CN113193375B

CN113193375B - 一种片状介质椭圆柱透镜制造方法

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Publication number: CN113193375B
Application number: CN202110429554.3A
Authority: CN
Inventors: 王建青; 陈滢; 张霖; 任玉文; 焦西斌; 田建科; 李天佐; 肖兵; 王赟; 左宏; 黄卫; 吕晨熙; 王亚; 肖良勇
Original assignee: BEIJING HIGHWAY TELECOMMUNICATION TECHNOLOGY CO LTD; Xi'an Haitian Antenna Technologies Co ltd
Current assignee: BEIJING HIGHWAY TELECOMMUNICATION TECHNOLOGY CO LTD; Xi'an Haitian Antenna Technologies Co ltd
Priority date: 2021-04-21
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2041-04-21
Also published as: CN113193375A

Abstract

本发明提供一种片状介质椭圆柱透镜制造方法，包括如下步骤：S1：制备片粒；S2：将步骤S1制备得到的片粒随机均匀地撒粘在平铺的单面胶泡棉或单面胶珍珠棉卷材上；S3：将步骤S2中得到的卷材在模芯上卷制；S4：卷制形成椭圆柱透镜。上述发明采用薄片粒、且用卷制法制备椭圆柱透镜，使得片粒中的金属丝没有电磁波传播方向分量造成的介质损耗，金属丝位于电磁波电场平面，将获得最大的感应增益；与立方颗粒比较对减小介电常数ε_r更有效；片状介质椭圆柱透镜与±45°极化振子结合构成的片状介质椭圆柱透镜天线，具有高增益、垂直波瓣宽的优良特性。

Description

一种片状介质椭圆柱透镜制造方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种片状介质椭圆柱透镜制造方法。

背景技术

当前，一方面社会要求运营商在高铁、高速路上给旅客带来崭新的乘车环境。包括提供视频、高速率、流畅的无线资讯、娱乐、办公环境。

另一方面公众要求运营商大幅度降低话费、同时提高大流量门限。电讯运营商的销售收入及盈利空间大幅度收窄。通信运营商面临社会效益提升，经济效益下降的矛盾尴尬局面，急需寻求大幅度降低运营成本及建设投资成本。

寻求在已建成的4G高铁无线专网上试验“降低运营成本及建设投资成本”的解决方案，比在宏站复杂环境试验更单纯。尽管在高铁场景面临超高速、重叠覆盖、频繁切换、全封闭高速列车穿透损耗大等技术挑战。

在现行的4G高铁专网上降低运营费用最有效的途径是关闭部分基站，既可节约租金、电费、维护费(每年都要付出的运营资金)，还可将关闭撤下RRU、BBU等设备再利用，节省投资。

要在现行的4G高铁专网上关闭部分基站就要扩大站间距离,难点是通信质量仍需达标。技术上，作为高铁专网要不受宏站公网干扰,水平方向图瓣宽就要从常规宏站的65°缩小为30°左右，既可以提高增益，又能适应铁道的线型场景。但是站间距离增大之后,还要保证列车行驶在距离基站近处及远处车厢内信号都能达标。传统宏站使用的板状天线难以做到这点。这不仅需要天线高增益，还需要同时增加天线垂直波瓣宽度,才能做到处处、时时覆盖。而传统板状天线提高天线增益的方法是增多天线辐射单元。然而，辐射单元增多必然使垂直瓣宽变窄。以一个典型板状天线为例,增益为20dBi的水平瓣宽为30°,其垂直半功率波瓣宽度为5～7°。在通常典型塔高25米时，传统站间距大体为500至700米。而且必须用电调机构控制其下倾角才能兼顾近远距离覆盖。要再增大站间距离就会出现很大弱覆盖地段，用户手机信号丢失。可见高增益窄垂直瓣宽正是板状阵列天线应用于高铁专网难以达到“扩大站间距、减少基站”、从而完成“降本增效”目标。

因此，高铁专网技术难题归结为实现基站天线的高增益、适当减小水平瓣宽，获得宽垂直波瓣，而不降低现网的信号质量。在技术创新上实现大幅度降低建设投资成本、挖掘4G现网的运营效率及5G的建设成本，实施运营商提出“降本增效”战略。

现有的介质透镜技术都是在透镜的结构以及制造方法以及形成透镜的介质上进行改进，如专利文献CN111262042A公开了一种人工介质椭圆柱体透镜制备方法，其包括以下步骤：在单面胶泡棉基材上黏连高介电常数颗粒材料；将此基材卷制成圆柱体；将此圆柱体修正为椭圆柱体作为椭圆透镜的模芯；再在此椭圆柱体模芯上，进行卷或压制，形成初制的椭圆柱体。在按上述步骤实施中发现：1)由圆柱体修正为椭圆柱体模芯非常困难，费工费时；2)由于介电常数颗粒为立方体，不仅卷制不方便，而且在撒黏连中有的立方颗粒中的金属丝会与电磁波传播方向平行，产生感应场，增加介质损耗；3)卷制各层间留有空隙，也使透镜损耗增大。因此必须创新改进。如专利文献CN110112569A公开了一种新的龙伯球透镜电磁复合材料的制造方法，包括以下步骤：1)在薄膜上通过印刷、平面打印或3D打印的方式制作若干组导体单元，这样的其上分布有导体单元的薄膜称为导体膜；导体膜上的各组导体单元之间留有空白；2)将所述导体膜固定到由发泡材料制成的板的内部，这样的内部带有导体膜的板称为原板；3)沿步骤1所述的空白对原板进行切割，以获得颗粒状的电磁复合材料。其所制备的介质材料为立方体和块状颗粒。1)如前所述：在撒黏连中有的立方颗粒中的金属丝会与电磁波传播方向平行，产生感应场，增加介质损耗；2)其制备的电磁复合材料是用于龙伯球透镜的制作，而不是本发明的椭圆柱透镜的制作。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明针对制备椭圆柱透镜现有技术采用立方体或块状的颗粒而导致影响透镜性能，且制备方法复杂，而提供了一种椭圆柱透镜核心材料为片状介质及其适应的卷制制造方法。

具体地，本发明提供的技术方案如下：一种片状介质椭圆柱透镜制造方法，利用片粒作为卷制介质的核心材料，制备椭圆柱透镜。

优选地，一种片状介质椭圆柱透镜制造方法，包括如下步骤：

S1：制备片粒；

S2：将步骤S1制备得到的片粒随机均匀地撒粘在平铺的单面胶泡棉或单面胶珍珠棉卷材上；

S3：将步骤S2中得到的卷材在模芯上卷制；

S4：卷制形成的椭圆柱透镜。

优选地，还包括步骤S5：椭圆柱透镜卷制形成成后抽出模芯。

优选地，所述模芯为薄片长方体模芯，模芯长度为A，模芯宽度为B，模芯厚度为C。

优选地，椭圆柱透镜的长轴L＝B+2*t*n，t＝0.2-0.3mm为卷材厚度，n>100，n为透镜层数，椭圆柱透镜的短轴W＝C+2*t*n，模芯长度A＝H+100mm，H为椭圆柱高度、也是单面胶泡棉或单面胶珍珠棉卷材宽度。

优选地，所述片粒包括基材和排列在基材上多个金属丝排线，所述金属丝排线所在平面与所述基材的厚度方向垂直。

优选地，步骤S2具体为：将步骤S1制备得到的片粒随机均匀撒粘在平铺的单面胶泡棉或单面胶珍珠棉卷材上，其中片粒中的金属丝排线所在的平面与平铺的单面胶泡棉面或单面胶珍珠棉面平行。

优选地，所述片粒是将2-5根相互绝缘的平行金属丝薄片(厚0.1mm)线排切断成长2-10mm的薄片粒(长x宽x厚)：(2-10)x(2-10)x(0.1-0.2)mm³。

优选地，片粒中的金属丝与电磁波传播方向垂直。

优选地，片粒中的金属丝长度小于频率的波长。

优选地，片粒中的金属丝平行于电磁波电场平面。

另一发明，本发明提供了一种片状介质椭圆柱透镜天线，其特征在于，将带反射底板的±45°双极化振子作为上述所述的片状介质椭圆柱透镜馈源，固定在片状介质椭圆柱透镜短轴的焦点处，构成片状介质椭圆柱透镜天线。

本发明片状介质椭圆柱透镜层数在4G频段可达数100-400层(远大于龙伯球透镜的数层)，各层的颗粒金属丝排线相同(不同于龙伯球透镜颗粒密度阶梯递减)。

将带反射底板的±45°双极化振子作为透镜馈源，固定在透镜短轴的焦点处，就构成本发明《一种片状介质椭圆柱透镜天线》。

本发明提供的片状介质椭圆柱透镜天线不仅可应用于高铁、高速的“隔站闭站”，还包括应用于4G、5G大规模减少基站建设的移动通信环境。还包括任何方式构造的柱体(椭圆体、圆柱体等)多层介质透镜，不论用模具制或卷制，均属于本专利保护范围。

与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：

(1)与现有技术的立方体或块状的介质颗粒材料的介质透镜相比，本发明采用薄片粒、且用卷制法制备椭圆柱透镜，使得片粒中的金属丝没有电磁波传播方向分量造成的介质损耗，金属丝位于电磁波电场平面，将获得最大的感应增益；与立方颗粒比较对减小介电常数ε_r更有效；片状介质椭圆柱透镜与±45°极化振子结合构成的片状介质椭圆柱透镜天线，具有高增益、垂直波瓣宽的优良特性。

(2)与板状天线(W6286)比较：水平瓣宽比为(29.99°：32.48°)、垂直瓣宽比为(24.41°：6.63°)，特别是透镜垂直瓣宽要宽近4倍(图3、4)。显示出本发明《一种片状介质椭圆柱透镜天线》在标准场地测量的垂直瓣宽的优势。

(3)除了上述标准近场测试优势，还可利用《天线覆盖优化工具软件》(西安海天天线已取得软件著作权，证书号6692625)计算得出的实际工参(站高、站轨距、站间距)下的理论优化覆盖结果：平均RSRP(接收场强)、RSRP分段覆盖占比。见图5及表1所示本发明(W7218)与板状天线(W6286)平均RSRP及RSRP分段覆盖占比比较。

(4)上述(3)的理论计算结果与以下给出的第三方实际场景测试结果相符。证明《一种片状介质椭圆柱透镜天线》是具有新颖性、创新性、实用性的发明。

附图说明

图1为现有技术提供的立方体颗粒介质材料随机分布图；

图2为本发明提供的片粒介质材料随机分布图；

图3为本发明提供的片状介质椭圆柱透镜天线与板状天线水平方向比较图；

图4为本发明提供的片状介质椭圆柱透镜天线与板状天线垂直方向比较图；

图5为本发明片状介质椭圆柱透镜天线与板状天线，在2000米覆盖距离的平均RSRP比较图。

附图标记如下：

1：片粒；11：基材；12：金属丝排线；

2：立方体颗粒；21：第一类立方体颗粒；22：第二类立方体颗粒；23：第三类立方体颗粒。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细的说明。

图1为立方体颗粒介质随机分布取样图

图2为若干片粒随机撒粘在基材上的部分基材取样图，具体地，本发明提供的技术方案如下：一种片状介质椭圆柱透镜制造方法，利用片粒作为卷制介质的核心材料，制备椭圆柱透镜。

具体地，本发明提供了一种片状介质椭圆柱透镜制造方法，包括如下步骤：

S1：制备片粒；

S3：将步骤S2中得到的卷材在模芯上卷制；

S4：卷制形成椭圆柱透镜；

S5：椭圆柱透镜卷制形成成后抽出模芯。

其中，本发明提供的椭圆柱透镜与传统龙伯球透镜的配方不同，本发明提供的介质材料是片粒，将薄片粒作为卷制介质的核心材料，薄片粒(长x宽x厚)：2-10x2-10x0.1-0.2mm³。而传统龙伯球透镜是将立方颗粒作为发泡介质的核心材料。

本发明提供的技术放弃其技术原理是在介质中嵌入与来波电场垂直的金属丝，它将减小介质中的电场强度，从而减小介质的相对介电常数ε_r。掺入的金属丝没有电磁波传播方向分量，而传统龙伯球透镜的立方体金属丝会有电磁波传播方向(见图1的随机方向颗粒)，根据电磁理论将会增大损耗。

具体地，其中，本发明提供的所述卷制模芯为薄片长方体模芯，模芯长度为A，模芯宽度为B，模芯厚度为C。优选地，椭圆柱透镜的长轴L＝B+2*t*n，t＝0.2-0.3mm为卷材厚度，n>100，n为透镜层数，椭圆柱透镜的短轴W＝C+2*t*n。模芯长度A＝H+100mm,H为椭圆柱高度、也是单面胶泡棉或单面胶珍珠棉卷材宽度。本发明提供的所述片粒的长宽厚比例为20-40:20-40:1-2；所述片粒长为1-10mm，宽为1-10mm，厚为0.1-0.2mm，作为优选实施方式，本发明提供的所述片粒长、宽、厚分别为3±1mm，3±1mm，0.1mm。

本发明提供的所述片粒1(若干片粒随机撒粘在单面胶泡棉或单面胶珍珠棉卷材上进行取样)包括单面胶泡棉基材11和排列在基质上多个金属丝排线12，所述金属丝排线所在平面与所述基质的厚度方向垂直。步骤S2具体为：将步骤S1制备得到的片粒随机均匀地撒粘在平铺的单面胶泡棉或单面胶珍珠棉卷材上，其中片粒中的金属丝排线所在的平面与单面胶泡棉面或单面胶珍珠棉面平行，使得金属丝没有电磁波来波方向分量，否则，会增大损耗。

其中，本发明提供的片粒中掺入金属丝，每个片粒由内含有相互绝缘的2-5根金属丝排线切割而成，嵌入的金属丝之间相互绝缘，否则会增大损耗；嵌入的金属丝长度要远小于频率的波长，否则，也会增大损耗；

图1为立方体颗粒介质随机分布取样图，图2为本发明提供的片粒随机撒粘在基材上的部分基材取样分布图；

其中，图1-2中的XY所在的平面为电磁波的电场平面，Z方向为电磁波传播方向。

如图1所示，现有技术中龙波透镜中的立方体颗粒随机分布基材取样，其中随机取样的立方体颗粒2，包括第一类立方体颗粒21、第二类立方体颗粒22和第三类立方体颗粒23，其立方体颗粒中的金属丝方向是随机的；第一类立方体颗粒21、第二类立方体颗粒22和第三类立方体颗粒23内含有金属丝方向是不同的。

具体地，第一类立方体颗粒21的金属丝方向可分解为X、Y、Z三个分量；

第二类立方体颗粒22的金属丝方向垂直于电磁波电场平面(即只有Z方向)；

第三类立方体颗粒23的金属丝方向平行于电磁波电场平面(即只有X、Y方向，无Z方向)；

三类方向中的金属丝大概率都会有Z方向(电磁波传播方向)分量，根据电磁理论，根据电磁理论，电磁波传播方向的金属丝将产生感应场，对辐射场无贡献，但要损耗能量，这将增大透镜损耗。而本发明提供的片粒中没有金属丝Z方向分量。

如图2所示，本发明提供的片粒1包括基质11和排列在基质上多个金属丝排线12，所述金属丝排线12所在平面与所述基质11的厚度方向垂直。其中，所述金属丝排线由内含有互不接触的多个金属丝的排线切割而成，其中金属丝之间相互绝缘。同时本发明中的金属丝排线12所在的平面与平面波电场极化面平行；

本发明提供的片状介质椭圆柱透镜天线在具有资质的《128多探头3D天线球面近场测试场》测试，其电磁特性结果与传统板状天线比较如下：

如图3-4所示，本发明提供的片状介质椭圆柱透镜天线与板状天线比较：水平波瓣(29.99°：32.48°)、垂直波瓣(24.41°：6.63°)(图3、4)；特别是垂直瓣宽本发明比传统板状天线比较近似宽4倍(图4)。

由上述3D测试场的方向图测试数据比较可见：本发明与板状天线(图3-4)比较显示出本发明的超多层椭圆柱形状、各层同一平面片粒材料密度、卷制工艺等创新技术产生的适合高铁专网基站天线的标准场地测量的高增益宽波束方向图优势，尤其是本发明提供的片粒中的金属丝电磁波来波电场垂直，它将减小介质中的电场强度，从而减小介质的相对介电常数εr。

除了上述标准近场测试垂直瓣宽优势，还可利用《天线辐射距离计算工具软件》(西安海天天线已取得软件著作权，证书号6692625)计算得出的在实际工参(站高、站轨距、站间距)下的理论优化覆盖结果：平均RSRP(接收场强)、RSRP分段覆盖占比。如图5所示为本发明(W7218)与板状天线(W6286)在2000米覆盖距离的平均RSRP比较。显示出2000米测试路段约有70％以上路段本发明场强高于板状天线。

数据列表1列出了2000米测试路段的分段场强值占比的比较。本发明场强全部高于-105dBm，而板状天线有15％路段低于-105dBm。

以上数据比较是在同等射频功率、收发位置相同条件下测试的。说明，尽管标准近场测试的增益板状天线高于透镜天线，但是将站间距增大后，正是由于板状天线垂直瓣宽比透镜天线窄很多才导致此结果。以下更多第三方测试的实施案例都证明上述结果。

表1

占比≥-75

占比≥-85

占比≥-95

占比≥-105

＜-105

入射角

下倾角

15％

40％

75％

100％

0％

12.68

4.18

25％

35％

55％

85％

15％

12.68

4.18

实施例1：本发明提供的片状介质椭圆柱透镜天线与板状天线在江苏省一段高铁路上做对比测试，结果如下：

表2高铁实测对比数据

FDD频段：试点区域内根据替换前后各项测试指标对比，采用片状介质椭圆柱人工介质透镜天线后，与原板状天线相比LTE覆盖率(RSRP＞-110dBm and SINR＞-3)保持不变，仍为100％；但平均RSRP由之前的-92.77dBm提升至-84.56dBm，提升了8.21dBm。速率相应得到提升。

D频段：试点区域内根据替换前后各项测试指标对比，采用片状介质椭圆柱人工介质透镜天线后，与原板状天线相比LTE覆盖率(RSRP＞-110dBm and SINR＞-3)由原来的97％提升至98％；平均RSRP由之前的-97.67dBm提升至-86.64dBm，提升了11.03dBm。速率相应得到提升。

上述对比结果表明，用本发明提供的片状介质椭圆柱透镜天线可以更换传统板状天线实施“隔站闭站”。

实施例2：本发明提供的片状介质椭圆柱透镜天线与板状天线在甘肃省一段高铁路及高速路上做“隔站闭站”试验测试，结果如下：

实施地点为G30高速公路19#、20#、21#基站，三个站点站间距均为2.9km左右。用一面片状介质椭圆柱透镜天线替换19#站点西向扇区板状天线，另一面片状介质椭圆柱透镜天线替换21#站点东向扇区板状天线，关断20#站点。

通过对G30高速三个站点的天线，实施本应用方案，采用片状介质椭圆柱透镜天线进行“隔站闭站”技术进行替换板状天线。在将中间站点闭站的情况下，RSRP值大于等于-95dBm(优良值)的占比保持在97％左右，RSRP值大于等于-110dBm(合格值)的占比保持在100％。SINR值大于等于10(优良值)的占比保持在80％左右，SINR值大于等于-3(合格值)的覆盖在99.45％以上。因此，在采用圆柱透镜天线“隔站闭站”技术进行移动基站系统的天馈系统替换后，网络性能完全满足覆盖要求。

实施例3：本发明提供的片状介质椭圆柱透镜天线代替板状天线在甘肃省一段高铁路上做“隔站闭站”试验测试

实施地点的一段高铁，约长15公里、含12个基站，原站间距约为1.2公里。采用本发明《片状介质椭圆柱人工介质透镜天线》做“隔站闭站”效果测试，在12个站中，关闭2、4、6、8、10、12号基站，在1、3、5、7、9、11号站，用本发明提供的片状介质椭圆柱透镜天线换下原板状天线。

表3“隔站闭站技术”与现网技术数据比较表

高铁“隔站闭站”技术测试结论：在15公里路段、站间距1200米的12个现网基站，实施“隔站闭站”方案，在行进高铁车厢内测试，保留的6个站的各信号强度段占比优于闭站前的12个板状天线基站。测试数据超过高铁标准RSRP>-110dBm、SINR>-3，也优于原板状天线。

经济效益1：关闭的基站撤下的硬件可以拓展至新线路应用，或改善弱覆盖地区，节约拓展新线路建设投资60-80％(新建一个基站约50万元)。

经济效益2：关闭半数基站，运营商每年将减少基站运营费开支(电费、租赁费、维护费等，每个基站每年运营费约10万元)50％，等同于增加营收。

社会效益1：关闭半数基站，可减少电磁环境污染。降低社会的总能耗，有利于应对地球气候变暖。

社会效益2：运营商营收增加，可持续降低用户的话费、流量费，返利于民。

“隔站闭站”不仅可应用于高铁、高速、大桥等线形场景，还可应用于蜂窝小区面积覆盖场景，可关闭1/2至3/4基站，社会经济效益更加巨大。

以上所述仅为本发明第三方实施中的几个案例解决方案，并不限于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明之外的透镜天线作比较，可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种片状介质椭圆柱透镜制造方法，其特征在于，利用片粒作为卷制介质的核心材料，制备椭圆柱透镜；

包括如下步骤：

S1：制备片粒；

S2：将步骤S1制备得到的片粒随机均匀地撒粘在平铺的单面胶泡棉或单面胶珍珠棉卷材上，其中片粒中的金属丝排线所在的平面与平铺的单面胶泡棉面或单面胶珍珠棉面平行；

S3：将步骤S2中得到的卷材在模芯上卷制，所述模芯为薄片长方体模芯；

S4：卷制形成椭圆柱透镜，

所述片粒包括基材和排列在基材上的多个金属丝排线，所述金属丝排线所在平面与所述基材的厚度方向垂直，片粒中的金属丝与电磁波传播方向垂直。

2.如权利要求1所述的片状介质椭圆柱透镜制造方法，其特征在于，所述模芯为薄片长方体模芯，模芯长度为A，模芯宽度为B，模芯厚度为C；椭圆柱透镜的长轴L＝B+2*t*n，t为卷材厚度，n>100，n为透镜层数，椭圆柱透镜的短轴W＝C+2*t*n，模芯长度A＝H+100mm，H为椭圆柱高度、也是单面胶泡棉或单面胶珍珠棉卷材宽度。

3.如权利要求1所述的片状介质椭圆柱透镜制造方法，其特征在于，所述片粒的长为2-10mm，宽为2-10mm，厚为0.1-0.2mm，所述片粒的长：宽：厚为2-10:2-10:0.1-0.2。

4.如权利要求1所述的片状介质椭圆柱透镜制造方法，其特征在于，所述片粒是由2-5根相互绝缘的平行金属丝排线切割而成。

5.一种片状介质椭圆柱透镜天线，其特征在于，将带反射底板的±45°双极化振子作为如权利要求1-4任一项所述的片状介质椭圆柱透镜的馈源，固定在片状介质椭圆柱透镜短轴的焦点处，构成片状介质椭圆柱透镜天线。