CN111585042A - 一种多波束介质透镜天线及制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多波束介质透镜天线及制造方法，涉及移动通信领域，多波束介质透镜天线包括底座、介质透镜、微带辐射单元阵列；介质透镜固定在底座表面的中部，微带辐射单元阵列环绕介质透镜分布；每个微带辐射单元通过安装部件固定在底座表面上，底座表面为金属；每个微带辐射单元的辐射方向朝向介质透镜设置。本申请多个辐射单元轮流工作、方向不同，实现水平360度波束扫描，同时降低能耗，减少成本的目的。

Description

一种多波束介质透镜天线及制造方法

技术领域

本申请涉及移动通信领域，尤其涉及一种多波束介质透镜天线及制造方法。

背景技术

透镜天线是一种能够通过电磁波，将点源或线源的球面波或柱面波转换为平面波从而获得笔形、扇形或其他形状波束的天线。通过合适设计透镜表面形状和折射率，调节电磁波的相速以获得辐射口径上的平面波前。

带有透镜的车载雷达工作在76～81G，其远距离、中距离、近距离搜索共有4个波束共用一个收发机，但车载雷达波束数量少、无法实现360度范围内高增益快速扫描。

5G系统多波束天线中，工作频率约为26～30G，每个波束的方向图用相控阵技术使波瓣水平方向横向电扫。现有的5G基站天线通过使用相控阵的方式控制微带辐射单元工作，功耗大、成本高。需要减小竖直方向的波束范围、提高波束增益，以提高设备工作效益。

发明内容

本申请提出一种多波束介质透镜天线及制造方法，解决现有技术波束扫描范围不佳、功耗大的问题。

本申请实施例采用下述技术方案：

一方面，本申请实施例提供一种多波束介质透镜天线，包括底座、介质透镜、微带辐射单元阵列；介质透镜固定在底座表面的中部，微带辐射单元阵列环绕介质透镜分布；微带辐射单元阵列通过安装部件固定在底座表面上，底座表面为金属；每个微带辐射单元的辐射方向朝向介质透镜设置。

优选地，所述介质透镜包含以下结构中的至少一种：圆柱结构、半球结构、圆柱和半球组合结构。

进一步的，介质透镜水平截面为圆形，高度为30～60cm、最大截面直径为30～60cm；介质透镜内部折射率分布为中部折射率高、表面部折射率低，呈渐变分布，折射率最大值小于1.6，折射率最小值大于等于1。

进一步的，呈圆柱结构的介质透镜包括柱心和套设在柱心上的若干层套叠层，每层套叠层均呈管体结构，每层套叠层与柱心处于同一轴心线上，柱心折射率高，各套叠层折射率逐渐降低，折射率最大值小于1.6，折射率最小值大于等于1。

进一步的，还包括微波电路，微波电路通过波束选择开关轮流接入各个微带辐射单元。

进一步的，辐射单元为微带贴片天线、微带缝隙天线或水平渐变槽任一种。

进一步的，辐射单元数量为9～60个，水平面扫描波束旁瓣水平-13～-15dB，竖直面最大辐射方向下倾角10～45度。

进一步的，辐射单元与介质透镜表面距离为2～10cm；辐射单元与底座的金属表面之间的距离为1～3cm。

进一步的，毫米波频段，极化方式为水平极化和或垂直极化，辐射增益15～18.5dBi。

另一方面，本申请实施例还提供一种多波束介质透镜天线的制造方法，包括以下步骤：

制作介质透镜，按照设定的内部折射率分布；

辐射振子环形安装，周向位置和水平方向满足波束数量和水平方向要求；

调整辐射振子和介质透镜表面的距离，使增益最大；

调整辐射振子和底座表面的距离，使方向下倾角满足波束要求。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本申请克服了现有技术水平方向扫描范围有限、竖直方向波束范围过大的缺陷。本申请的结构，实现垂直平面方向图主瓣方向下倾；在水平平面，多天线振子轮流辐射，方向不同，实现360度范围内水平方向图波瓣扫描，方向图覆盖范围大，同时达到了降低能耗，减少成本的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请的一种多波束介质透镜天线的系统结构实施例示意图；

图2为本申请的一种多波束介质透镜天线实施例的剖视结构示意图；

图3为本申请的一种多波束介质透镜天线实施例局部剖面结构示意图；

图4为本申请的一种多波束介质透镜天线实施例60振子扫描水平方向图；

图5为本申请的一种多波束介质透镜天线实施例每个振子的垂直方向图；

图6为本申请的一种多波束介质透镜天线的实施例的介质透镜剖视结构示意图；

图7为本申请的一种多波束介质透镜天线的多个天线水平辐射方向的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

实施例1

本发明实施例1提供的一种多波束介质透镜天线，请参图2和图3所示，包括底座4和与底座底部连接的介质外壳6，底座表面为金属，能够起到反射波的作用。

介质外壳6内设置有安装在底座4底部的微带辐射单元阵列21和介质透镜5，微带辐射单元阵列环绕所述介质透镜分布，优选地，所述微带辐射单元沿圆周方向均匀分布。

介质透镜是一种能通过电磁波而其折射率不等于1的三维结构。点源或线源发出的球面波或柱面波经过透镜可以变换成平面波，从而得到笔形或扇形波束。透镜的折射率可以是位置的函数，透镜的形状决定其口面场分布。透镜可以用折射率n大于1的自然介质制成，也可以是由金属栅网或金属片等组成的人工介质结构(n>1或n<1)。n＝c/v_φ(式中c为光速；v_φ为介质中的相速)。

本申请中的介质透镜包含以下结构中的至少一种：圆柱结构、半球结构、圆柱和半球组合结构；例如，实施例1采用介质透镜5为圆柱结构，本申请的圆柱结构，例如可以是包含圆柱形部的或类似圆柱形的，例如在圆柱形端部做圆滑处理的介质透镜体。

微带辐射单元阵列21通过安装部件3安装在底座4上，每个微带辐射单元阵列21上包含有辐射单元1；请参阅图7所示，每个辐射单元1的辐射方向朝向所述介质透镜设置，辐射单元背向介质透镜的一面为金属地。图1中包含辐射单元1～N，共N个辐射单元；经过介质透镜后，辐射方向分别为：θ₁，θ₂，…，θ_N。

介质圆柱透镜天线还包括微波电路2，微波电路通过波束选择开关将调制解调电路轮流接入各个微带辐射单元。

微波电路通过馈线结构7引出到所述天线外部，与通信业务处理系统电连接。

请参阅图1所示，微波电路包括波束选择开关22、微波放大电路23、调制解调电路24和微波源25。

波束选择开关的多路选择输出端②与辐射单元电连接。其中波束选择开关采用开关芯片(例如MWA COM公司的开关产品MA4AGSW或其组合)作为多波束扫描馈电网络的波束选择开关。它是利用PIN二极管来实现电路的导通和截止的。该芯片内部PIN二极管的低电容特性使其非常适合微波乃至毫米波段的馈电选择网络；PIN二极管的低阻抗特性又使其在微波、毫米波段的插入损耗非常小。

波束选择开关的总输入输出端①与微波放大电路电连接；调制解调电路与微波放大器电连接；微波源输出端与调制解调电路输入端电连接。

来自数据(DATA)接口的信号经过数模转换(DAC)后接入调制解调电路的调制端，调制输出后经过微波放大、波束选择开关、由任意一个辐射单元输出微波(毫米波)信号；由辐射单元接收的微波(毫米波)信号经过波束选择开关、微波放大进入调制解调器，经解调后输出、再经模数转换后(ADC)输出到数据接口；

在通过数据接口进行信号输入、输出的同时，按照设定时序控制所述波束选择开关，将调制解调电路分别接入各个微带辐射单元。在本申请的系统中，所述微带辐射单元既可实现信号发射、又可实现信号接收的功能。

通过上述结构实现多天线振子轮流辐射。由于各辐射单元的方向不同实现扫描。需要说明的是，当所述波束选择开关工作时，可以选择1个或多个辐射单元同时工作，例如，当辐射单元数量为60时，每当开关切换一次，相邻的5个辐射单元同时工作，以提高增益。

需要说明的是，为制成圆柱体的人工介质透镜，圆柱结构具有多层同心圆结构，包含n个等效介电常数不同的同心层，中心圆柱层为第1层，围绕中心圆柱层一次向外套叠排列第2至第n层，各同心层被装配成一个多层圆柱体。n个同心层的等效介电常数从第1层至第n层组件减少，例如，具体在2.05～1.05之间渐变。

各层材料的基材为介电常数在1～2之间的泡沫材料，优选为聚苯乙烯、聚氯乙烯或或聚乙烯；在每层材料表面分布有微扰材料。例如金属、石墨或陶瓷颗粒。微扰材料分布在各层表面，当第i层的基材和第j层的基材相同时，第i层的微扰材料分布密度≥第j层，i<j。

需要说明的是，本申请中各实施例介电常数的数值，均为相对介电常数值。

优选的，辐射单元为平面微带天线或水平渐变槽任一种，本实施例图2所示，采用平面微带天线；多个平面微带天线围绕所述介质透镜沿圆周方向排列。

本实施例还提供的一种多波束介质透镜天线的使用结构尺寸范围，尺寸范围包括：介质透镜水平截面为圆形，高度为30～60cm、最大截面直径为30～60cm；介质透镜内部折射率分布为中部折射率高、表面部折射率低，呈渐变分布，折射率最大值小于1.6，折射率最小值大于等于1。

辐射单元数量为9～60个，水平面扫描波束旁瓣水平-13～-15dB，竖直面最大辐射方向下倾角10～45度。

辐射单元与介质透镜表面距离为2～10cm；辐射单元与底座的金属表面之间的距离为1～3cm。

毫米波频段，极化方式为水平极化和或垂直极化，辐射增益15～18.5dBi。

最佳地，本实施例1所采用的结构尺寸：介质柱高度H＝40cm、介质柱直径D＝40cm、辐射单元与介质透镜表面距离6cm、辐射单元与底座之间的距离2cm。

辐射单元形式：平面微带天线。

辐射单元数量：60个。

工作波段：中心频率30G，极化方式：水平极化。

最佳配置：增益18.5dBi。

请参阅图4和图5所示，方向图：水平面：扫描波束旁瓣水平15dB；竖直面：下倾角28度。

实施例2

本发明实施例2提供的一种多波束介质透镜天线与实施例1基本相同，请参图2和图3所示，包括底座4和与底座4底部连接的介质外壳6，底座表面为金属。

介质外壳6内设置有安装在底座4底部的微带辐射单元阵列21和介质透镜5，微带辐射单元阵列环绕所述介质透镜分布。

介质透镜为以下结构中的至少一种：圆柱结构、半球结构、圆柱和半球组合结构。区别在于，本实施例2采用介质透镜5为半球体结构；透镜天线具有下列优点：旁瓣和后瓣小，因而方向图较好。介质透镜的作用是在水平方向(与透镜轴垂直的方向)形成锐形波束。

球形介质透镜折射率随半径变化的表达式：

式中：n为所述折射率，R表示介质球的半径大小，r表示球心到射线的径向间距，A、B为设定的系数。

每个辐射单元电连接有微波电路2，微波电路2通过馈线结构7与天线外部的系统电连接；微波电路2包括波束选择开关22、微波放大电路23、调制解调电路24和微波源25。微波电路通过波束选择开关轮流接入各个微带辐射单元。

本实施例提供的一种多波束介质透镜天线，使用结构尺寸范围包括：介质透镜水平截面为圆形，高度为30～60cm、直径为30～60cm；介质透镜内部折射率分布为中部折射率高、表面部折射率低，呈渐变分布，折射率最大值小于1.6，折射率最小值大于等于1；本实施例采用折射率最大值为1.41，折射率最小值为1.02。

辐射单元数量为9～60个，水平面扫描波束旁瓣水平-13～-15dB，竖直面最大辐射方向下倾角10～45度。

辐射单元与介质透镜表面距离为2～10cm；辐射单元与底座的金属表面之间的距离为1～3cm。

所述辐射单元为毫米波频段，极化方式为水平极化和或垂直极化，辐射增益15～18.5dBi。

最佳地，实施例2采用结构尺寸：介质柱高度H＝30cm、介质柱直径D＝30cm、辐射单元与介质透镜表面距离2cm、辐射单元与底座之间的距离1cm。

辐射单元形式：平面微带振子。

辐射单元数量：9个。

工作波段：中心频率80G，极化方式：水平极化。

最佳配置：增益18.5dBi。

方向图：水平面：扫描波束旁瓣水平15dB；竖直面：下倾角15度。

实施例3

如图2～3的结构，实施例3使用的微波电路，其中调制解调、微波放大电路与天线的每一个辐射单元之间使用电控移相器连接，通过波控器控制每一个辐射单元的辐射信号相位差实现波束扫描。由于介质透镜对波束的锐化作用，与不使用介质透镜相比功耗减少、辐射单元数量也可减少。但是，使用波束选择开关的方案(实施例1～2)与使用相控阵技术相比，功耗和成本进一步降低。

实施例4

请参阅图6所示，呈圆柱结构的介质透镜包括柱心51和套设在所述柱心上的若干层套叠层52，每层套叠层均呈管体结构，每层套叠层与所述柱心处于同一轴心线上，柱心折射率高，各套叠层折射率逐渐降低，折射率最大值小于1.6，折射率最小值大于等于1，例如实施例1中，折射率最大值选择1.43。

如图6所示，介质透镜固定在底座表面的中部，介质透镜还可以呈圆柱和半球组合结构，具体的圆柱体一端与底座连接，另一端连接半球的平面，微带辐射单元阵列环绕介质透镜分布。其中，半球体和圆柱体的直径相同，在连接面上，与轴心距离(半径r)相同的位置以相同的折射率衔接。

实施例5

本发明实施例5提供的一种多波束介质透镜天线的制造方法，包括以下步骤：

步骤101、制作介质透镜，按照设定的内部折射率(或等效介电常数)分布；

步骤102、微带辐射单元阵列环形安装，周向安装的位置和水平方向满足波束数量和水平方向要求；

步骤103、调整辐射振子和介质透镜表面的距离，使增益最大；

步骤104、调整辐射振子和底座表面的距离，使方向下倾角满足波束要求。

进一步地，还可以包含以上步骤103～104循环调整。

具体的，例如将介质透镜竖直安装在底座底部，介质透镜最外层折射率为1.1，最内层折射率为2.6，由外层向内层呈渐变分布，然后通过安装部件(安装部件可使用介质材料的安装架、螺栓、伸缩等根据需要选择)将微带辐射单元阵列围绕着介质透镜周围安装，形成一个环状，调整和设定微带辐射单元阵列(例如，微带辐射单元采用微带天线)的数量和微带振子的方向，如，辐射单元数量：60；工作波段：中心频率26～32G，极化方式：水平极化；最佳配置：增益18.5dBi；方向图：水平面：扫描波束旁瓣水平15dB；竖直面：下倾角45度；根据需要安装完以后，安装介质外壳6，将底座4底部的若干微带辐射单元阵列21和介质透镜5安装在介质外壳内。

需要说明的是，所述辐射单元，可以是平面微带结构(微带贴片天线或微带缝隙天线)，也可以是水平渐变槽结构，其中的平面微带结构可以构成微带天线或微带振子天线；所述每一个辐射单元可以分别通过安装部件固定在底座；也可以是多个辐射单元的结合再通过安装部件固定在底座。优选地，所述安装部件为介质材料。连接所述辐射单元的微带电路可以由硬质印刷电路板材制成，也可以由软质波导材料制成。

实施例6

本实施例6提供的一种多波束介质透镜天线的应用场景：如矿区矿山矿井里面的无人驾驶的车辆运输，无人驾驶的这个采矿车，或者是各种的这种无人驾驶设备，检测前方是否有障碍物。无人操纵机器人方面，作为扫描和探测搜索方式，实现大规模的传感器之间的通信。

因为多个辐射单元可以共用一个介质透镜天线，形成一个收敛的波束，在任意范围之内扫描，本申请装置还可用于无人机搜索：将所述多波束介质透镜天线安装于无人机下方；本申请装置还可用于室内移动通信基站：例如将所述多波束介质透镜天线安装于室内屋顶表面。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种多波束介质透镜天线，其特征在于，包括底座、介质透镜和微带辐射单元阵列；

所述介质透镜固定在底座表面的中部，所述微带辐射单元阵列环绕所述介质透镜分布；

所述微带辐射单元阵列通过安装部件固定在所述底座表面上，底座表面为金属；每个所述微带辐射单元的辐射方向朝向所述介质透镜设置。

2.根据权利要求1所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，所述介质透镜水平截面为圆形，高度为30～60cm、最大截面直径为30～60cm；所述介质透镜内部折射率分布为中部折射率高、表面部折射率低，呈渐变分布，折射率最大值小于1.6，折射率最小值大于等于1。

3.根据权利要求1所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，所述介质透镜包含以下结构中的至少一种：圆柱结构、半球结构、圆柱和半球组合结构。

4.根据权利要求3所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，呈圆柱结构的所述介质透镜包括柱心和套设在所述柱心上的若干层套叠层，每层所述套叠层与所述柱心处于同一轴心线上，柱心折射率高，各套叠层折射率逐渐降低，折射率最大值小于1.6，折射率最小值大于等于1。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，还包括微波电路，所述微波电路通过波束选择开关轮流接入各个微带辐射单元。

6.根据权利要求1～4任意一项所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，所述微带辐射单元为微带贴片天线、微带缝隙天线或水平渐变槽任一种。

7.根据权利要求1～4任意一项所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，所述微带辐射单元数量为9～60个，水平面扫描波束旁瓣水平-13～-15dB，竖直面最大辐射方向下倾角10～45度。

8.根据权利要求1～4任意一项所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，所述微带辐射单元与所述介质透镜表面距离为2～10cm；所述微带辐射单元与所述底座的金属表面之间的距离为1～3cm。

9.根据权利要求1～4任意一项所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，所述微带辐射单元为毫米波频段；极化方式为水平极化和或垂直极化，辐射增益为15～18.5dBi。

10.一种多波束介质透镜天线的制造方法，用于制造权利要求1～9任一项所述的多波束介质透镜天线，其特征在于，包括以下步骤：

制作介质透镜，按照设定的内部折射率分布；

辐射振子环形安装，周向位置和水平方向满足波束数量和水平方向要求；

调整辐射振子和介质透镜表面的距离，使增益最大；

调整辐射振子和底座表面的距离，使方向下倾角满足波束要求。

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