CN112751206B - 透镜结构、透镜天线及电子设备 - Google Patents

透镜结构、透镜天线及电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种透镜结构、透镜天线及电子设备。该透镜结构利用多对第二导电片可产生人工表面等离激元波导，通过设置层间或层内波导结构的第二导电片的长度的渐变规律，从而获得折射率分布规律以实现波束汇聚功能，且电磁波沿波导传输过程介质损耗低，故在实际应用中可以实现损耗更小、效率更高、宽带更大的透镜天线。此外，通过交替叠层设置的介质层和波导层，还可以实现低成本透镜的组装制备。

Description

透镜结构、透镜天线及电子设备
技术领域
本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种透镜结构、透镜天线及电子设备。
背景技术
透镜天线是由透镜和馈源组成的天线，利用透镜的汇聚特性，能够保证馈源处发出的电磁波经过透镜平行出射，或者，能够保证平行入射的电磁波通过透镜后汇聚到馈源处。由于电磁波入射透镜时一般需要经过多层介质层，介质的引入将会造成电磁波的损耗，从而降低透镜天线效率。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够提高透镜天线效率的透镜结构、透镜天线及电子设备。
为了实现本申请的目的，本申请采用如下技术方案：
一种透镜结构，包括：
多层介质层；
多波导层，所述波导层与所述介质层沿第一方向交替叠层设置，所述波导层包括：
一个或多个波导结构，多个所述波导结构间隔且平行排列；所述波导结构包括第一导电片和至少一对第二导电片，每对所述第二导电片关于中心轴对称设置，在所述中心轴的同一侧上的多个所述第二导电片通过所述第一导电片相互连接；
其中，多个所述波导层中处于同一轴线上的多个所述波导结构之间具有所述第二导电片的长度的第一渐变规律，和/或所述波导层的多个所述波导结构之间具有所述第二导电片的长度的第二渐变规律；所述轴线为穿过任意所述波导层且平行于所述第一方向的直线。
一种透镜天线，包括：
馈源阵列；及
与所述馈源阵列平行设置的如上所述的透镜结构。
一种电子设备，包括如上所述的透镜天线。
上述透镜结构，利用对称的第二导电片可产生人工表面等离激元波导，通过设置层间或层内波导结构的第二导电片的长度的渐变规律，从而获得折射率分布规律以实现波束汇聚功能，且电磁波沿波导传输过程介质损耗低，故在实际应用中可以实现损耗更小、效率更高、宽带更大的透镜天线。此外，通过交替叠层设置的介质层和波导层，还可以实现低成本透镜的组装制备。
上述透镜天线，包括馈源阵列及透镜结构，通过透镜结构中第二导电片的对称结构及长度的渐变规律，可以实现损耗更小、效率更高、宽带更大且成本更低的透镜天线；通过馈源阵列的设置可以实现多波束出射和波束扫描。
上述电子设备，包括如上所述的透镜天线，由于透镜天线的损耗更小、效率更高、宽带更大且成本更低，且能实现多波束出射和波束扫描，因而电子设备能够实现高效率、高增益、低成本波束扫描。
附图说明
图1为一实施例中的透镜结构的结构示意图；
图2为一实施例中的波导结构的结构示意图；
图3为另一实施例中的波导结构的结构示意图；
图4为另一实施例中的波导结构的结构示意图；
图5为另一实施例中的波导结构的结构示意图；
图6为另一实施例中的波导结构的结构示意图；
图7为一实施例中的波导层的结构示意图；
图8为一实施例中第一渐变规律时多个波导结构的结构示意图；
图9为一实施例中第二渐变规律时多个波导结构的结构示意图；
图10为可选实施例一中透镜结构的结构示意图；
图11为可选实施例二中透镜结构的结构示意图；
图12为可选实施例三中透镜结构的结构示意图；
图13为可选实施例四中透镜结构的结构示意图；
图14为可选实施例五中透镜结构的结构示意图；
图15为另一实施例中的波导结构的结构示意图；
图16为另一实施例中的波导结构的结构示意图；
图17为另一实施例中的波导结构的结构示意图；
图18为另一实施例中的波导结构的结构示意图；
图19为一实施例中的透镜天线的结构示意图；
图20为一实施例中的馈源阵列的结构示意图；
图21为另一实施例中的透镜天线的结构示意图；
图22为另一实施例中的透镜天线的结构示意图；
图23为一实施例中的电子设备的结构示意图；
图24为一实施例中的波束扫描方向图；
图25为一实施例中的电子设备中框结构示意图；
图26为一实施例中的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。
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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
参见图1，图1为一实施例中的透镜结构的结构示意图。
在本实施例中，透镜结构10应用于透镜天线。根据透镜天线的具体应用场景，透镜结构10设置有不同的折射率分布规律，从而实现对电磁波的汇聚功能。可选地，透镜结构10可以工作于微波频段，并可以通过结构参数的调节，适用于毫米波和太赫兹波等不同频段。
其中，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Frequency range 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。Frequencyrange 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。
请参见图1，透镜结构10包括多层介质层100和多层波导层200；波导层200和介质层100沿第一方向交替叠层设置。其中，介质层100和波导层200的层数不受限定(图1以五层介质层100和四层波导层200为例)，同时，介质层100和波导层200之间的相对面积大小不受限定，可以根据实际应用情况进行调整。
其中，介质层100是能用于支撑固定波导层200的非导电功能层，通过介质层100与波导层200的交替叠层，可以实现多层波导层200的间隔分布；同时，通过介质层100可以将透镜结构10划分为折射率非连续的多个区域，使得波导层200在第一方向上的尺寸只需要较小的范围内变化即可实现汇聚的效果，实现低成本透镜的组装制备。可选地，当多个介质层100在交替叠层的方向上的厚度相等时，多个波导层200等间距分布。可选地，介质层100的材料为电绝缘性材料。
其中，波导层200是能用于传输电磁波的功能层，多个波导层200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，或者将平行入射的电磁波发散出射。波导层200包括一个或多个波导结构300。可选地，波导层200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，波导层200的材料还可以为具有高介电常数的材料。
其中，波导结构300包括第一导电片301和至少一对第二导电片302，每对第二导电片302关于中心轴对称设置，在中心轴的同一侧上的多个第二导电片302通过第一导电片301相互连接，电磁波沿波导结构300的中心轴入射至透镜结构10。其中，第二导电片302的长度方向大致垂直于中心轴。
在一些实施方式中，参见图2-图3，每个波导结构300包括一个第一导电片301，每对第二导电片302分别设置在第二导电片302轴向的两侧上。当波导结构300为多个时，多个波导结构300间隔且平行设置。可选地，多个波导结构300等间距且并排设置。
可选地，例如图2，每对第二导电片302关于中心轴a镜像对称设置，每对第二导电片302轴向镜像对称设置在第一导电片301的两侧上。其中，镜像对称是指每对第二导电片302关于中心轴a的轴对称。可选地，例如图3，每对第二导电片302关于中心轴a滑移对称设置，每对第二导电片302轴向滑移对称设置在第一导电片301的两侧上。其中，滑移对称是指原本关于轴对称的两个第二导电片302沿中心轴a相对滑移一定距离；多个波导结构300之间彼此独立且形状相似。
需要说明的是，第一导电片301并不局限于一个独立完整的整体，还可以是沿轴向设有一个或多个缝隙的导电片。以第一导电片301沿轴向设有一个缝隙为例，波导结构300还可以是如图4所示的结构。
在一些实施方式中，参见图5-图6，每个波导结构300包括两个间隔设置的第一导电片301；在同一波导结构300中，每对第二导电片302设置在两个第一导电片301之间，且同一对中的两个第二导电片302间隔设置。
可选地，例如图5，每对第二导电片302关于中心轴a镜像对称设置(波导结构300内部形成了镜像对称的缝隙单元300A，且缝隙单元300A关于中心轴a镜像对称)；可选地，例如图6，每对第二导电片302关于中心轴a滑移对称设置(由此，波导结构300内部形成了滑移对称的缝隙单元300A，且缝隙单元300A关于中心轴a滑移对称)。
每个波导结构300形成有一个缝隙单元300A。当波导结构300为多个时，多个波导结构300平行设置。可选地，相邻两个波导结构300相近的两个第一导电片301相互连接(参见图7，图7以5个波导结构300且第二导电片302关于中心轴a镜像对称设置为例)。
当电磁波沿波导结构300的中心轴a入射至透镜结构10时，在第二导电片302的长度方向上，每一个第二导电片302的边缘或每一个缝隙单元300A的边缘可产生人工表面等离激元波导(后续简写为波导)，多对镜像对称的第二导电片302可产生镜像对称的波导对，每个波导结构由多个波导成线性排列组成；多对滑移对称的第二导电片302可产生滑移对称的波导对，每个波导结构由多个波导成线性排列组成。可选地，每个波导结构300中，位于中心轴a同一侧上的多个第二导电片302平行设置且中心距离p相等，多个第二导电片302长度h相同，从而多个波导结构300中，每个第二导电片302长度方向上的边缘可产生相同的波导。其中，中心距离p可以理解为两个相邻第二导电片302的几何中心之间的距离。
当电磁波沿波导结构300的中心轴a入射至透镜结构时，电磁波可延波导继续传播，且传播常数比自由空间大，即实现大于1的等效折射率，实现汇聚功能。由于电磁波的大部分能量集中波导结构300的第二导电片302的长度方向边缘，只有少量进入介质，故几乎不受介质损耗影响，故在实际应用中可以实现损耗更小、效率更高的透镜天线。其中，当每对第二导电片302轴向滑移对称时，等效折射率随频率变化较小，故在实际应用中可以实现更大带宽的透镜天线。
在一些实施方式中，多个波导层200中处于同一轴线上的多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律，和/或，波导层200的多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第二渐变规律。其中，轴线为穿过任意波导层200且平行于第一方向的直线。
当电磁波沿波导结构300的中心轴a入射至透镜结构10时，具有第一渐变规律的透镜结构10可以实现对电磁波波束在第一方向上的汇聚作用，具有第二渐变规律的透镜结构10可以实现对电磁波波束在第二方向上的汇聚作用。其中，第二方向同时大致垂直于第一方向和第一导电片301的轴向，即平行于第二导电片302的长度方向。
具体地，请辅助参见图8，第一渐变规律为第二导电片302的长度从同一轴线的中心位置往两侧的波导结构300对称递减，即从多个波导层200中心层的波导结构300往两侧层的波导结构300对称递减(图8以图3实施例中的波导结构300为例，且仅显示每个波导层200中同时处于轴线A的波导结构300的示意图，中间层波导结构300的第二导电片302长度标记为h3A，一侧的两层分别标记为h2A和h1A，另一侧的两层分别标记为h4A和h5A，h3A＞h4A＝h2A＞h1A＝h5A)；参见图9，第二渐变规律为第二导电片302的长度从波导层200的多个波导结构300的排列中心向两侧对称递减，即从层中心位置的波导结构300往层两侧的波导结构300对称递减(图9以图3实施例中的波导结构300为例，且仅显示某一波导层200的多个波导结构300，层中心位置的成对第二导电片302的长度标记为hC，层中心的一侧分别标记为hB和hA，层中心的另一侧分别标记为hD和hE，hC＞hB＝hD＞hA＝hE)。当多个波导结构300的相邻两个第二导电片302的中心间距相同时，h越大，则折射率越大。
需要说明的是，递减可以为线性逐渐减小或非线性逐渐减小，例如，线性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。
具体地，当波导层200的层数为至少三层时，多个波导层200中处于同一轴线上的多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律；和/或，当波导层200的波导结构300为至少三个时，波导层200的多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第二渐变规律。当波导层200的层数为一层或两层时，波导层包括至少三个波导结构300，波导层200的多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第二渐变规律。
可选地，当波导层200与介质层100的第一方向垂直于实际应用场景中透镜天线的极化方向时，多个波导结构300被设置为：多个波导层200中处于同一轴线上的多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律；此时，若波导层200中多个波导结构300的第二导电片302的长度相同(参见可选实施例一和可选实施例二)，则透镜结构10仅实现该第一方向的电磁波汇聚；若同一波导层200中多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第二渐变规律(参见可选实施例三)，则透镜结构10可以同时实现第一方向及第二方向的电磁波汇聚。具体地(以图3实施例的波导结构300举例说明)：
可选实施例一：请辅助参见图10，图10以五层波导层200且每层波导层200仅有一个波导结构300为例(处于第n层波导层200的波导结构300的第二导电片302的长度标记为hn)，此时，五个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律：h3＞h4＝h2＞h5＝h1，即h值从位于中心的波导层200的波导结构300往两边层的波导结构300递减，从而，透镜结构10的折射率值从中间层往两边层递减，透镜结构10实现第一方向(图中的y方向)电磁波的汇聚。
可选实施例二：请辅助参见图11，图11以五层波导层200且每层波导层200为两个波导结构300为例，此时，五层波导层200中处于同一轴线上的多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律，且波导层200中两个波导结构300的第二导电片302的长度相同。具体地：长度的渐变情况为：h3A＝h3B＞h4A＝h4B＝h2A＝h2B＞h5A＝h5B＝h1A＝h1B(其中，处于A轴线的多个波导结构300分别位于波导层200的A区域，处于第n层波导层200的A区域的波导结构300的第二导电片302的长度标记为hnA；处于B轴线的多个波导结构300分别位于波导层200的B区域，处于第n层波导层200的B区域的波导结构300的第二导电片302的长度标记为hnB)，即h值从中间层往两边层递减，从而，透镜结构10的折射率值从中间层往两边层递减，透镜结构10实现第一方向电磁波的汇聚。
可选实施例三：请辅助参见图12，图12以五层波导层200且每层波导层200为三个波导结构300为例，此时，五层波导层200中处于同一轴线上的多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律，且同一波导层200中多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第二渐变规律。具体地：处于不同波导层200轴线A(对应于波导层200的A区域，处于第n层波导层200的A区域的波导结构300的第二导电片302的长度标记为hnA)上的五个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律：h3A＞h4A＝h2A＞h5A＝h1A，处于不同波导层200轴线B(对应于波导层200的B区域，处于第n层波导层200的B区域的波导结构300的第二导电片302的长度标记为hnB)上的五个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律：h3B＞h4B＝h2B＞h5B＝h1B，处于不同波导层200轴线C(对应于波导层200的C区域，处于第n层波导层200的C区域的波导结构300的第二导电片302的长度标记为hnC)上的五个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律：h3C＞h4C＝h2C＞h5C＝h1C，并且，每一波导层200中的长度呈第二渐变规律：hA＝hC＜hB。从而，透镜结构10的折射率值从中间层往两边层递减，且在层中的中心位置往两侧位置递减，透镜结构10可以同时实现第一方向及第二方向(即图中的x方向)的电磁波汇聚。
可选地，当波导层200与介质层100的第一方向平行于实际应用场景中透镜天线的极化方向时，多个波导结构300被设置为：波导层200中多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第二渐变规律；此时，若不同波导层200中处于同一轴线上的多个波导结构300的第二导电片302的长度相同(参见可选实施例四)，则透镜结构10仅实现第二方向的电磁波汇聚；若不同波导层200中处于同一轴线上的多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律(参见可选实施例五)，则透镜结构10可以同时实现第二方向及第一方向的电磁波汇聚。具体地(以图3实施例的波导结构300举例说明)：
可选实施例四：请辅助参见图13，图13以三层波导层200且每层波导层200为五个波导结构300为例，此时，波导层200中多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第二渐变规律，且不同波导层200中处于同一轴线上的多个波导结构300的长度相同。具体地：同一波导层200的五个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律：hC＞hB＝hD＞hA＝hE，即h值从层中心位置的波导结构300往两侧波导结构300递减，从而，透镜结构10的折射率值从层中心位置往两侧递减，透镜结构10实现第二方向电磁波的汇聚。
可选实施例五：请辅助参见图14，图14以三层波导层200且每层波导层200为五个波导结构300为例，此时，波导层200中多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第二渐变规律，且不同波导层200中处于同一轴线上的多个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律。具体地：同一波导层200的五个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律：hC＞hB＝hD＞hA＝hE，即h值从层中心位置的波导结构300往两侧波导结构300递减，并且，处于不同波导层200中A区域的三个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律：h2A＞h1A＝h3A，处于不同波导层200中B区域的三个波导结构300之间具有长度的第一渐变规律：h2B＞h1B＝h3B，处于不同波导层200中C区域的三个波导结构300之间具有第二导电片302的长度的第一渐变规律：h2C＞h1C＝h3C。从而，透镜结构10的等效折射率从层中心位置往两侧位置递减，同时，从中间层往两边层递减，透镜结构10实现第二方向及第一方向电磁波的汇聚。
进一步地，在一些实施例中，参见图15-图16，当每个波导结构300包括一个第一导电片301，每对第二导电片302分别设置在第一导电片301轴向的两侧上时：每个波导结构300沿轴向设有第一区域3001、第二区域3002及第三区域3003，第二导电片设置在第二区域3002，第一区域3001和第三区域3003中的至少一个区域设有第一匹配单元。其中，第一区域3001为波导结构300的入射区，第三区域3003为波导结构300的出射区；或者，第一区域3001为波导结构300的出射区，第三区域3003为波导结构300的入射区。
第一匹配单元包括至少一对关于中心轴对称的第一匹配段303，同一对中的两个第一匹配段303分别设置在第一导电片301的两侧上；在长度方向上，同一波导结构300的第一匹配段303的长度小于第二导电片302的长度(图15以仅第一区域3001设有第一匹配单元且第一匹配段303为两对为例，图16以第一区域3001和第三区域3003同时设有第一匹配单元且每个第一匹配段303为两对为例)。
其中，第一匹配段303的结构与第二导电片302的结构相似，可选地，每对第一匹配段303关于中心轴a镜像对称，即每对第一匹配段303轴向镜像对称设置在第一导电片301的两侧上；可选地，每对第一匹配段303关于中心轴a滑移对称，即每对第一匹配段303轴向滑移对称设置在第一导电片301的两侧上(图15-图16以第二导电片302滑移对称且第一匹配段303镜像对称为例)。第一匹配段303具有导电性，可选地，第一匹配段303的材料与第二导电片302的材料相同。
由于第一匹配段303的长度小于第二导电片302的长度，电磁波经过第二导电片302入射至第一匹配段303时，折射率逐渐降低；当第一连接区为波导结构300入射区时(以图15为例)，第一匹配段303可以实现透镜结构10电磁波入射区与自由空间之间阻抗匹配，降低电磁波的能量损耗；当第一连接区为波导结构300出射区时，第一匹配段303可以分别实现透镜结构10电磁波出射区与自由空间之间阻抗匹配，降低电磁波的能量损耗，从而增大电磁波的传输距离，提高透镜天线效率。
其中，多对第一匹配段303之间具有第三渐变规律，第三渐变规律为多对第一匹配段303的长度从第一区域3001靠近第二区域3002区的一侧向第一区域3001远离第二区域3002的一侧递减，和/或从第三区域3003靠近第二区域3002的一侧向第三区域3003远离所述第二区域3002的一侧递减。其中，第一区域3001和第二区域3002的第一匹配段的对数可以相同也可以不同。图16以第一区域3001和第二区域3002分别设置有两对第一匹配段303，且每对第二导电片302及每对第一匹配段303镜像对称设置为例，第一匹配段303的长度分别为h1和h2，h1和h2相对于h(h为第二导电片302的长度)逐渐减小，即h>h1>h2，p(p为两个相邻第一匹配段303的几何中心之间的距离)保持不变。
由于多对第一匹配段303的长度从从第一区域3001靠近第二区域3002区的一侧向第一区域3001远离第二区域3002的一侧递减，和/或从第三区域3003靠近第二区域3002的一侧向第三区域3003远离所述第二区域3002的一侧递减，可以逐渐降低波导两端的折射率，进一步减少透镜结构10与自由空间之间阻抗失配的情况，更有效地降低电磁波的能量损耗，更有效地提高透镜天线效率。
可选地，波导结构上相邻两个第二导电片302之间的间距等于相邻两个第一匹配段303之间的间距，从而阻抗匹配在空间上的分布更加均匀。
进一步地，在一些实施例中，参见图17-图18，每个波导结构300包括两个间隔设置的第一导电片301；在同一波导结构300中，每对第二导电片302设置在两个第一导电片301之间，且同一对中的两个第二导电片302间隔设置时：每个波导结构沿轴向设有第四区域3004、第五区域3005及第六区域3006，第五区域3005上设有第二导电片302，第四区域3004和第六区域3006中的至少一个区域设有第二匹配单元。其中，当第四区域3004或第六区域3006未设有第二匹配单元时，可以单独设有第二导电片302。
第二匹配单元包括至少两对第二导电片302和至少一对关于中心轴对称的第二匹配段304，同一对中的两个第二匹配段304分别设置在不同的第一导电片301上，每个第二匹配段设置在相邻两个第二导电片302之间且与相邻两个第二导电片302相连接；在长度方向上，同一波导结构300的第二匹配段304的长度小于第二导电片302的长度，长度方向垂直于轴向(图17以仅第四区域3004设有第二匹配单元且第二匹配段304为两对为例，图18以第四区域3004和第六区域3006同时设有第二匹配单元且每个第二匹配段304为两对为例)。
其中，第二匹配段304的结构与第二导电片302的结构相似，可选地，每对第二匹配段304关于中心轴a镜像对称；可选地，每对第二匹配段304关于中心轴a滑移对称(图17-图18以第二导电片302镜像对称且第二匹配段304镜像对称为例)。第二匹配段304具有导电性，可选地，第二匹配段304的材料与第二导电片302的材料相同。
由于第二匹配段304的长度小于第二导电片302的长度，波导结构300形成的缝隙单元300A的第一缝隙A1的长度大于第二缝隙A2的长度，电磁波经过第一缝隙A1的边缘入射至第二缝隙A2的边缘时，折射率逐渐降低；当第四区域为波导结构300入射区时(以图17为例)，第二匹配段304可以实现透镜结构10电磁波入射区与自由空间之间阻抗匹配，降低电磁波的能量损耗；当第四区域为波导结构300出射区时，第二匹配段304可以分别实现透镜结构10电磁波出射区与自由空间之间阻抗匹配，降低电磁波的能量损耗，从而增大电磁波的传输距离，提高透镜天线效率。
其中，多对第二匹配段304之间具有第四渐变规律，第四渐变规律为多对第二匹配段304的长度从第四区域3004靠近第五区域3005区的一侧向第四区域3004远离第五区域3005的一侧递增，和/或从第六区域3006靠近第五区域3005的一侧向第六区域3006远离所述第五区域3005的一侧递增。其中，第四区域3004和第六区域3006的第二匹配段的对数可以相同也可以不同。图17以第四区域3004和第六区域3006分别设置有两对第一匹配段303，且每对第二导电片302及每对第二匹配段304镜像对称设置为例，第二匹配段304的长度分别为h3和h4，h3和h4小于h(h为第二导电片302的长度)且h3和h4逐渐增大，即h>h4>h3，p(p为两个相邻第二匹配段304的几何中心之间的距离)保持不变。
由于多对第二匹配段304的长度从从第四区域3004靠近第五区域3005区的一侧向第四区域3004远离第五区域3005的一侧递增，和/或从第六区域3006靠近第五区域3005的一侧向第六区域3006远离所述第五区域3005的一侧递增，可以逐渐降低波导两端的折射率，进一步减少透镜结构10与自由空间之间阻抗失配的情况，更有效地降低电磁波的能量损耗，更有效地提高透镜天线效率。
本实施例提供的透镜结构，利用多对对称的第二导电片可产生人工表面等离激元波导，通过设置层间或层内波导结构长度的渐变规律，获得折射率以实现波束汇聚功能，且电磁波沿波导传输过程介质损耗低，故在实际应用中可以实现损耗更小、效率更高、宽带更大的透镜天线。进一步地，通过在每个波导结构两端设置多对第一匹配段或第二匹配段，可以减少透镜结构与自由空间之间阻抗失配的情况，更有效地降低电磁波的能量损耗，提高实际应用中透镜天线的效率。此外，通过交替叠层设置的介质层和波导层，还可以实现低成本透镜的组装制备。
参见图19，图19为一实施例中的透镜天线1的结构示意图。
在本实施例中，透镜天线1包括如上述实施例所述的透镜结构10及馈源阵列20。
其中，透镜结构10参见上述实施例的相关描述，在此不再赘述。
其中，馈源阵列20与透镜结构10平行设置。馈源阵列20包括多个馈源单元。可选地，请辅助参见图20(图中以5个馈源单元为例)多个馈源单元20a呈线型排列，线型排列的中心位于透镜结构10的焦点处，从而馈源阵列20可以实现多波束出射；通过对馈源阵列20不同馈源单元进行馈电，可获取不同的波束指向，从而实现波束扫描，适用于毫米波透镜天线的应用。可以理解，本实施例中的馈源阵列20可以为设置在毫米波集成模组上的辐射元件阵列，馈源单元20a可以为多种形态的辐射元件，例如可以为矩形、环形、十字形等不同形态的辐射贴片。
在本实施例提供的透镜天线，包括馈源阵列及透镜结构，通过透镜结构中第二导电片的对称结构及长度的渐变规律，可以实现损耗更小、效率更高、宽带更大且成本更低的透镜天线；通过馈源阵列的设置可以实现多波束出射和波束扫描。
参见图21和图22，图21和图22为另一实施例中的透镜天线1的结构示意图。
在本实施例中，透镜天线1包括如上述实施例所述的透镜结构10及馈源阵列20、第一金属平板30以及与第一金属平板间隔20设置的第二金属平板40。透镜结构10和馈源阵列20分别设置在第一金属平板30和第二金属平板40之间。
其中，透镜结构10和馈源阵列20参见上述实施例的相关描述，在此不再赘述。并且，根据上述实施例，透镜结构10通过波导层200和介质层100的第一方向的不同设置情况可适用于不同极化方向的应用场景。
可选地，请辅助参见图21，波导层200和介质层100的第一方向分别平行于第一金属平板30和第二金属平板40(以波导层200为一波导结构300且每对第二导电片302滑移对称设置为例，附图中第一方向垂直纸面)，从而透镜结构10可以适用于垂直极化的应用场景，透镜天线1的极化方向分别垂直于第一金属平板30和第二金属平板40。
可选地，请辅助参见图22，波导层200和介质层100的第一方向分别垂直于第一金属平板30和第二金属平板40(附图中第一方向平行纸面)，从而透镜结构10可以适用于水平极化的应用场景，透镜天线1的极化方向分别平行于第一金属平板30和第二金属平板40。
其中，第一金属平板30和第二金属平板40均能用于反射内部电磁波以及屏蔽外界干扰。将透镜结构10和馈源阵列20置于第一金属平板30和第二金属平板40之间，可以减少馈源辐射电磁波的泄露，从而提高透镜天线1的效率，同时提高透镜天线1的结构强度。可选地，第一金属平板30和第二金属平板40由超硬铝板制成，当然也可以由其它不锈钢等金属材料制成。
本实施例提供的透镜天线，包括第一金属平板、第二金属平板、馈源阵列以及透镜结构，一方面，通过透镜结构中第二导电片的对称结构及长度的渐变规律，可以实现损耗更小、效率更高、宽带更大且成本更低的透镜天线；另一方面，通过第一金属平板和第二金属平板的设置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；再者，通过馈源阵列的设置可以实现多波束出射和波束扫描。
本申请还提供了一种电子设备2，电子设备2包括如上述实施例的透镜天线1，由于透镜天线1的损耗更小、效率更高、宽带更大且成本更低，且能实现多波束出射和波束扫描，因而电子设备2能够实现高效率、高增益、低成本波束扫描，可以适用于5G通信毫米波信号的收发，同时，该透镜天线1的焦距短，尺寸小，易于集成于电子设备2中，同时可以缩小透镜天线1在电子设备2内的占用空间。
可选地，参见图23，电子设备2还包括检测模块160、开关模块161和控制模块162。
检测模块160，用于获取馈源单元20a处于工作状态时透镜天线1辐射电磁波的波束信号强度，还可用于检测获取馈源单元20a处于工作状态时透镜天线1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。
开关模块161，与开关模块161连接，用于选择导通与任一所述馈源单元20a的连接通路。可选地，开关模块161可包括输入端和多个输出端，输入端与控制模块162连接，多个输出端分别与多个馈源单元20a一一对应连接。开关模块161可以用于接收控制模块162发出的切换指令，以控制开关模块161中各开关自身的导通与断开，从而控制该开关模块161与任意一个馈源单元20a的导通连接，以使任意一个馈源单元20a处于工作(导通)状态。
控制模块162，分别与检测模块160、开关模块161连接，根据波束信号强度控制开关模块161，使最强波束信号强度对应的馈源单元20a处于工作状态。
从而，通过检测模块160、开关模块161和控制模块162可以使任意一个馈源单元20a工作，以获取不同的波束指向，从而实现波束扫描，可以适用于毫米波透镜天线的应用；并且，波束扫描过程不需要移向器和衰减器，大大降低了成本。
以馈源阵列20包括五个馈源单元为例，检测模块160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20a作为目标馈源单元，控制模块162发出的切换指令以控制该开关模块161与目标馈源单元的导通连接，以使目标馈源单元处于工作(导通)状态。仿真得到如图24所示的波束扫描方向图。根据仿真结果可以看出，手机通过两个透镜天线1的设置，可以实现手机6G毫米波高效率、高增益、低成本的波束扫描。
可选地，电子设备2包括多个透镜天线1，多个透镜天线1分布于电子设备2中框的不同侧边。可选地，请辅助参见图25，电子设备2中框包括相背设置的第一侧边181、第三侧边183，以及相背设置的第二侧边182和第四侧边184，第二侧边182连接第一侧边181、第三侧边183的一端，第四侧边184连接第一侧边181、第三侧边183的另一端。第一侧边181、第二侧边182、第三侧边183以及第四侧边184中的至少两侧边分别设有透镜天线1。
以电子设备2包括两个透镜天线1为例，可选地，请辅助参见图26，两个透镜天线1设置在手机的两个长边(例如为第一侧边181和第三侧边183)，即可覆盖手机两侧的空间。
需要说明的是，上述实施例中的电子设备2，包括但不限于手机、平板电脑、显示器、智能手表等任何具有天线收发功能的产品和部件。上述电子设备2中各个单元的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将电子设备2按照需要划分为不同的模块，以完成上述电子设备2的全部或部分功能。
以上所述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发明专利范围的限制。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 (23)

1.一种透镜结构，其特征在于，包括：
多层介质层；
多层波导层，所述波导层与所述介质层沿第一方向交替叠层设置，所述波导层包括：
一个或多个波导结构，多个所述波导结构间隔且平行排列；所述波导结构包括第一导电片和至少一对第二导电片，每对所述第二导电片关于中心轴对称设置，在所述中心轴的同一侧上的多个所述第二导电片通过所述第一导电片相互连接；
其中，多个所述波导层中处于同一轴线上的多个所述波导结构之间具有所述第二导电片的长度的第一渐变规律，和/或，所述波导层的多个所述波导结构之间具有所述第二导电片的长度的第二渐变规律；所述轴线为穿过任意所述波导层且平行于所述第一方向的直线；
所述第一渐变规律为所述长度从所述轴线的中心位置往两侧的所述波导结构对称递减，所述第二渐变规律为所述长度从所述波导层的多个所述波导结构的排列中心向两侧对称递减。
2.根据权利要求1所述的透镜结构，其特征在于，当所述波导层的层数为至少三层时，多个所述波导层中处于同一所述轴线上的多个所述波导结构之间具有所述第一渐变规律；和/或，当所述波导层的所述波导结构为至少三个时，所述波导层的多个所述波导结构之间具有所述第二渐变规律；
当所述波导层的层数为一层或两层时，所述波导层包括至少三个所述波导结构，所述波导层的多个所述波导结构之间具有所述第二渐变规律。
3.根据权利要求2所述的透镜结构，其特征在于，多个所述波导层中处于同一所述轴线上的多个所述波导结构之间具有所述第一渐变规律：
所述波导层中多个所述波导结构的所述长度相同；或所述波导层中多个所述波导结构之间具有所述第二渐变规律。
4.根据权利要求2所述的透镜结构，其特征在于，所述波导层中多个所述波导结构之间具有所述第二渐变规律：
多个所述波导层中处于同一所述轴线上的多个所述波导结构的所述长度相同；或多个所述波导层中处于同一所述轴线上的多个所述波导结构之间具有所述第一渐变规律。
5.根据权利要求1所述的透镜结构，其特征在于，每对所述第二导电片关于所述中心轴镜像对称设置；或者，每对所述第二导电片关于所述中心轴滑移对称设置。
6.根据权利要求1所述的透镜结构，其特征在于，所述波导结构中，位于所述中心轴同一侧上的多个所述第二导电片等间距且平行设置，多个所述第二导电片长度相同。
7.根据权利要求1-6任一项所述的透镜结构，其特征在于，每个所述波导结构包括一个所述第一导电片，每对所述第二导电片分别设置在所述第一导电片轴向的两侧上。
8.根据权利要求7所述的透镜结构，其特征在于，每个波导结构沿所述轴向设有第一区域、第二区域及第三区域，所述第二导电片设置在所述第二区域，所述第一区域和所述第三区域中的至少一个区域设有第一匹配单元；
所述第一匹配单元包括至少一对关于所述中心轴对称的第一匹配段，同一对中的两个所述第一匹配段分别设置在所述第一导电片的两侧上；
在长度方向上，同一所述波导结构的所述第一匹配段的长度小于所述第二导电片的长度，所述长度方向垂直于所述轴向。
9.根据权利要求8所述的透镜结构，其特征在于，多对所述第一匹配段的长度从所述第一区域靠近所述第二区域的一侧向所述第一区域远离所述第二区域的一侧递减，和/或从所述第三区域靠近所述第二区域的一侧向所述第三区域远离所述第二区域的一侧递减。
10.根据权利要求8所述的透镜结构，其特征在于，每对所述第一匹配段关于所述中心轴镜像对称；或者，每对所述第一匹配段关于所述中心轴滑移对称。
11.根据权利要求8所述的透镜结构，其特征在于，所述波导结构上，相邻两个所述第二导电片之间的间距等于相邻两个所述第一匹配段之间的间距。
12.根据权利要求1-6任一项所述的透镜结构，其特征在于，每个所述波导结构包括两个间隔设置的所述第一导电片；在同一所述波导结构中，每对所述第二导电片设置在两个所述第一导电片之间，且同一对中的两个所述第二导电片间隔设置。
13.根据权利要求12所述的透镜结构，其特征在于，每个波导结构沿所述第一导电片轴向设有第四区域、第五区域及第六区域，所述第五区域上设有所述第二导电片，所述第四区域和所述第六区域中的至少一个区域设有第二匹配单元；
所述第二匹配单元包括至少两对所述第二导电片和至少一对关于所述中心轴对称的第二匹配段，同一对中的两个所述第二匹配段分别设置在不同的所述第一导电片上，每个所述第二匹配段设置在相邻两个所述第二导电片之间且与相邻两个所述第二导电片相连接；
在长度方向上，同一所述波导结构的所述第二匹配段的长度小于所述第二导电片的长度，所述长度方向垂直于所述轴向。
14.根据权利要求13所述的透镜结构，其特征在于，多对所述第二匹配段的长度从所述第四区域靠近所述第五区域的一侧向所述第四区域远离所述第五区域的一侧递增，和/或从所述第六区域靠近所述第四区域的一侧向所述第六区域远离所述第四区域的一侧递增。
15.根据权利要求13所述的透镜结构，其特征在于，每对第二匹配段关于所述中心轴镜像对称；或者，每对所述第二匹配段关于所述中心轴滑移对称。
16.一种透镜天线，其特征在于，包括：
馈源阵列；及
与所述馈源阵列平行设置的如权利要求1-15任一项所述的透镜结构。
17.根据权利要求16所述的透镜天线，其特征在于，还包括：
第一金属平板；
与所述第一金属平板平行且间隔设置的第二金属平板；
其中，所述透镜结构和所述馈源阵列分别设置在所述第一金属平板和所述第二金属平板之间。
18.根据权利要求17所述的透镜天线，其特征在于，所述第一方向分别平行于所述第一金属平板和所述第二金属平板。
19.根据权利要求18所述的透镜天线，其特征在于，所述透镜天线的极化方向分别垂直于所述第一金属平板和所述第二金属平板。
20.根据权利要求17所述的透镜天线，其特征在于，所述第一方向分别垂直于所述第一金属平板和所述第二金属平板。
21.根据权利要求20所述的透镜天线，其特征在于，所述透镜天线的极化方向分别平行于所述第一金属平板和所述第二金属平板。
22.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求16-21任一项所述的透镜天线。
23.根据权利要求22所述的电子设备，其特征在于，所述馈源阵列包括多个馈源单元，所述电子设备还包括：
检测模块，用于获取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。
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