对称特性使它具有非常宽的扫描角度，此外透镜架构在降低通道数量和降低系统复杂度方面也具有优势。
经典的龙伯透镜是一种渐变折射率的球体透镜，折射率n(或介电常数εr)与归一化半径r/R(其中，r为龙伯透镜内各介质部分至龙伯透镜的球心之间的距离，R为龙伯透镜的半径)之间的关系为：
Figure BDA0001888322530000011
即折射率n或介电常数εr从球心到球面逐渐减小。而现有技术中，该介电常数沿径向渐变的球体加工难度较大，从而限制了该经典龙伯透镜的应用范围。为了避免此问题，现有技术中出现了柱形龙伯透镜01，也称为二维龙伯透镜或者平面龙伯透镜，如图1所示，柱形龙伯透镜01呈圆盘状结构，沿柱形龙伯透镜01的径向由内至外，柱形龙伯透镜01的介电常数逐渐缩小，能够在一定程度上保留高增益、广扫描的优点，且相比于介电常数沿径向渐变的球体，该柱形龙伯透镜01的加工难度得到了大幅度降低。但是，在将该柱形龙伯透镜01应用于天线中以形成柱形龙伯透镜天线时，图2为现有技术中的一种柱形龙伯透镜天线，该柱形龙伯透镜天线包括两个相互平行的金属板02、设置于两个金属板02之间的柱形龙伯透镜01、以及与柱形龙伯透镜01的侧壁相对的馈源03，该柱形龙伯透镜天线仅支持单极化，使得包括该柱形龙伯透镜天线的通信系统的容量较小。
发明内容
本申请的实施例提供一种柱形龙伯透镜天线和柱形龙伯透镜天线阵列，能够使柱形龙伯透镜天线支持双极化，提高通信系统的容量。
为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本申请一些实施例提供一种柱形龙伯透镜天线，该柱形龙伯透镜天线包括两个相互平行的金属板以及设置于该两个金属板之间的柱形龙伯透镜，柱形龙伯透镜包括柱形龙伯透镜主体层和补偿层，其中，所述补偿层用于补偿所述柱形龙伯透镜主体层在TEM模式和/或TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与预设的介电常数分布一致。
其中，预设的介电常数分布满足以下条件：
当柱形龙伯透镜在TEM模式下的等效介电常数分布与该预设的介电常数分布一致时，柱形龙伯透镜天线能够实现垂直于金属板的方向上的极化；当柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与该预设的介电常数分布一致时，柱形龙伯透镜天线能够实现平行于金属板的方向上的极化。
与现有技术相比，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线中的柱形龙伯透镜包括柱形龙伯透镜主体层和补偿层，该补偿层用于补偿所述柱形龙伯透镜主体层在TEM模式和/或TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布能够与预设的介电常数分布一致，且由于当柱形龙伯透镜在TEM模式下的等效介电常数分布与该预设的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线能够实现垂直于金属板的方向上的极化(也即是垂直极化)；当柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与该预设的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线能够实现平行于金属板的方向上的极化(也即是水平极化)，因此当柱形龙伯透镜在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与该预设的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线能够同时实现垂直和水平两个方向上的极化，从而能够提高通信系统的容量。
在一些实施例中，预设的介电常数分布为经典龙伯透镜的介电常数分布，当柱形龙伯透镜在TEM模式下的等效介电常数分布与经典龙伯透镜的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线能够实现垂直极化；当柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与经典龙伯透镜的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线能够实现水平极化，因此当柱形龙伯透镜在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与经典龙伯透镜的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线能够同时实现垂直极化和水平极化，从而能够提高通信系统的容量。
可选的，柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致，补偿层用于正向补偿柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。这样一来，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线能够同时实现垂直极化和水平极化，从而能够提高通信系统的容量，且补偿层仅补偿柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数即可，因此补偿层的结构简单，容易实现。
可选的，补偿层包括片状基材，该片状基材与金属板平行，片状基材包括相对的第一表面和第二表面，第一表面和/或第二表面上贴覆有金属片阵列。这样一来，补偿层即形成了超材料层，超材料层能够正向补偿柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数，且超材料层对柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数无影响，能够在柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致的前提下，仅正向补偿柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。且在制作柱形龙伯透镜时，可以首先将金属片阵列包括的多个金属片设置于片状基材上，以保证多个金属片之间的相对位置精度，然后再将该金属片阵列和片状基材所组成的整体与柱形龙伯透镜主体层装配在一起形成柱形龙伯透镜，此制作过程简单，容易实现，能够有效保证多个金属片之间的相对位置精度。
金属片阵列包括多个金属片，该金属片的形状包括但不限于圆形、方形、三角形、心形，且每个金属片的具体尺寸参数、多个金属片的阵列方式以及相邻两个金属片之间的间距需要根据补偿层正向补偿的大小来进行确定。示例的，金属片的形状为圆形。
片状基材由绝缘材料或者半导体材料制作。在一些实施例中，片状基材为电路板基材，示例的，片状基材为聚四氟乙烯(Polytetrafluoro ethylene，PTFE)材料构成的电路板基材。
可选的，补偿层包括阵列设置于同一平面内的多个金属片，多个金属片所处的平面与金属板平行，且每个金属片均与金属板平行。这样一来，补偿层即形成了超材料层，超材料层能够正向补偿柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数，且超材料层对柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数无影响，能够在柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致的前提下，仅正向补偿柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。且此结构简单，无需设置片状基材，因此成本较低，且对柱形龙伯透镜的厚度影响较小。
可选的，补偿层设置于柱形龙伯透镜主体层沿其轴向上的中部。这样，补偿层能够对柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数起到有效的补偿作用，以使柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。
可选的，柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致，补偿层用于负向补偿柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。这样一来，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线能够同时实现垂直极化和水平极化，从而能够提高通信系统的容量，且补偿层仅补偿柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数即可，因此补偿层的结构简单，容易实现。
在一些实施例中，补偿层为等效介电常数小于柱形龙伯透镜主体层的最小等效介电常数的介质层，补偿层与柱形龙伯透镜主体层层叠设置，且补偿层位于柱形龙伯透镜沿其轴向上的至少一端。这样一来，补偿层能够负向补偿柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数，且该补偿层对柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数的影响较小，能够在柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致的前提下，仅负向补偿柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。具体的，补偿层包括但不限于空气层、真空层、泡沫层。
可选的，柱形龙伯透镜主体层沿其径向各半径位置在TEM模式下的等效介电常数均大于预设的介电常数分布中相应半径下的介电常数，柱形龙伯透镜主体层沿其径向各半径位置在TE10模式下的等效介电常数均小于预设的介电常数分布中相应半径下的介电常数，补偿层用于负向补偿柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数，并正向补偿柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与预设的介电常数分布一致。这样一来，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线能够同时实现垂直极化和水平极化，从而能够提高通信系统的容量。
在一些实施例中，补偿层包括第一补偿层和第二补偿层；第一补偿层用于负向补偿柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致；第二补偿层用于正向补偿柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。这样一来，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线能够同时实现垂直极化和水平极化，从而能够提高通信系统的容量。
可选的，柱形龙伯透镜主体层为圆形的平板状。这样，柱形龙伯透镜主体层上各个位置的厚度均匀一致，更易于加工。
在一些实施例中，柱形龙伯透镜主体层包括沿其径向由内至外依次设置的多个环形介质层，该多个环形介质层的材料不同，且沿柱形龙伯透镜主体层的径向由内至外，多个环形介质层的材料的介电常数逐渐减小。这样，通过材料本身的介电常数的不同，模拟了柱形龙伯透镜主体层的介电常数分布，此结构简单，容易实现。
在另一些实施例中，柱形龙伯透镜主体层包括圆形的基板，基板上开设有多个通孔，且沿柱形龙伯透镜主体层的径向由内至外，基板上的开孔率逐渐增大。这样，通过开孔率大小模拟了柱形龙伯透镜主体层的介电常数分布，无需设置多种材料，因此结构简单，成本较低。
可选的，柱形龙伯透镜天线还包括与柱形龙伯透镜主体层的侧壁相对的双极化馈源，双极化馈源包括但不限于双极化微带贴片、双极化平面八木天线、双极化圆锥介质天线、双极化开口波导天线或者双极化喇叭天线。
可选的，柱形龙伯透镜天线还包括与柱形龙伯透镜主体层的侧壁相对的双极化馈源，双极化馈源为多个，多个双极化馈源沿该柱形龙伯透镜主体层的周向依次排列。这样，通过切换开关，以向不同的双极化馈源输入信号，能够实现在平行于金属板的平面内的旋转扫描，从而能够增大柱形龙伯透镜天线的扫描角度，而且，还可以同时向多个双极化馈源输入信号，以实现多波束同时工作。
第二方面，本申请一些实施例提供了一种柱形龙伯透镜天线阵列，包括多个上述任一技术方案所述的柱形龙伯透镜天线，多个所述柱形龙伯透镜天线沿所述柱形龙伯透镜天线中的柱形龙伯透镜主体层的中轴线延伸方向依次堆叠设置。
与现有技术相比，本申请一些实施例提供的柱形龙伯透镜天线阵列包括多个如上任一技术方案所述的柱形龙伯透镜天线，而如上任一技术方案所述的柱形龙伯透镜天线能够同时实现垂直和水平两个方向上的极化，提高通信系统的容量，因此本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线阵列能够实现垂直和水平两个方向上的极化，提高通信系统的容量，且通过向多个柱形龙伯透镜天线输入相位不同的信号能够实现在垂直于柱形龙伯透镜天线中金属板的平面内的波束扫描。
附图说明
图1为现有技术中的一种柱形龙伯透镜的结构示意图；
图2为现有技术中的一种柱形龙伯透镜天线的主视图；
图3为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线的第一种结构的主视图；
图4为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线的第二种结构的主视图；
图5为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线的第三种结构的主视图；
图6为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线的第四种结构的主视图；
图7为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线的第五种结构的主视图；
图8为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线的第六种结构的主视图；
图9为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线的第七种结构的主视图；
图10为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线的第八种结构的主视图；
图11为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线的第九种结构的主视图；
图12为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线中柱形龙伯透镜主体层的第一种结构的俯视图；
图13为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线中柱形龙伯透镜主体层的第二种结构的俯视图；
图14为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线的第十种结构去除金属板后的俯视图；
图15为本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线阵列的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在本申请实施例的描述中，“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
第一方面，本申请一些实施例提供一种柱形龙伯透镜天线，如图3～图11所示，该柱形龙伯透镜天线1包括两个相互平行的金属板11以及设置于该两个金属板11之间的柱形龙伯透镜12，柱形龙伯透镜12包括柱形龙伯透镜主体层121和补偿层122，其中，所述补偿层122用于补偿柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式和/或TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜12在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与预设的介电常数分布一致。
其中，需要说明的是，预设的介电常数分布为满足以下条件的一类介电常数分布，该条件为：当柱形龙伯透镜12在TEM模式下的等效介电常数分布与该预设的介电常数分布一致时，柱形龙伯透镜天线1能够实现垂直于金属板11的方向上的极化；当柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布与该预设的介电常数分布一致时，柱形龙伯透镜天线1能够实现平行于金属板11的方向上的极化。
需要说明的是，柱形龙伯透镜12在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致，并非是柱形龙伯透镜12在TEM模式下的等效介电常数分布要与预设的介电常数分布完全相同，而是当柱形龙伯透镜12上半径r位置处在TEM模式下的等效介电常数εr_eff1与预设的介电常数分布中半径r下的介电常数εr之差的绝对值︱εr_eff1-εr︱/εr≤10％时，均可认为柱形龙伯透镜12在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。其中，0≤r≤R，R为柱形龙伯透镜的半径。同理的，柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致，并非是柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布要与预设的介电常数分布完全相同，而是当柱形龙伯透镜12上半径r位置处在TE10模式下的等效介电常数εr_eff2与预设的介电常数分布中半径r下的介电常数εr之差的绝对值︱εr_eff2－εr︱/εr≤10％时，均可认为柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。
与现有技术相比，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1中的柱形龙伯透镜12包括柱形龙伯透镜主体层121和补偿层122，该补偿层122用于补偿所述柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式和/或TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜12在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布能够与预设的介电常数分布一致，且由于当柱形龙伯透镜12在TEM模式下的等效介电常数分布与该预设的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1能够实现垂直于金属板11的方向上的极化(也即是垂直极化)；当柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布与该预设的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1能够实现平行于金属板11的方向上的极化(也即是水平极化)，因此当柱形龙伯透镜12在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与该预设的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1能够同时实现垂直和水平两个方向上的极化，从而能够提高通信系统的容量。
在一些实施例中，预设的介电常数分布为经典龙伯透镜的介电常数分布，由背景技术中表达式(1)可推出经典龙伯透镜的介电常数分布为：εr＝2－(r/R)2。当柱形龙伯透镜12在TEM模式下的等效介电常数分布与经典龙伯透镜的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1能够实现垂直极化；当柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布与经典龙伯透镜的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1能够实现水平极化，因此当柱形龙伯透镜12在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与经典龙伯透镜的介电常数分布一致时，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1能够同时实现垂直极化和水平极化，从而能够提高通信系统的容量。
可选的，如图5、图6或图7所示，柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致，补偿层122用于正向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。这样一来，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1能够同时实现垂直极化和水平极化，从而能够提高通信系统的容量，且补偿层122仅补偿柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数即可，因此补偿层122的结构简单，容易实现。
在上述实施例中，补偿层122可以设置于柱形龙伯透镜主体层121沿其轴向(也即方向X)上的端部(如图6所示)，还可以设置于柱形龙伯透镜主体层121沿其轴向(也即方向X)上的中部，在此不做具体限定。在一些实施例中，如图5或图7所示，补偿层122设置于柱形龙伯透镜主体层121沿其轴向上的中部，这样，补偿层122能够对柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数起到有效的补偿作用，以使柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。
可选的，如图5或图6所示，补偿层122包括片状基材1221，该片状基材1221与金属板11平行，片状基材1221包括相对的第一表面a和第二表面b，第一表面a和/或第二表面b上贴覆有金属片阵列1222。这样一来，补偿层122即形成了超材料层，超材料层能够正向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数，且超材料层对柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数无影响，能够在柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致的前提下，仅正向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。且在制作柱形龙伯透镜12时，可以首先将金属片阵列1222包括的多个金属片设置于片状基材1221上，以保证多个金属片之间的相对位置精度，然后再将该金属片阵列1222和片状基材1221所组成的整体与柱形龙伯透镜主体层121装配在一起形成柱形龙伯透镜12，此制作过程简单，容易实现，能够有效保证多个金属片之间的相对位置精度。
在上述实施例中，补偿层122可以为一层，也可以为多层，在此不做具体限定。在一些实施例中，补偿层122为多层，多层补偿层122压合在一起，以形成两层及以上的金属片阵列。其中，多层补偿层122组成的结构可以采用多层电路生产工艺制作。
如图5或图6所示，金属片阵列1222可以通过胶水粘接于片状基材1221的第一表面a和/或第二表面b上，也可以直接成型于片状基材1221的第一表面a和/或第二表面b上，在此不做具体限定。在一些实施例中，金属片阵列1222采用印制电路工艺成型于片状基材1221的第一表面a和/或第二表面b上。
金属片阵列1222可以仅设置于片状基材1221的第一表面a上，也可以仅设置于片状基材1221的第二表面b上，还可以同时设置于片状基材1221的第一表面a和第二表面b上，在此不做具体限定。在一些实施例中，如图6所示，金属片阵列1222可以仅设置于片状基材1221的第二表面b上。在另一些实施例中，如图5所示，金属片阵列1222同时设置于片状基材1221的第一表面a和第二表面b上。
金属片阵列122包括多个金属片，该金属片的形状可以为圆形、方形、三角形、心形等等，在此不做具体限定，且每个金属片的具体尺寸参数、多个金属片的阵列方式以及相邻两个金属片之间的间距需要根据补偿层正向补偿的大小来进行确定。在一些实施例中，金属片的形状为圆形。
片状基材1221由绝缘材料或者半导体材料制作。在一些实施例中，片状基材1221为电路板基材，示例的，片状基材1221为聚四氟乙烯(Polytetrafluoro ethylene，PTFE)材料构成的电路板基材，这样，金属片阵列1222可以采用印制电路工艺成型于片状基材1221上。
可选的，如图7所示，补偿层122包括阵列设置于同一平面内的多个金属片，多个金属片所处的平面与金属板11平行，且每个金属片均与金属板11平行。这样一来，补偿层即形成了超材料层，超材料层能够正向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数，且超材料层对柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数无影响，能够在柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致的前提下，仅正向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。且此结构简单，对柱形龙伯透镜的厚度影响较小。其中，补偿层122可以为一层，也可以为多层，在此不做具体限定。在一些实施例中，如图7所示，补偿层为3层。
可选的，如图3或图4所示，柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致，补偿层122用于负向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜12在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。这样一来，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1能够同时实现垂直极化和水平极化，从而能够提高通信系统的容量，且补偿层122仅补偿柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数即可，因此补偿层122的结构简单，容易实现。
在一些实施例中，如图3或图4所示，补偿层122为等效介电常数小于柱形龙伯透镜主体层的最小等效介电常数的介质层，补偿层122与柱形龙伯透镜主体层121层叠设置，且补偿层122位于柱形龙伯透镜主体层121沿其轴向上的至少一端。这样一来，补偿层122能够负向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数，且该补偿层122对柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数的影响较小，能够在柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致的前提下，仅负向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜12在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。
在上述实施例中，补偿层122可以为空气层、真空层、泡沫层、海绵层、打孔介质层等等，在此不做具体限定，只要该补偿层122的等效介电常数小于柱形龙伯透镜主体层的最小等效介电常数即可。而且，该补偿层122可以仅为空气层，也可以仅为泡沫层，还可以为空气层和泡沫层间隔排列形成的结构，在此不做具体限定。在一些实施例中，如图3或图4所示，补偿层122仅为空气层。在另一些实施例中，补偿层122为泡沫层和空气层间隔排列形成的结构。
补偿层122可以为一层，该一层补偿层122位于柱形龙伯透镜主体层121沿其轴向上的一端，该补偿层122也可以为两层，该两层补偿层122分别位于柱形龙伯透镜主体层121沿其轴向上的两端，在此不做具体限定。在一些实施例中，如图4所示，补偿层122为一层，该一层补偿层122位于柱形龙伯透镜主体层121沿其轴向上的一端。在另一些实施例中，如图3所示，补偿层122为两层，该两层补偿层122分别位于柱形龙伯透镜主体层121沿其轴向上的两端。
可选的，如图8或图9所示，柱形龙伯透镜主体层121沿其径向各个半径位置处在TEM模式下的等效介电常数均大于预设的介电常数分布中相应半径下的介电常数，柱形龙伯透镜主体层121沿其径向各个半径位置处在TE10模式下的等效介电常数均小于预设的介电常数分布中相应半径下的介电常数，补偿层122用于负向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数，并正向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜12在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与预设的介电常数分布一致。这样一来，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1能够同时实现垂直极化和水平极化，从而能够提高通信系统的容量。
在一些实施例中，如图8或图9所示，补偿层122包括第一补偿层122a和第二补偿层122b；第一补偿层122a用于负向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TEM模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜12在TEM模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致；第二补偿层122b用于正向补偿柱形龙伯透镜主体层121在TE10模式下的等效介电常数，以使柱形龙伯透镜12在TE10模式下的等效介电常数分布与预设的介电常数分布一致。这样一来，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线1能够同时实现垂直极化和水平极化，从而能够提高通信系统的容量。
柱形龙伯透镜主体层121可以为圆形的平板状结构，也可以为中间厚边缘薄的类似于凸透镜的形状(如图10所示)，还可以为由多个半径不同的柱形龙伯透镜121a、121b和121c堆叠而成的结构(如图11所示)，在此不做具体限定。在一些实施例中，如图3～图9中任一附图所示，柱形龙伯透镜主体层121为圆形的平板状结构，这样，柱形龙伯透镜主体层121上各个位置的厚度均匀一致，更易于加工。
当柱形龙伯透镜主体层121为圆形的平板状结构时，为了拟合柱形龙伯透镜主体层121的介电常数分布，该圆形的平板状结构具体可以为以下结构：
在一些实施例中，如图12所示，柱形龙伯透镜主体层121包括沿其径向由内至外依次设置的多个环形介质层1211，该多个环形介质层1211的材料不同，且沿柱形龙伯透镜主体层121的径向由内至外，多个环形介质层1211的材料的介电常数逐渐减小。这样，通过材料本身的介电常数的不同，模拟了柱形龙伯透镜主体层121的介电常数分布，此结构简单，容易实现。
在上述实施例中，环形介质层1211的数量可以为3个、5个或者无数多个，在此不做具体限定。在一些实施例中，如图12所示，环形介质层1211的数量为5个。当环形介质层1211的数量为无数多个时，可以采用3D打印技术制作该柱形龙伯透镜主体层121。
在另一些实施例中，如图13所示，柱形龙伯透镜主体层121包括圆形的基板1212，基板1212上开设有多个通孔1213，且沿柱形龙伯透镜主体层121的径向由内至外，基板1212上的开孔率逐渐增大。这样，通过开孔率大小模拟了柱形龙伯透镜主体层121的介电常数分布，无需设置多种材料，因此结构简单，成本较低。其中，基板1212上的开孔方式可以为等间距变半径开孔，也可以为等半径变半径开孔，在此不做具体限定。
可选的，如图3～图11中任一附图所示，柱形龙伯透镜天线1还包括与柱形龙伯透镜主体层121的侧壁相对的双极化馈源13，双极化馈源13包括但不限于双极化微带贴片、双极化平面八木天线、双极化圆锥介质天线、双极化开口波导天线或者双极化喇叭天线。
在一些实施例中，柱形龙伯透镜天线1还包括信号馈入装置(图中未示出)，信号馈入装置与双极化馈源13连接，该信号馈入装置用于向双极化馈源13的两个输入端口分别馈入相位相差90°的两路信号，以实现柱形龙伯透镜天线1的圆极化。
可选的，如图3～图11中任一附图所示，柱形龙伯透镜天线1还包括与柱形龙伯透镜主体层121的侧壁相对的双极化馈源13，如图14所示，双极化馈源13为多个，多个双极化馈源13沿该柱形龙伯透镜主体层121的周向依次排列。这样，通过切换开关，以向不同的双极化馈源13输入信号，能够实现在平行于金属板11的平面内的旋转扫描，而且，还可以同时向多个双极化馈源13输入信号，以实现多波束同时工作。
第二方面，如图15所示，本申请一些实施例提供了一种柱形龙伯透镜天线阵列，包括多个上述任一技术方案所述的柱形龙伯透镜天线1，多个所述柱形龙伯透镜天线1沿所述柱形龙伯透镜天线1中的柱形龙伯透镜主体层的中轴线延伸方向依次堆叠设置。
与现有技术相比，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线阵列包括多个如上任一技术方案所述的柱形龙伯透镜天线1，而如上任一技术方案所述的柱形龙伯透镜天线1能够同时实现垂直和水平两个方向上的极化，提高通信系统的容量，因此本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线阵列能够实现垂直和水平两个方向上的极化，提高通信系统的容量。同时，相比于包括经典的龙伯透镜的天线，图2所示的传统的柱形龙伯透镜天线丢失了在垂直于金属板02的方向上的扫描能力，与该图2所示的传统柱形龙伯透镜天线相比，本申请实施例提供的柱形龙伯透镜天线阵列能够通过向多个柱形龙伯透镜天线1输入相位不同的信号以实现在垂直于柱形龙伯透镜天线1中金属板的平面内的波束扫描。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是：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的精神和范围。

Claims (14)

1.一种柱形龙伯透镜天线，包括：两个相互平行的金属板以及设置于两个所述金属板之间的柱形龙伯透镜，其特征在于，
所述柱形龙伯透镜包括柱形龙伯透镜主体层和补偿层，所述补偿层用于补偿所述柱形龙伯透镜主体层在TEM模式和/或TE10模式下的等效介电常数，以使所述柱形龙伯透镜在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与预设的介电常数分布一致；
当所述柱形龙伯透镜在TEM模式下的等效介电常数分布与所述预设的介电常数分布一致时，所述柱形龙伯透镜天线能够实现垂直于所述金属板的方向上的极化；
当所述柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与所述预设的介电常数分布一致时，所述柱形龙伯透镜天线能够实现平行于所述金属板的方向上的极化。
2.根据权利要求1所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述预设的介电常数分布为经典龙伯透镜的介电常数分布。
3.根据权利要求1或2所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数分布与所述预设的介电常数分布一致，所述补偿层用于正向补偿所述柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数，以使所述柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与所述预设的介电常数分布一致。
4.根据权利要求3所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述补偿层包括片状基材，所述片状基材与所述金属板平行，所述片状基材包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面和/或所述第二表面上贴覆有金属片阵列。
5.根据权利要求3所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述补偿层包括阵列设置于同一平面内的多个金属片，所述多个金属片所处的平面与所述金属板平行，且每个所述金属片均与所述金属板平行。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述补偿层设置于所述柱形龙伯透镜主体层沿其轴向上的中部。
7.根据权利要求1或2所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数分布与所述预设的介电常数分布一致，所述补偿层用于负向补偿所述柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数，以使所述柱形龙伯透镜在TEM模式下的等效介电常数分布与所述预设的介电常数分布一致。
8.根据权利要求7所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述补偿层为等效介电常数小于所述柱形龙伯透镜主体层的最小等效介电常数的介质层，所述补偿层与所述柱形龙伯透镜主体层层叠设置，且所述补偿层位于所述柱形龙伯透镜沿其轴向上的至少一端。
9.根据权利要求1或2所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述柱形龙伯透镜主体层沿其径向各半径位置在TEM模式下的等效介电常数均大于所述预设的介电常数分布中相应半径下的介电常数，所述柱形龙伯透镜主体层沿其径向各半径位置在TE10模式下的等效介电常数均小于所述预设的介电常数分布中相应半径下的介电常数，所述补偿层用于负向补偿所述柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数，并正向补偿所述柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数，以使所述柱形龙伯透镜在TEM模式和TE10模式下的等效介电常数分布均与所述预设的介电常数分布一致。
10.根据权利要求9所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述补偿层包括第一补偿层和第二补偿层；
所述第一补偿层用于负向补偿所述柱形龙伯透镜主体层在TEM模式下的等效介电常数，以使所述柱形龙伯透镜在TEM模式下的等效介电常数分布与所述预设的介电常数分布一致；
所述第二补偿层用于正向补偿所述柱形龙伯透镜主体层在TE10模式下的等效介电常数，以使所述柱形龙伯透镜在TE10模式下的等效介电常数分布与所述预设的介电常数分布一致。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述柱形龙伯透镜主体层为圆形的平板状。
12.根据权利要求11所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述柱形龙伯透镜主体层包括沿其径向由内至外依次设置的多个环形介质层，多个所述环形介质层的材料不同，且沿所述柱形龙伯透镜主体层的径向由内至外，所述多个环形介质层的材料的介电常数逐渐减小。
13.根据权利要求11所述的柱形龙伯透镜天线，其特征在于，所述柱形龙伯透镜主体层包括圆形的基板，所述基板上开设有多个通孔，且沿所述柱形龙伯透镜主体层的径向由内至外，所述基板上的开孔率逐渐增大。
14.一种柱形龙伯透镜天线阵列，其特征在于，包括多个权利要求1～13中任一项所述的柱形龙伯透镜天线，多个所述柱形龙伯透镜天线沿所述柱形龙伯透镜天线中的柱形龙伯透镜主体层的中轴线延伸方向依次堆叠设置。
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