CN112582803A - 阵列透镜、透镜天线和电子设备 - Google Patents

阵列透镜、透镜天线和电子设备 Download PDF

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CN112582803A CN201910944492.2A CN201910944492A CN112582803A CN 112582803 A CN112582803 A CN 112582803A CN 201910944492 A CN201910944492 A CN 201910944492A CN 112582803 A CN112582803 A CN 112582803A
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Abstract

本申请涉及一种阵列透镜、透镜天线和电子设备，阵列透镜，包括：多层第一介质层；多层第一阵列结构，第一阵列结构与第一介质层沿第一方向交替层叠设置，每一层第一阵列结构包括一个或多个呈阵列设置的第一阵列单元，多层第一阵列结构中位于同一相对位置的多个第一阵列单元在第一方向上同轴设置；其中，位于同一相对位置的多个第一阵列单元及其对应的第一介质层共同构成一波导结构，至少两个波导结构在第一阵列单元的阵列方向上具有数量渐变的第一阵列单元，当电磁波沿第一方向入射时，电磁波沿波导结构边缘传播，阵列透镜能够汇聚电磁波；该阵列透镜的焦距短，尺寸小，利于透镜天线的小型化。

Description

阵列透镜、透镜天线和电子设备
技术领域
本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种阵列透镜、透镜天线和电子设备。
背景技术
透镜天线，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。一般的透镜天线通常需要较大的焦距、体积大而且笨重，不利于天线的小型化。
发明内容
本申请实施例提供一种阵列透镜、透镜天线和电子设备，可以缩短透镜天线的焦距，尺寸小，利于天线的小型化。
一种阵列透镜，包括：
多层第一介质层；
多层第一阵列结构，所述第一阵列结构与所述第一介质层沿第一方向交替层叠设置，每一层所述第一阵列结构包括一个或多个呈阵列设置的第一阵列单元，多层所述第一阵列结构中位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元在所述第一方向上同轴设置；
其中，位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元及其对应的第一介质层共同构成一波导结构，至少两个所述波导结构在所述第一阵列单元的阵列方向上具有数量渐变的所述第一阵列单元。
此外，还提供透镜天线包括：馈源阵列，与所述馈源阵列平行设置的上述的阵列透镜。
此外，还提供一种电子设备，包括上述的透镜天线。
上述阵列透镜、透镜天线和电子设备，包括多层第一介质层；多层第一阵列结构，所述第一阵列结构与所述第一介质层沿第一方向交替层叠设置，每一层所述第一阵列结构包括一个或多个呈阵列设置的第一阵列单元，多层所述第一阵列结构中位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元在所述第一方向上同轴设置；其中，位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元及其对应的第一介质层共同构成一波导结构，至少两个所述波导结构在所述第一阵列单元的阵列方向上具有数量渐变的所述第一阵列单元，当电磁波沿第一方向入射时，电磁波沿波导结构边缘传播，阵列透镜具有等效折射率渐规律能够汇聚电磁波并调节电磁波的相位延迟，该阵列天线的焦距短，尺寸小，利于小型化。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中电子设备的立体图；
图2为其中一个实施例中阵列透镜的侧视示意图；
图3a为其中一个实施例中第一阵列结构的示意图；
图3b为其中一个实施例中第一阵列结构的示意图；
图4a为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图4b为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图4c为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图5a为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图5b为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图5c为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图6a为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图6b为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图6c为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图7为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图8为其中一个实施例中阵列透镜的结构示意图；
图9为其中一个实施例中增加匹配层和未增加匹配层的透镜的透射系数和反射系数示意图；
图10a为其中一个实施例中透镜天线的侧视示意图；
图10b为图10a中透镜天线的后视示意图；
图10c为其中一个实施例中透镜天线中第一阵列结构为二维阵列的后视示意图；
图11为其中一个实施例中电子设备的框图；
图12为其中一个实施例中波束扫描方向图；
图13为一个实施例中包括透镜天线的电子设备的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
需要说明的是，当元件被称为“贴合于”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。
本申请一实施例的天线装置应用于电子设备，在其中一个实施例中，电子设备可以为包括手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(Mobile InternetDevice，MID)、可穿戴设备(例如智能手表、智能手环、计步器等)或其他可设置阵列天线装置的通信模块。
如图1所示，在本申请实施例中，电子设备10可包括壳体组件110、中板 120、显示屏组件130和控制器。显示屏组件130固定于壳体组件110上，与壳体组件110一起形成电子设备的外部结构。壳体组件110可以包括中框111和后盖113。中框111可以为具有通孔的框体结构。其中，中框111可以收容在显示屏组件与后盖113形成的收容空间中。后盖113用于形成电子设备的外部轮廓。后盖113可以一体成型。在后盖113的成型过程中，可以在后盖113上形成后置摄像头孔、指纹识别模组、天线装置安装孔等结构。其中，后盖113可以为非金属后盖113，例如，后盖113可以为塑胶后盖113、陶瓷后盖113、3D玻璃后盖113等。中板120固定在壳体组件内部，中板120可以为PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)或FPC(Flexible Printed Circuit，柔性电路板)。在该中板 120上可集成用于收发毫米波信号的天线模组，还可以集成能够控制电子设备的运行的控制器等。显示屏组件可用来显示画面或字体，并能够为用户提供操作界面。
如图2所示，本申请实施例提供一种阵列透镜。阵列透镜210包括多层第一阵列结构211和多层第一介质层212，所述第一介质层212与所述第一阵列结构211沿第一方向交替堆叠设置。也即，阵列透镜210沿第一方向的第一层至第M层依次可为第一介质层212、第一阵列结构211、第一介质层212、第一阵列结构211、…，依次类推，或阵列透镜210沿第一方向的第一层至第M层依次可为第一阵列结构211、第一介质层212、第一阵列结构211、第一介质层 212、…，依次类推。也即阵列透镜210的单数层为第一阵列结构211，阵列透镜210的双数层为第一介质层212，或阵列透镜210的单数层为第一介质层212，阵列透镜210的双数层为第一阵列结构211。需要说明的是，第一方向可以理解为该阵列透镜210的纵向方向(Z轴方向)，也可以理解为阵列透镜210的堆叠方向。
在本申请实施例中，阵列透镜210包括相背设置的顶层和底层。第一阵列结构211与第一介质层212的层数可以相等也可以不同。其中，顶层可以第一阵列结构211或第一介质层212，底层也可以为第一阵列结构211或第一介质层 212，在本申请实施例中，对阵列透镜210顶层和底层的具体层状结构不做进一步的限定。
其中，第一介质层212是能用于支撑固定第一阵列结构211的非金属功能层，通过第一介质层212与第一阵列结构211的交替叠层，可以实现多层第一阵列结构211的间隔分布。可选地，当多层第一介质层212在第一方向上的厚度相等时，多层第一阵列结构211等间距分布。
在其中一个实施例中，第一介质层212的材料为电绝缘性材料，不会对电磁波的电场产生干扰。例如，第一介质层212的材质可以为PET(Polyethylene terephthalate)材质，ARM合成材质，其一般是硅胶、PET和其他的经过特殊处理的材质合成等。可选地，每层第一介质层212相同，例如，厚度、材质等。
其中，第一阵列结构211是能用于传输电磁波的导电功能层，多层第一阵列结构211和多层第一介质层构成了具有折射率渐变规律的阵列透镜210，可以将入射的电磁波平行出射，或者将平行入射的电磁波汇聚到焦点处。
如图3a-3b所示，第一阵列结构211所在平面为X轴、Y轴所构成的平面，其中，X轴方向为第二方向，Y轴为第三方向。每一层所述第一阵列结构211 包括一个或多个呈阵列设置的第一阵列单元211a。
在其中一个实施例中，每一层所述第一阵列结构211包括的多个第一阵列单元211a可呈一维阵列，也可为二维阵列。例如，当某一层第一阵列结构211 的多个第一阵列单元211a呈一维阵列时，则其他层的多个第一阵列单元211a 也呈一维阵列，且阵列排布方式相同。当某一层第一阵列结构211的多个第一阵列单元211a可呈二维阵列时，则其他层的多个第一阵列单元211a也呈二维阵列，且阵列排布方式相同。
具体的，第一阵列结构211包括多个彼此独立且形状相同的第一阵列单元 211a。也即，阵列透镜210中每个第一阵列单元211a的形状、厚度、材质等均相同。在该阵列透镜210中，至少两层第一阵列结构211中第一阵列单元211a 的数量不相同，举例说明，参考图2，靠近底层的3层中第一阵列单元211a的数量不同，且靠近顶层的5层中第一阵列单元211a的数量不同。
在其中一个实施例中，该第一阵列单元211a的材料可以为导电材料，例如金属材料、合金材料、导电硅胶材料、石墨材料等，该第一阵列单元211a的材料还可以为具有高介电常数的材料，例如具有高介电常数的玻璃、塑料、陶瓷等。
多层所述第一阵列结构211中位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元 211a在所述第一方向上同轴设置。也即，多层所述第一阵列结构211中位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元211a均位于同一轴线L上。
其中，位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元211a及其对应的第一介质层212共同构成一波导结构P。波导结构P可以理解为人工表面等离激元波导结构P。
在本申请中，多层所述第一阵列结构211中位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元211a可以理解为多层所述第一阵列结构211中位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元211a在第一方向上的投影存在重叠。
在本申请中，每层所述第一阵列结构211所在平面可构建相同的直角坐标系，其该直角坐标系的原点可均在第一阵列结构211的阵列中心、阵列边缘或其他任意点。在该直角坐标系中每个第一阵列单元所在位置可以用坐标(x,y) 进行表示。多层所述第一阵列结构211中位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元211a的坐标均相同。也即，坐标相同则为同一相对位置。
在本申请中，针对每层所述第一阵列结构211中的多个第一阵列单元211a 按照相同的规则设置阵列序号，其多个第一阵列单元211a按照阵列序号进行排序。其中，设置阵列序号时以具有最多第一阵列单元211a的第一阵列结构211 为依据，例如，第一层第一阵列结构211包括一个第一阵列单元211a，第二层第一阵列结构211包括三个第一阵列单元211a，在第一层第一阵列结构211的一个居中设置的情况下，其排序序号为2。也即，多层所述第一阵列结构211中位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元211a的阵列序号相同。
进一步的，轴线L的数量与具有最多的第一阵列单元211a的数量相等，且每条轴线L均穿过该第一阵列单元211a的形心。例如，在该透镜中，多层第一阵列结构中第一阵列单元的数量最多为1*M，则该轴线L的数量也为1*M；若第一阵列单元的数量最多为N*M，则该轴线L的数量也为N*M。形心可以理解为该第一阵列单元211a几何形状的中心，若第一阵列单元211a的几何形状为矩形，则该形心为该矩形对角线的交点，若第一阵列单元211a的几何形状为圆形，则个形心为该圆形的圆心。
在本申请实施例中，波导结构P的数量与第一阵列结构211中第一阵列单元211a的最大数量相等。也即，整个阵列透镜210由多个波导结构P构成，当第一阵列结构211中的多个第一阵列单元211a呈一维阵列时，则该透镜中构成的波导结构P也呈一维阵列；当第一阵列结构211中的多个第一阵列单元211a 呈二维阵列时，则该透镜中构成的波导结构P也呈二维阵列。
在本申请实施例中，至少两个所述波导结构P在所述第一阵列单元211a的阵列方向上具有数量渐变的所述第一阵列单元211a。例如，至少两个所述波导结构P中第一阵列单元211a的数量可由阵列中心向阵列边缘对称递减等。
当电磁波延第一方向入射到阵列透镜210时，每个波导结构P可产生人工表面等离激元，使得电磁波可延波导结构P边缘继续传播，且传播常数比自由空间大，即实现大于1的均匀的等效折射率。由于相邻波导结构P之间的相互作用，可实现大于1等效折射率，且不受该第一介质层212的介电常数的影响 (即使第一介质层212的介电常数较小，也可实现很大的介电常数)，这样可以有效减小焦距使得阵列透镜210焦距更短，从而减小透镜天线整体的纵向尺寸，利于透镜天线的小型化。
上述透镜天线可实现对5G毫米波的收发，毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波，其频率大约在20GHz～300GHz之间。3GP已指定5G NR支持的频段列表，5G NR频谱范围可达100GHz，指定了两大频率范围：Frequency range 1 (FR1)，即6GHz以下频段和Frequencyrange 2(FR2)，即毫米波频段。Frequency range 1的频率范围：450MHz-6.0GHz，其中，最大信道带宽100MHz。Frequency range 2的频率范围为24.25GHz-52.6GHz，最大信道带宽400MHz。用于5G移动宽带的近11GHz频谱包括：3.85GHz许可频谱，例如：28GHz(24.25-29.5GHz)、 37GHz(37.0-38.6GHz)、39GHz(38.6-40GHz)和14GHz未许可频谱 (57-71GHz)。5G通信系统的工作频段有28GHz，39GHz，60GHz三个频段。
在其中一个实施例中，参考图4a-4c，每一层所述第一阵列结构211中的至少一个所述第一阵列单元211a沿第二方向呈一维阵列设置，且在至少两个所述波导结构P上的所述第一阵列单元211a的数量由所述一维阵列的阵列中心向阵列边缘对称减小。需要说明的是，第一阵列单元211a关于一维阵列的阵列中心对称设置。
具体的，呈一维阵列设置的第一阵列结构211中每个所述第一阵列单元211a 的几何形状相同且彼此独立设置，且相邻两个所述第一阵列单元211a的中心距离p相等，其中，中心距离p可以理解为两个相邻第一阵列单元211a的形心之间的距离。例如，第一阵列单元211a均为矩形导电片或均为椭圆导电片。
在其中一个实施例中，参考图4a，多个所述波导结构P中所述第一阵列单元211a的数量沿所述中间层的阵列边缘向所述底层的阵列中心逐层对称递减。例如，该透镜包括8层第一介质层和9层第一阵列结构(M1-M9)。第一阵列结构(M1)包括1个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M2)包括3个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M3)包括5个第一阵列单元211a；第一阵列结构 (M4-M9)包括3个第一阵列单元211a。
需要说明的是，所述中间层为具有最多所述第一阵列单元211a的第一阵列结构211。阵列边缘可以理解为该第一阵列结构中最外侧边缘的第一阵列单元 211a所在的位置，阵列中心可以理解为该第一阵列结构的中心位置O。
在其中一个实施例中，参考图4b，多个所述波导结构P中所述第一阵列单元211a的数量沿所述中间层的阵列边缘向所述底层的阵列中心逐层对称递减。例如，该透镜包括8层第一介质层和9层第一阵列结构(M1-M9)。例如，第一阵列结构(M1-M6)包括7个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M7)包括5 个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M8)包括3个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M9)包括1个第一阵列单元211a。
在其中一个实施例中，如图4c所示，多个所述波导结构P中所述第一阵列单元211a的数量沿所述中间层的阵列边缘同时向顶层和底层的阵列中心逐层对称递减。例如，该透镜包括8层第一介质层和9层第一阵列结构(M1-M9)。第一阵列结构(M4-M6)包括7个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M3、M7) 包括5个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M2、M8)包括3个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M1、M9)包括1个第一阵列单元211a。
当第一阵列结构211中的多个第一阵列单元211a沿第二方向呈一维线性阵列时，通过调整位于同一轴线上第一阵列单元的数量，即可在保持等效介电常数不变的情况下，实现不同的相位延迟，设计出满足要求的相位延迟分布，实现对电磁波波束的汇聚作用。当第一阵列结构211中的多个第一阵列单元211a 沿第二方向呈一维阵列时，该由该阵列透镜形成的透镜天线为均匀折射率单极化，其中，单极化的极化方向为X轴方向。
在其中一个实施例中，每一层所述第一阵列结构211中的多个所述第一阵列单元211a呈二维阵列设置。二维阵列中的多个所述第一阵列单元211a成行成列设置。举例说明，所述第一阵列结构211中的具有最多数量的多个所述第一阵列单元211a呈二维阵列，例如，可呈N*M(3*7)的二维阵列，即包括N行 M列(3行7列)第一阵列单元211a。也即，该透镜中的多个波导结构也呈N*M (3*7)的二维阵列。
参考图5a-5c，在多个所述波导结构P上的所述第一阵列单元211a的数量由所述二维阵列的阵列中心线向阵列边缘对称减小，多个所述第一阵列单元关于所述阵列中心线对称设置。其中，二维阵列的阵列中心线可包括第一中心线和第二中心线，所述第一中心线s1与所述二维阵列的列方向相同，第二中心线s1与所述二维阵列的行方向相同。
在其中一个实施例中，每行所述波导结构P中的所述第一阵列单元211a的数量由第一中心线s1向阵列边缘对称减小(第一行至第七行中第一阵列单元的数量可分别记为6、7、8、9、8、7、6)，每列所述波导结构P中的所述第一阵列单元211a的数量相等，均为7个。其中，所述第一中心线s1与所述二维阵列的列方向相同，且多个所述第一阵列单元211a关于所述第一中心线s1对称设置。
在其中一个实施例中，每个所述第一阵列单元211a的几何形状相同且彼此独立设置。第一阵列单元211a可为矩形导电片或椭圆导电片。每行相邻两个第一阵列单元211a的第一中心距离p1相等，每列相邻两个第一阵列单元211a的第二中心距离p2相等。其中，中心距离为相邻两个第一阵列单元211a的形心的距离。
在其中一个实施例中，第一中心距离p1与第二中心距离p2相等。
在其中一个实施例中，第一中心距离p1与第二中心距离p2不相等。
在其中一个实施例中，多个波导结构P中第一阵列单元211a的数量沿所述透镜中间层的阵列边缘向所述透镜底层的阵列中心逐层对称递减。如图5a所示，例如，该透镜包括8层第一介质层和9层第一阵列结构(M1-M9)。第一阵列结构(M1)包括3*1个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M2)包括3*3个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M3)包括3*5个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M4-M9)包括3*7个第一阵列单元211a。也即，第一阵列结构(M3) 相对于第一阵列结构(M4-M9)在列方向的左右两侧各减少一列，类似的，第一阵列结构(M2)相对于第一阵列结构(M1)在列方向的左右两侧各减少一列。也即每行所述波导结构P中的所述第一阵列单元211a的数量由第一中心线向阵列边缘对称减小，每列所述波导结构P中的所述第一阵列单元211a的数量相等。
在其中一个实施例中，多个波导结构P中第一阵列单元211a的数量沿所述透镜中间层的阵列边缘向所述透镜顶层的阵列中心逐层对称递减。如图5b所示，例如，该透镜包括8层第一介质层和9层第一阵列结构(M1-M9)。第一阵列结构(M1-M6)包括3*7个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M7)包括3*5个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M8)包括3*3个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M9)包括3*1个第一阵列单元211a。也即，第一阵列结构(M3) 相对于第一阵列结构(M1-M6)在列方向的左右两侧各减少一列，类似的，第一阵列结构(M8)相对于第一阵列结构(M9)在列方向的左右两侧各减少一列。
在其中一个实施例中，多个波导结构P中第一阵列单元211a的数量沿所述中间层的阵列边缘向所述顶层、底层的阵列中心逐层同时对称递减。如图5c所示，例如，该透镜包括8层第一介质层和9层第一阵列结构(M1-M9)。第一阵列结构(M4-M6)包括3*7个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M3、M7) 包括3*5个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M2、M8)包括3*3个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M1、M9)包括3*1个第一阵列单元211a。也即，第一阵列结构(M3)相对于第一阵列结构(M4-M6)在列方向的左右两侧各减少一列，类似的，第一阵列结构(M8)相对于第一阵列结构(M9)在列方向的左右两侧各减少一列。
上述实施例中，第一阵列结构中的多个第一阵列单元211a呈二维阵列，每行所述波导结构P中的所述第一阵列单元211a的数量由第一中心线向阵列边缘对称减小，每列所述波导结构P中的所述第一阵列单元211a的数量相等，即可在保持等效介电常数不变的情况下，实现不同的相位延迟，设计出满足要求的相位延迟分布，在第二方向(X轴)实现对电磁波波束的汇聚作用。同时，该透镜天线为双极化均匀折射率天线，其中，双极化的极化方向为X轴方向和Y 轴方向。
在其中一个实施例中，所述第一阵列结构211中多个所述第一阵列单元211a 呈二维阵列。例如，第一阵列结构211中的具有最多数量的多个所述第一阵列单元211a可呈N*M(6*7)的二维阵列，即包括N行M列(6行7列)第一阵列单元211a。也即，该透镜中的多个波导结构也呈N*M(6*7)的二维阵列。
每行所述波导结构中的所述第一阵列单元211a的数量由第一中心线s1向阵列边缘对称减小，每列所述波导结构中的所述第一阵列单元211a的数量由第二中心线s2向阵列边缘对称减小。其中，所述第一中心线s1与所述二维阵列的列方向相同，且多个所述波导结构关于所述第一中心线s1对称设置，所述第二中心线s2与所述二维阵列的行方向相同，且多个所述第一阵列单元211a关于所述第一中心线s1对称设置，多个所述第一阵列单元211a关于所述第二中心线s2 对称设置。
在其中一个实施例中，每个所述第一阵列单元211a的几何形状相同且彼此独立设置。第一阵列单元211a可为矩形导电片或椭圆导电片。每行相邻两个第一阵列单元211a的第一中心距离p1相等，每列相邻两个第一阵列单元211a的第二中心距离p2相等。其中，中心距离为相邻两个第一阵列单元211a的形心的距离。
在其中一个实施例中，第一中心距离p1与第二中心距离p2相等。
在其中一个实施例中，第一中心距离p1与第二中心距离p2不相等。
在其中一个实施例中，多个所述波导结构P中所述第一阵列单元211a的数量沿所述中间层的阵列边缘向所述底层的阵列中心逐层对称递减。参考图6a，例如，该阵列透镜210包括8层第一介质层和9层第一阵列结构(M1-M9)。其中，第一阵列结构(M1)包括2*1个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M2) 包括2*3个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M3)包括3*5个第一阵列单元 211a；第一阵列结构(M4-M9)包括6*7个第一阵列单元211a。也即，第一阵列结构(M3)相对于第一阵列结构(M4-M9)在列方向、行方向的左右两侧各减少一列，类似的，第一阵列结构(M2)相对于第一阵列结构(M1)在列方向的左右两侧各减少一列，在行方向不变化。
在其中一个实施例中，多个所述波导结构P中所述第一阵列单元211a的数量沿所述中间层的阵列边缘向所述顶层的阵列中心逐层对称递减。参考图6b，例如，该透镜包括8层第一介质层和9层第一阵列结构(M1-M9)。第一阵列结构(M1-M6)包括6*7个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M7)包括3*5个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M8)包括2*3个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M9)包括2*1个第一阵列单元211a。也即，第一阵列结构(M7)相对于第一阵列结构(M1-M6)在列方向、行方向的左右两侧各减少一列，类似的，第一阵列结构(M8)相对于第一阵列结构(M9)在列方向的左右两侧各减少一列，在行方向不变化。
在其中一个实施例中，多个所述波导结构P中所述第一阵列单元211a的数量沿所述中间层的阵列边缘同时向所述顶层、底层的阵列中心逐层对称递减。参考图6c，例如，该透镜包括8层第一介质层和9层第一阵列结构(M1-M9)。第一阵列结构(M4-M6)包括6*7个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M3、 M7)包括3*5个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M2、M8)包括2*3个第一阵列单元211a；第一阵列结构(M1、M9)包括2*1个第一阵列单元211a。也即，第一阵列结构(M7)相对于第一阵列结构(M4-M6)在列方向、行方向的左右两侧各减少一列，类似的，第一阵列结构(M8)相对于第一阵列结构(M9) 在列方向的左右两侧各减少一列，在行方向不变化。
上述实施例中，第一阵列结构中的多个第一阵列单元211a呈二维阵列，每行所述波导结构中的所述第一阵列单元的数量由第一中心线向阵列边缘对称减小，每列所述波导结构中的所述第一阵列单元的数量由第二中心线向阵列边缘对称减小，即可在保持等效介电常数不变的情况下，实现不同的相位延迟，设计出满足要求的相位延迟分布，在第二方向(X轴)和第三方向(Y轴)实现对电磁波波束的汇聚作用。同时，该透镜天线为双极化均匀折射率天线，其中，双极化的极化方向为X轴和Y轴。
如图7所示，在其中一个实施例中，所述阵列透镜还包括匹配层230，当多个所述波导结构P中所述第一阵列单元211a的数量沿所述中间层的阵列边缘向所述顶层对称递减时，所述匹配层230贴合于所述透镜顶层。
可选的，当多个所述波导结构P中所述第一阵列单元211a的数量沿所述中间层的阵列边缘向所述底层对称递减时，所述匹配层230贴合于所述透镜底层。
在其中一个实施例中，匹配层230包括至少一第二阵列结构231和至少一第二介质层232，第二介质层232与第二阵列结构231沿所述第一方向交替堆叠设置。
当多个所述波导结构P中所述第一阵列单元211a的数量沿所述透镜中间层的阵列边缘向所述透镜顶层对称递减，且该阵列透镜210的顶层为第一介质层 212时，则该匹配层230的一个第二阵列结构231贴合于该阵列透镜210顶层的第一介质层212；当阵列透镜210的顶层为第一阵列结构211时，则该匹配层 230的一个第二介质层232贴合于该阵列透镜210顶层的第一阵列结构211。
例如，若该阵列透镜210的顶层为第一阵列结构211，其匹配层230可包括两层第二介质层232和两层第二阵列结构231。其中，阵列透镜210和匹配层 230沿第一方向的堆叠方式为：第一阵列结构211、第二介质层232、第二阵列结构231、第二介质层232、第二阵列结构231。
第二阵列结构231包括多个呈阵列设置的匹配单元231a。位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元211a与位于同一相对位置的至少一所述匹配单元 231a在所述第一方向上同轴设置。
所述匹配单元231a的数量及阵列方式与所述第一阵列结构211中的多个第一阵列单元211a相同且所述匹配单元231a与所述第一阵列单元211a的几何形状相似。若第一阵列单元211a为1*M的一维线性阵列，则该匹配单元231a也为1*M的线性阵列；若第一阵列单元211a为N*M的一维线性阵列，则该匹配单元231a也为N*M的线性阵列。
当阵列透镜包括匹配层230时，所构成的波导结构P还包括位于同轴设置 (同一轴线L)的至少一所述匹配单元231a。同轴设置的至少一个所述匹配单元231a和多个所述第一阵列单元211a在阵列方向上的尺寸在所述第一方向上具有渐变规律。
其中，当多个匹配单元231a呈一维阵列时，其阵列方向可以为一维阵列的延伸方向。当多个匹配单元231a呈二维阵列时，其阵列方向可包括行方向和列方向。
举例说明，第一阵列结构和第二阵列结构均为一维阵列，且第一阵列单元 211a与匹配单元231a均为矩形。匹配层230包括两个第二阵列结构231，对应的，同一波导结构P中包括两个匹配单元231a，分别记为第一匹配单元231a和第二匹配单元231a’。其中，同一波导结构P中的第一阵列单元211a、第一匹配单元231a和第二匹配单元231a’的在阵列方向的尺寸(也即，第一尺寸w)在第一方向上逐渐减小，同一波导结构P中的第一阵列单元211a、第一匹配单元 231a和第二匹配单元231a’的第二尺寸l不变。第一尺寸w可以理解为该矩形的宽度，第二尺寸l可以理解为该矩形的长度。也即，第一匹配单元231a的第一尺寸w1和第二匹配单元231a’的第一尺寸w2相对于第一阵列单元211a的第一尺寸w逐渐减小，即w>w1>w2。
在其中一个实施例中，当第一阵列结构211为二维阵列时，同轴设置的至少一个所述匹配单元231a和多个所述第一阵列单元211a在行方向的尺寸由波导结构P的中心向两端减小。
在其中一个实施例中，当第一阵列结构211为二维阵列时，同轴设置的至少一个所述匹配单元231a和多个所述第一阵列单元211a在行方向和列方向的尺寸均由波导结构P的中心向两端减小。
本实施例中，通过设置匹配层230，可以阵列透镜210与自由空间之间阻抗失配的情况，可以有效减小失配导致的反射，从而提高透镜天线效率。
在其中一个实施例中，如图8所示，当多个所述波导结构P中所述第一阵列单元211a的数量沿所述中间层的阵列边缘同时向所述顶层和底层对称递减时，所述第一阵列结构211还包括多个第二阵列单元211b，所述第二阵列单元 211b设置在最外侧所述第一阵列单元211a的周围边缘。其中，所述波导结构P 还包括同轴设置的至少一所述第二阵列单元211b。同轴设置的至少一个所述第二阵列单元211b和多个所述第一阵列单元211a在阵列方向上的尺寸在所述第一方向上具有渐变规律。
举例说明，第一阵列结构211为一维阵列，且第一阵列单元211a与第二阵列单元211b均为矩形。同一波导结构P中的第一阵列单元211a、第二阵列单元 211b、第二阵列单元211b’的在阵列方向上的尺寸(第一尺寸w)逐渐减小，同一波导结构P中的第一阵列单元211a、第二阵列单元211b、第二阵列单元211b’的第二尺寸l不变。第一尺寸w可以理解为该矩形的宽度，第二尺寸l可以理解为该矩形的长度。也即，第二阵列单元211b的第一尺寸w1、第二阵列单元211b’的第一尺寸w2相对于第一阵列单元211a的第一尺寸w逐渐减小，即w>w1>w2。
在其中一个实施例中，当第一阵列结构211为二维阵列时，同轴设置的至少一个所述第二阵列单元211b和多个所述第一阵列单元211a在行方向的尺寸由波导结构P的中心向两端减小。
在其中一个实施例中，当第一阵列结构211为二维阵列时，同轴设置的至少一个所述第二阵列单元211b和多个所述第一阵列单元211a在行方向和列方向的尺寸均由波导结构P的中心向两端减小。
本实施例中，通过多个第二阵列单元211b，可以阵列透镜210与自由空间之间阻抗失配的情况，可以有效减小失配导致的反射，从而提高透镜天线效率。如图9所示，增加匹配层(matched)和未增加匹配层(unmatched)的透镜的透射系数(S21)和反射系数(S11)示意图。从图中可以看出，可见加入匹配层 230后阵列透镜210的投射系数和反射系数显著改善。
需要说明的是，尺寸减小可以为梯度逐渐减小或随机减小，例如，梯度逐渐减小可以理解为按等比数列、等差数列的梯度或根据特定规律进行减小。
本申请实施例还提供一种透镜天线。如图10a所示，透镜天线包括：上述实施例中任一阵列透镜210，与所述阵列透镜210平行设置的馈源阵列220。
在其中一个实施例中，馈源阵列220包括多个馈源单元221，当对馈源阵列 220中不同馈源单元221进行馈电时，电磁波可沿所述第一方向入射至阵列透镜 210，该透镜天线将辐射不同指向的高增益波束，即可获取不同的波束指向，从而实现波束扫描。
进一步的，该馈源阵列220可为中心对称式结构，馈源阵列220的中心可放置在阵列透镜210的焦点处。
如图10b-10c所示，在其中一个实施例中，所述透镜天线还包括平行设置的第一隔离板241和第一隔离板242，所述馈源阵列220和所述阵列透镜210设置在所述第一隔离板241和第二隔离板242之间，用于减少所述馈源阵列220辐射所述电磁波的泄露。
进一步的，所述第一介质层212的第一端面贴合于所述第一隔离板241，所述第一介质层212的第二端面贴合于所述第二隔离板242。
在其中一个实施例中，第一隔离板241和第二隔离板242均可以为金属平板。
在本实施例中，将阵列透镜210和馈源阵列220置于第一隔离板241和第二隔离板242之间，可以减少馈源辐射电磁波的泄露，从而提高天线效率，同时提高天线的结构强度。
在本申请提供的透镜天线，包括阵列透镜210及馈源阵列220，阵列透镜 210中至少两个所述波导结构在所述第一阵列单元211的阵列方向上具有数量渐变的所述第一阵列单元211a，可以缩短透镜天线的焦距，尺寸小、成本低；通过馈源阵列的设置可以实现多波束出射和波束扫描。
本申请实施例还提供一种电子设备，包括上述任其中一个实施例中的透镜天线。具有上述任一实施例的透镜天线的电子设备，可以适用于5G通信毫米波信号的收发，同时，该透镜天线的焦距短，尺寸小，易于集成于电子设备中，同时可以缩小透镜天线在电子设备内的占用空间。
该电子设备可以为包括手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(Mobile Internet Device，MID)、可穿戴设备(例如智能手表、智能手环、计步器等)或其他可设置天线的通信模块。
在其中一个实施例中，如图11所示，电子设备还包括检测模块1110、开关模块1120和控制模块1130。其中，控制模块1130分别与所述检测模块1110、所述开关模块1120连接。
在其中一个实施例中，检测模块1110可获取每个所述馈源单元221处于工作状态时所述透镜天线辐射电磁波的波束信号强度。检测模块1110还可用于检测获取每个所述馈源单元221处于工作状态时所述透镜天线的接收电磁波的功率、电磁波吸收比值或比吸收率(Specific Absorption Rate，SAR)等参数。
在其中一个实施例中，开关模块1120与所述馈源阵列220连接，用于选择导通与任一所述馈源单元221的连接通路。在其中一个实施例中，开关模块1120 可包括输入端和多个输出端，其中，输入端与控制模块1130连接，多个输出端分别与多个馈源单元221一一对应连接。开关模块1120可以用于接收控制模块 1130发出的切换指令，以控制开关模块1120中各开关自身的导通与断开，控制该开关模块1120与任意一个天馈源单元221的导通连接，以使任意一个天馈源单元221处于工作(导通)状态。
在其中一个实施例中，控制模块1130可以按照预设策略控制开关模块1120 分别使每一个馈电单元分别处于工作状态，进行电磁波的收发，即可获取不同的波束指向，从而实现波束扫描。当任一馈源单元221处于工作状态时，检测模块1110可以对应获取当前透镜天线辐射电磁波的波束信号强度。参考图12，以5单元馈源阵列为例，仿真得到波束扫描方向图。例如，当馈源阵列220中包括五个馈源单元221时，则检测模块1110可以对应获取五个波束信号强度，并从中筛选出最强的波束信号强度，并将该最强的波束信号强度对应的馈源单元221作为目标馈源单元221。控制模块1130发出的切换指令以控制该开关模块1120与目标馈源单元221的导通连接，以使目标馈源单元221处于工作(导通)状态。
本实施例中的电子设备，可以通过切换开关以使馈源阵列220的各馈源单元221单独处于工作状态，即可可获取不同的波束指向，从而实现波束扫描，而不需要移向器和衰减器，大大降低了成本。
如图13所示，在其中一个实施例中，电子设备10包括多个透镜天线20，多个透镜天线20分布于电子设备中框的不同侧边。比如，电子设备包括多个透镜天线，中框包括相背设置的第一侧边101、第三侧边103，以及相背设置的第二侧边102和第四侧边104，第二侧边102连接第一侧边101、第三侧边103的一端，第四侧边104连接第一侧边101、第三侧边103的另一端。所述第一侧边、所述第二侧边、所述第三侧边和所述第四侧边中的至少两个分别设有毫米波模组。
在其中一个实施例中，将两个透镜天线分别设置在手机两个长边，即可覆盖手机两侧的空间，实现5G手机毫米波高效率、高增益、低成本波束扫描。
在其中一个实施例中，当透镜天线的数量为4个时，4个透镜天线分别位于第一侧边101、第二侧边102、第三侧边103和第四侧边104。用户手持电子设备10时，会存在透镜天线被遮挡而造成信号差的情况，多个透镜天线设置在不同的侧边，用户横握或竖握电子设备10时，均存在不被遮挡的透镜天线，使得电子设备10可以正常发射和接收信号。
本申请所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用可包括非易失性和/或易失性存储器。合适的非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM) 或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)，它用作外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDR SDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态 RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)。
以上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申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (17)

1.一种阵列透镜，其特征在于，包括：
多层第一介质层；
多层第一阵列结构，所述第一阵列结构与所述第一介质层沿第一方向交替层叠设置，每一层所述第一阵列结构包括多个呈阵列设置的第一阵列单元，多层所述第一阵列结构中位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元在所述第一方向上同轴设置；
其中，位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元及其对应的第一介质层共同构成一波导结构，至少两个所述波导结构在所述第一阵列单元的阵列方向上具有数量渐变的所述第一阵列单元。
2.根据权利要求1所述的阵列透镜，其特征在于，每一层所述第一阵列结构中的多个所述第一阵列单元呈一维阵列设置，且在至少两个所述波导结构上的所述第一阵列单元的数量由所述一维阵列的阵列中心向阵列边缘对称减小。
3.根据权利要求2所述的阵列透镜，其特征在于，每个所述第一阵列单元的几何形状相同且彼此独立设置，且相邻两个所述第一阵列单元的中心距离相等。
4.根据权利要求1所述的阵列透镜，其特征在于，每一层所述第一阵列结构中的多个所述第一阵列单元呈二维阵列设置；且在至少两个所述波导结构上的所述第一阵列单元的数量由所述二维阵列的阵列中心线向阵列边缘对称减小，多个所述第一阵列单元关于所述阵列中心线对称设置。
5.根据权利要求4所述的阵列透镜，其特征在于，每行所述波导结构中的所述第一阵列单元的数量由第一中心线向阵列边缘对称减小，每列所述波导结构中的所述第一阵列单元的数量相等，其中，所述第一中心线与所述二维阵列的列方向相同。
6.根据权利要求4所述的阵列透镜，其特征在于，每行所述波导结构中的所述第一阵列单元的数量由第一中心线向阵列边缘对称减小，每列所述波导结构中的所述第一阵列单元的数量由第二中心线向阵列边缘对称减小，其中，所述第一中心线与所述二维阵列的列方向相同，所述第二中心线与所述二维阵列的行方向相同。
7.根据权利要求4所述的阵列透镜，其特征在于，每个所述第一阵列单元的几何形状相同且彼此独立设置，且每行相邻两个所述第一阵列单元的第一中心距离相等，每列相邻两个所述第一阵列单元的第二中心距离相等。
8.根据权利要求1-7任一项所述的阵列透镜，其特征在于，所述阵列透镜包括相背设置的顶层和底层，至少两个所述波导结构中所述第一阵列单元的数量沿所述阵列透镜中间层的阵列边缘向所述顶层或/底层的阵列中心逐层对称递减；其中，所述中间层为具有最多所述第一阵列单元的第一阵列结构。
9.根据权利要求8所述的阵列透镜，其特征在于，所述阵列透镜还包括匹配层，当至少两个所述波导结构中所述第一阵列单元的数量沿所述透镜中间层的阵列边缘向所述透镜顶层对称递减时，所述匹配层贴合于所述顶层；或，
当至少两个所述波导结构中所述第一阵列单元的数量沿所述透镜中间层的阵列边缘向所述透镜底层对称递减时，所述匹配层贴合于所述底层；
其中，所述匹配层包括：
至少一第二介质层；
至少一第二阵列结构，所述第二介质层与所述第二阵列结构沿所述第一方向交替堆叠设置，其中，所述第二阵列结构包括多个呈阵列设置的匹配单元，位于同一相对位置的多个所述第一阵列单元与位于同一相对位置的至少一所述匹配单元在所述第一方向上同轴设置，同轴设置的至少一个所述匹配单元和多个所述第一阵列单元在阵列方向上的尺寸在所述第一方向上具有渐变规律。
10.根据权利要求8所述的阵列透镜，其特征在于，当多个所述波导结构中所述第一阵列单元的数量沿所述中间层的阵列边缘同时向所述顶层和底层对称递减时，所述第一阵列结构还包括多个第二阵列单元，所述第二阵列单元设置在最外侧的所述第一阵列单元的周围边缘；
其中，所述波导结构还包括同轴设置的至少一所述第二阵列单元，同轴设置的至少一个所述第二阵列单元和多个所述第一阵列单元在所述阵列方向上的尺寸在所述第一方向上具有渐变规律。
11.根据权利要求1所述的阵列透镜，其特征在于，所述第一阵列单元为矩形导电片或椭圆导电片。
12.一种透镜天线，其特征在于，包括：
馈源阵列，所述馈源阵列包括多个馈源单元；
与所述馈源阵列平行设置的如权利要求1-11任一所述的阵列透镜。
13.根据权利要求12所述的透镜天线，其特征在于，所述透镜天线还包括平行设置的第一隔离板和第二隔离板，所述馈源阵列和所述透镜设置在所述第一隔离板和第二隔离板之间。
14.根据权利要求13所述的透镜天线，所述第一介质层的第一端面贴合于所述第一隔离板，所述第一介质层的第二端面贴合于所述第二隔离板。
15.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求12～14任一项所述的透镜天线。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备还包括：
检测模块，用于获取每个所述馈源单元处于工作状态时所述透镜天线的波束信号强度；
开关模块，与所述馈源阵列连接，用于选择导通与任一所述馈源单元的连接通路；
控制模块，分别与所述检测模块、所述开关模块连接，用于根据所述波束信号强度控制所述开关模块，使最强波束信号强度对应的所述馈源单元处于工作状态。
17.根据权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述透镜天线的数量为多个，所述电子设备还包括中框，所述中框包括相背设置的第一侧边、第三侧边，以及相背设置的第二侧边和第四侧边，所述第二侧边连接所述第一侧边、所述第三侧边的一端，所述第四侧边连接所述第一侧边、所述第三侧边的另一端；所述第一侧边、所述第二侧边、所述第三侧边和所述第四侧边中的至少两个分别设有所述透镜天线。
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