CN113270724B - 基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线 - Google Patents

基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线。它的基本结构包括一个用3D打印技术加工的球龙伯透镜天线、四个由4*4个垂直偶极子天线馈源组成的球面阵、固定馈源的ABS支撑架、玻璃钢井盖(三层)、ABS上盖、ABS下盖、钢框架、钢底板、玻璃钢下侧板、井座以及球体支撑块，其中小型化的垂直偶极子馈源尽可能减少了馈源对天线口径的遮挡效应，垂直偶极子固定在ABS支撑架上，ABS上盖与下盖起保护龙伯透镜天线的作用，三层玻璃钢井盖按电磁波在分层介质中的传播理论来设计，保证了其最大透射系数。利用该方案所设计出的井盖天线实现了高强度设计，并具有隐蔽性、宽角扫描、高增益以及同时多波束定向通信的优点，非常适合应用在5G通信上。

Description

基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线
技术领域
本发明涉及到一种属于天线工程技术领域的井盖天线，具体来说是一种用于5G通信的基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线，天线造价成本低廉，无需T/R组件即可实现宽角扫描，并且能同时产生多波束，且具有隐蔽性、高增益的优点。
背景技术
井盖天线是把天线埋于地底的一种新型天线，针对现在的5G通信功耗大等缺陷，对井盖天线本身的电性能要求也越来越高，据发明者所知，现有的井盖天线存在着增益低，扫描角度小等缺点，满足不了现有5G通信对高增益、宽角扫描的要求，如专利CN210296628U中公开了一种高结构强度与信号质量的井盖天线，该井盖天线采取弹簧天线的形式，该天线增益不高，并且无法进行扫描以及产生同时多波束。因此本发明基于上述应用需求，将龙伯透镜应用于井盖天线中，设计出了一种基于龙伯透镜天线形式的高增益宽角扫描多波束井盖天线，可以很好地满足上述需求。
球形龙伯透镜天线是一种具有全向对称结构的透镜天线。透镜表面的每一点都可视为焦点，只要在透镜表面放置多个馈源，就可以在广角范围内达到多波束覆盖，波束一致性好。透镜由对环境适应性强的防潮、耐酸、耐腐蚀的介质材料组成，且透镜材料的介电常数对频率变化不敏感，天线工作带宽主要取决于馈源的带宽，适用于大容量宽带通信系统。
理论上龙伯透镜的介电常数从中心到表面满足2到1的连续变化规律，因此多年来材料技术和制造工艺水平限制了这种天线的应用。经国内外专家学者对其设计理论和制作工艺进行了系统的分析和研究，提出了材料制作工艺的一些基本方法和准则。D L.Runyon等人在名为“Luneberg lens and method of constructing same”的美国专利US 5677796中提出了一种利用二次曲线形的特殊钻头沿介质透镜的半径方向开渐变锥形孔的方法，从而设计出满足龙伯透镜介电常数渐变规律的龙伯透镜，该方法加工难度大且需考虑材料的机械强度，所以成本较高。Peter C,Strickland等人在名为“Method for fabricatingLuneburg Lenses”的专利US3721103B1中提出一种制作龙伯透镜天线的方法。该透镜天线由在橘子瓣形状体的无机材料中按一定的分布规律钻不同大小的柱孔构成，从球体表面到球心，柱孔的半径及孔的密度逐渐减少，从而实现介电常数的渐变，最后将橘子瓣形状体组合成一个球体，此种技术的加工的柱孔复杂，而且柱孔的尺寸均不一样，需要的加工组件甚多，固定困难，成本高。Michael.P.Carpenter等在名为“Lens of Gradient DielectricConstant and Methods of Production”的专利US 6433936B1中将热塑性树脂膨胀珠中掺杂陶瓷材料填入模具中，并加热使它们熔融到一起，通过调节陶瓷含量及泡沫模制品的密度来控制每层球壳的介电常数，该透镜重量轻，能保证较好的实用性，但工艺流程相对复杂，不适合量产。东南大学崔铁军等人在Applied Physics Letters上发表的题为“Broadband planar Luneburg lens based on complementary metamaterials”的论文中利用电磁超材料设计了工作于Ku波段的龙伯透镜天线，但该天线口径效率较低。
相比于以前公开的专利与论文，本发明的用于井盖天线的透镜天线结构简单，仅有两层结构，采用径向开锥形孔的方式等效所需的介电常数，并利用3D打印技术加工，并采用具有宽带特性的小型化垂直偶极子馈源，馈源大小不足半波长，单馈源口径效率在各频点高达90％以上。馈源采用了一种特有的布阵形式，排布在龙伯透镜表面，用强度高、损耗低的ABS支架固定，实现了高增益、宽角扫描与多波束。
鉴于本发明的龙伯透镜有上述的优点，发明人将其用于井盖天线之中，并联合井盖一起进行优化设计，并考虑各个安装固定保护件的影响，设计出了一种井盖天线，该井盖天线隐蔽性良好，且节省了地面空间，非常适合用于5G通信上。相比于以前公开的井盖天线，该井盖天线具有高增益、宽角扫描与同时多波束的优点。
发明内容
本发明鉴于上述技术背景及要求，提出了一种基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线。具体来说，天线工作在1.86GHz-2.675GHz频段，龙伯透镜分为两层结构，采用径向开锥形孔的方式等效所需的介电常数，并用3D打印技术加工，共有64个馈源，其中单方向有4*4个馈源，沿4个方向对称分布，呈球面分布在龙伯透镜的表面，并用强度高、损耗低的ABS支架固定。该天线在单方向能实现方位面-20°～20°扫描，俯仰面35°～80°扫描，沿4个方向对称分布，其中每个方向均能实现上述扫描，实现了半空间的宽角扫描与大范围波束覆盖。龙伯透镜天线安装于特制井盖之下，特制井盖分为三层，按电磁波在分层介质中的传播理论来设计，保证了其最大透射系数。除此之外，在龙伯透镜天线周围安装有ABS上盖与ABS下盖，起保护龙伯透镜天线的作用，使其防潮、防水、防磨损，增加了天线的可靠性。钢框架、玻璃钢下侧板、井座以及球体支撑块为固定与支撑保护结构，这些结构增加了系统的稳定性与可靠性。钢底板用以增大波束的前后比，并减少了天线产生的电磁波对后端集成设备的影响。将井盖、透镜天线以及其余安装保护件在商用电磁仿真软件Ansys HFSS中进行建模仿真，结果显示该井盖天线在高频(2.675GHz)的各扫描波束的增益为16dBi～19dBi，低频(1.86GHz)的各扫描波束的增益为13dBi～15.5dBi。在1.86GHz～2.675GHz范围内，64个馈源端口的驻波比均小于1.8。
等效媒质理论是一种关于混合介质材料电磁特性的宏观等效理论。按照不同比例
混合不同电磁特性的材料可以让混合后的材料具有期望的电磁特性。在本发明的龙伯透镜天线的设计过程中，采用A-BG等效媒质理论来进行等效，实现所需的等效介电常数。其计算公式如下：
Figure BDA0003071148970000031
其中εeff为混合材料的等效介电常数，εi为填充材料的介电常数，这里填充材料为空气，因此εi＝1，εh为基底材料的介电常数，p为填充材料体积占整个混合材料体积的体积比分数。
本发明的龙伯透镜分为两层结构，采用径向开锥形孔的方式等效所需的介电常数，并用3D打印技术加工。为了保证等效媒质理论的有效性，孔径大小一般控制在十分之一波长以下。
本发明突出的创新之处在于设计了一款两层结构的用3D打印技术加工的龙伯透镜天线，将其用于井盖天线之中，并将井盖也作为设计的一部分，井盖分为3层，用优化算法优化出各层的介电常数大小及厚度，使其在各扫描角、各特征频点有最优的透射性能，并将井盖、透镜天线以及其余安装保护件一并在商用电磁仿真软件Ansys HFSS中进行建模并仿真，结果显示了很好的性能，解决了井盖天线增益低、扫描角度小等难题，使得该井盖天线能很好地应用于5G通信中。
本发明的另一特点是采用了小型化的垂直偶极子馈源，馈源尺寸不足半波长，很好地降低了扫描时馈源的遮挡效应，且该馈源的带宽较宽，仿真显示在1.86GHz-2.675GHz所有端口(64个端口)的驻波均小于1.8，相对带宽达36％，比一般微带天线作为馈源的带宽高得多。馈源还采取了一种特有的球面布阵形式，即单方向有4*4个馈源，沿4个方向对称分布，单方向能实现方位面-20°～20°扫描，俯仰面35°～80°扫描，4个方向均能实现该扫描，这样波束能覆盖地面方向以及高层楼宇。馈源损耗低的ABS支架固定，并且强度高，具有稳定性。
本发明实施方式是垂直偶极子馈源天线辐射的电磁波入射到3D打印加工的球龙伯透镜上，经过龙伯透镜与分层井盖的折射，在出射口径面上形成幅度与相位均匀的电磁波，于是在远场形成高增益的窄波束。单个馈源激励时，俯仰面波束宽度约为15°，方位面波束宽度约为14°。通过依次激励相应馈源，可在俯仰面与方位面进行宽角扫描。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：显著提高了井盖天线的增益与扫描角度，天线造价成本低廉，无需T/R组件即可实现宽角扫描，并且能同时产生多波束，非常适合应用于5G通信上。
附图说明
图1为本发明基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线的结构示意图；
图2为本发明基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线的分解图；
图3为本发明采用的三层井盖的分层示意图；
图4为本发明采用小型化垂直偶极子馈源(正面与背面)结构示意图；
图5为本发明基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线的龙伯透镜部分(包括64个馈源)的正视图和俯视图；
图6为本发明井盖天线的单方向16个馈源的无源驻波比；
图7为本发明井盖天线俯仰面上单方向4个馈源依次激励时在俯仰面形成的4个波束交叠的低频方向图；
图8为本发明井盖天线俯仰面上单方向4个馈源依次激励时在俯仰面形成的4个波束交叠的高频方向图；
图9为本发明井盖天线在俯仰角为80°的方位面上单方向4个馈源依次激励时在方位面形成的4个波束交叠的低频方向图；
图10为本发明井盖天线在俯仰角为80°的方位面上单方向4个馈源依次激励时在方位面形成的4个波束交叠的高频方向图；
图11为本发明井盖天线实际装配单方向俯仰面与方位面波束覆盖示意图。
具体实施方案
图1和图2详细地描述了基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线设计结构图。依图示描述，此装置主要包括用玻璃钢材料制作的分层井盖(1)、球龙伯透镜天线(2)、井座(3)、垂直偶极子馈源球面阵(4)、钢框架(5)、玻璃钢下侧板(6)、ABS上盖(7)、ABS下盖(8)、球体支撑块(9)、固定馈源的ABS支架(10)、钢底板(11)，其中球龙伯透镜天线(2)分为两层，根据优化算法优化每层的介电常数与厚度，使其增益达到最优值，并根据A-BG等效媒质法则采用径向开锥形孔的方式等效各层所需的介电常数，并用3D打印技术制作。垂直偶极子馈源天线具有具有波瓣宽、低交叉极化和宽带特性，带宽比一般微带天线高得多，且能够对龙伯透镜进行有效均匀地照射，使得该龙伯透镜天线有高的口径效率，且具有较小的尺寸，小于半个工作波长，这有利于减小俯仰面大角度扫描时馈源的遮挡效应。井盖(1)成方形结构，镶嵌在井座(3)上，分为三层，第一层与第三层用同样介电常数的玻璃钢材质制成，中间层用另一种介电常数的玻璃钢材质制成，并通过优化算法优化出各层的介电常数大小及厚度，使其在各扫描角、各特征频点有对平面电磁波最优的透射性能，玻璃钢材料所需的介电常数可通过混合材料工艺实现，中间层是骨架，第一层与第三层镶嵌固定在骨架上。64个垂直偶极子馈源组成垂直偶极子馈源球面阵(4)呈球面分布在龙伯透镜(2)的表面，其中单方向有4*4个馈源，沿4个方向对称分布。垂直偶极子馈源球面阵(4)用特制的ABS支架(10)固定，ABS支架(10)的相应位置涂敷有金属，馈源以焊接的形式焊接在该金属上。龙伯透镜(2)用尼龙制成的球体支撑块(9)支撑与固定，龙伯透镜(2)用强力胶粘在球体支撑块(9)上。ABS上盖(7)与ABS下盖(8)包裹着球龙伯透镜(2)，分别固定在井盖(1)与井座(3)上，起保护球龙伯透镜(2)的作用，使其防潮、防水、防磨损，增加了天线的可靠性，并且对天线的辐射性能影响较小。为增加结构的整体强度，提高系统的稳定性与可靠性，还设计了一钢框架(5)，支撑井座(3)，并有玻璃钢下侧板(6)固定在钢框架(5)上，钢框架(5)底部还焊有钢底板(11)，增大了波束的前后比，并减少了天线产生的电磁波对后端集成设备的影响。
图3描述了井盖的具体分层设计结构，从图中可以看出井盖分为三层，其中中间层是骨架，第一层与第三层镶嵌固定在骨架上。
图4描述了垂直偶极子馈源的设计结构，采用FR4介质板，正面印刷着偶极子贴片，偶极子贴片两旁印刷有长条形的寄生贴片，用用拓宽波束宽度以及增加带宽，背面印刷着巴伦，介质板垂直焊接在铝地板上，并用同轴馈电，该馈源天线带宽较宽，增大了信道容量。
图5展示了3D打印龙伯透镜(2)的具体结构，以及64个馈源的排布方式，从图中可以看出，单方向有4*4个馈源，沿4个方向对称分布，单方向4*4馈源沿方位面间隔13°分布，沿俯仰面间隔15°分布。
图6为该井盖天线中单方向16个馈源分别激励时的电压驻波比，可以看出在工作频段1.86GHz-2.675GHz内天线馈源的驻波系数均小于1.8。
图7和图8为该井盖天线俯仰面上单方向4个馈源依次激励时在俯仰面形成的4个波束交叠的低频与高频的方向图，可以看出低频时各扫描波束的增益为13dBi～15.5dBi，高频时各扫描波束的增益为16dBi～19dBi。
图9和图10为该井盖天线在俯仰角为80°的方位面上单方向4个馈源依次激励时在方位面形成的4个波束交叠的低频与高频的方向图，可以看出低频时各扫描波束的增益均约为13dBi，高频时各扫描波束的增益均约为16dBi。
图11为该井盖天线实际装配单方向俯仰面与方位面波束覆盖示意图，可以看出该井盖天线的波束在俯仰面覆盖了地面方向及高层楼宇，方位面覆盖了四周方向，实现了宽角扫描。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (7)

1.基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线，应用于5G通信，其基本结构包括：用玻璃钢材料制作的分层井盖(1)、球龙伯透镜(2)、井座(3)、垂直偶极子馈源球面阵(4)、钢框架(5)、玻璃钢下侧板(6)、ABS上盖(7)、ABS下盖(8)、球体支撑块(9)、固定馈源的ABS支架(10)、钢底板(11)，所述球龙伯透镜(2)采用径向打孔的方式等效各层所需的介电常数，并用3D打印技术制作，所述垂直偶极子馈源球面阵(4)由64个垂直偶极子馈源组成，其中单方向有4*4个馈源，沿4个方向对称分布，呈球面分布在球龙伯透镜(2)的表面，并焊接在ABS支架(10)上，ABS支架(10)焊接在ABS下盖(8)上，球体支撑块(9)焊接在ABS支架(10)上，球龙伯透镜(2)用强力胶粘在球体支撑块(9)上，ABS上盖(7)与ABS下盖(8)固定在井盖(1)与井座(3)上，井盖(1)镶嵌在井座(3)上，钢框架(5)支撑井座(3)与玻璃钢下侧板(6)，钢底板(11)焊接在钢框架(5)上；所述井盖(1)成方形结构，分为三层，第一层与第三层用同样介电常数的玻璃钢材质制成，中间层用另一种介电常数的玻璃钢材质制成，并通过优化算法优化出各层的介电常数大小及厚度，使其在各扫描角、各特征频点有对平面电磁波最优的透射性能，玻璃钢材料所需的介电常数可通过混合材料工艺实现。
2.根据权利要求1所述的基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线，其特征还在于天线采用龙伯透镜天线的形式，通过优化算法设计透镜各层介电常数分布，以最大化透镜增益，实际加工采用尼龙材料，并根据A-BG等效媒质法则沿径向打均匀孔，实现所需的等效介电常数，并用3D打印技术加工。
3.根据权利要求1所述的基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线，其特征还在于馈源采用具有宽带特性的小型化垂直偶极子天线，各端口VSWR<2带宽可达36％，64个馈源组成球面阵，其中单方向有4*4个馈源，沿4个方向对称分布，呈球面分布在球龙伯透镜的表面。
4.根据权利要求1所述的基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线，其特征还在于馈源用特制的ABS支架(10)固定，ABS支架(10)的相应位置涂敷有金属，馈源以焊接的形式焊接在该金属上。
5.根据权利要求1所述的基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线，其特征还在于采用ABS上盖(7)与ABS下盖(8)。
6.根据权利要求1所述的基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线，其特征还在于用尼龙制成的球体支撑块(9)，龙伯透镜用强力胶粘在球体支撑块(9)上，以固定球龙伯透镜。
7.根据权利要求1所述的基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线，其特征还在于采用了钢底板(11)。
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