CN113381196A - 一种离体式透镜天线及通信设备 - Google Patents

一种离体式透镜天线及通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种离体式透镜天线及通信设备，通过将介质透镜的一侧设置为平面，另一侧设置为高度沿单一维度方向变化的凸面，并通过透镜支架将介质透镜设置在与微带辐射单元距离为介质透镜焦距的位置上，使得电磁波在微带辐射单元与透镜之间传播时能够充分扩散，当传播至介质透镜时，需要通过高度沿单一维度方向变化的凸面后才能向介质透镜外侧辐射，而由于凸面仅在单一维度方向上存在高度差，因此只在单维度方向上改变了电磁波的相位变化，而不改变其他维度方向上电磁波的相位变化，从而在增强天线辐射增益的同时保证了微带辐射单元辐射出的电磁波的波束方向与通过介质透镜后出射的电磁波的波束方向一致，从而实现天线在一维方向上的连续扫描。

Description

一种离体式透镜天线及通信设备
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及一种离体式透镜天线及通信设备。
背景技术
随着5G技术的发展，透镜天线技术适用的领域也不断延展。如通过增加介质透镜提高天线的增益和接收电磁波的面积等作用。然而，常规透镜天线结构的相位分布方式为同心圆结构。这种结构虽然能最大限度利用透镜表面，使得天线口径面积增大从而增加天线增益。但这种透镜天线的波束宽度较窄，不具备一维连续波束扫描能力，因此无法在毫米波领域内广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种离体式透镜天线，实现天线在一维方向上的连续扫描。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种离体式透镜天线，包括介质透镜、底座、微带辐射单元和透镜支架；
所述介质透镜设置在所述透镜支架的一侧；
所述介质透镜的一侧为平面，另一侧为高度沿单一维度方向变化的凸面；
所述透镜支架的另一侧与所述底座连接；
所述微带辐射单元设置在所述底座的一侧，并位于所述底座内；
所述介质透镜到所述微带辐射单元的距离等于所述介质透镜的焦距。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
一种通信设备，包括上述离体式透镜天线。
本发明的有益效果在于：通过将介质透镜设置在透镜支架的一侧，将介质透镜的一侧设置为平面，另一侧设置为高度沿单一维度方向变化的凸面，并通过透镜支架将介质透镜设置在与微带辐射单元距离为介质透镜焦距的位置上，使得电磁波在微带辐射单元与透镜之间传播时能够充分扩散，当传播至介质透镜时，需要通过高度沿单一维度方向变化的凸面后才能向介质透镜外侧辐射，而由于凸面仅在单一维度方向上存在高度差，因此只在单维度方向上改变了电磁波的相位变化，而不改变其他维度方向上电磁波的相位变化，从而在增强天线辐射增益的同时保证了微带辐射单元辐射出的电磁波的波束方向与通过介质透镜后出射的电磁波的波束方向一致，从而实现天线在一维方向上的连续扫描。
附图说明
图1为本发明实施例的一种离体式透镜天线的透镜结构示意图；
图2为本发明实施例的一种离体式透镜天线的天线阵列结构示意图；
图3为本发明实施例的一种离体式透镜天线的透镜结构沿Y轴方向的侧视图；
图4为本发明实施例的一种离体式透镜天线的透镜结构沿Y轴方向的俯视图；
图5为本发明实施例的一种离体式透镜天线的另一透镜结构示意图；
图6为本发明实施例的一种离体式透镜天线的另一透镜结构示意图的俯视图；
图7为本发明实施例的一种离体式透镜天线的另一透镜结构示意图；
图8为本发明实施例的一种离体式透镜天线的另一透镜结构沿Y轴方向的侧视图；
标号说明：
1、介质透镜；2、底座；3、微带辐射单元；4、透镜支架；5、插接孔；6、插接柱；7、介质柱。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1以及图2，一种离体式透镜天线，包括介质透镜、底座、微带辐射单元和透镜支架；
所述介质透镜设置在所述透镜支架的一侧；
所述介质透镜的一侧为平面，另一侧为高度沿单一维度方向变化的凸面；
所述透镜支架的另一侧与所述底座连接；
所述微带辐射单元设置在所述底座的一侧，并位于所述底座内；
所述介质透镜到所述微带辐射单元的距离等于所述介质透镜的焦距。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过将介质透镜设置在透镜支架的一侧，将介质透镜的一侧设置为平面，另一侧设置为高度沿单一维度方向变化的凸面，并通过透镜支架将介质透镜设置在与微带辐射单元距离为介质透镜焦距的位置上，使得电磁波在微带辐射单元与透镜之间传播时能够充分扩散，当传播至介质透镜时，需要通过高度沿单一维度方向变化的凸面后才能向介质透镜外侧辐射，而由于凸面仅在单一维度方向上存在高度差，因此只在单维度方向上改变了电磁波的相位变化，而不改变其他维度方向上电磁波的相位变化，从而在增强天线辐射增益的同时保证了微带辐射单元辐射出的电磁波的波束方向与通过介质透镜后出射的电磁波的波束方向一致，从而实现天线在一维方向上的连续扫描。
进一步地，所述介质透镜包括多个高度不等的介质柱；
多个所述介质柱的一侧拼接形成所述平面；
多个所述介质柱的另一侧在预设第一维度方向上具有高度变化，通过单一维度方向的高度变化形成高度不均匀的所述凸面。
由上述描述可知，通过多个介质柱的一侧拼接形成平面，另一侧在预设第一维度方向上具有高度变化，从而形成在单一维度方向上具有高度变化的凸面，使得微带辐射单元辐射出的电磁波沿预设第一维度方向上的相位经过介质透镜后具有相同的第一维度方向相位，同时保持电磁波其他维度方向上的相位不变，从而保留辐射出的电磁波在一维方向上具有连续性，并增大了透镜天线沿预设第一维度方向的辐射增益。
进一步地，所述介质柱为圆柱体；相邻所述圆柱体介质柱的侧面相切；
所述圆柱体的半径为所述微带辐射单元辐射出的电磁波中心波长的一半。
由上述描述可知，通过将介质柱的形状设置成圆柱体，将相邻圆柱体介质柱的侧面相切形成在单一维度方向具有高度变化的凸面，并且由于圆柱体之间互相相切使得圆柱体介质柱之间存在缝隙，能够与空气混合形成等效矩形介质柱，从而减少了电磁波与圆柱体介质柱的接触，降低电磁波在介质柱中的损耗，提高介质透镜天线的增益。
进一步地，所述介质透镜包括一体式介质；
所述一体式介质的一侧为平面，另一侧为高度沿单一维度方向变化的凸面。
由上述描述可知，通过一体式介质构成介质透镜的凸面，使得凸面高度在单一维度方向连续变化，使介质透镜天线在单一维度方向上辐射出的电磁波具有更好的连续性，从而更有利于介质透镜天线在一维方向上的连续扫描，增强介质透镜天线的可扫描能力。
进一步地，所述介质透镜的平面朝向所述底座设置；
或所述介质透镜的凸面朝向所述底座设置。
由上述描述可知，通过将介质透镜的平面朝向底座设置，使得电磁波在传播时先通过平面侧再通过凸面侧，从而更方便计算电磁波的相位变化，而将介质透镜的凸面朝向底座设置，使得介质透镜天线的表面为介质透镜的平面侧，因此不仅降低了介质透镜天线的剖面高度，并且将高度不均匀的凸面隐藏在透镜支架内使得介质透镜天线整体更加美观。
进一步地，所述微带辐射单元为相控阵列辐射单元。
由上述描述可知，通过采用相控阵列辐射单元，使得多个天线轮流馈电时，每个天线的相位中心都在不同的位置上，能够实现各个方向的波束，从而更容易实现一维方向上的连续扫描。
进一步地，所述相控阵列辐射单元为m×n天线阵列，其中m和n为大于1的正整数。
由上述描述可知，由于阵列天线的波束宽度相对单天线波束宽度较窄，阵列天线扫描到对应角度时对对应区域外的区域影响较小，因此采用m×n天线阵列作为相控阵列辐射单元可以单独调整对应区域相位分布，满足对应角度下增益提升的需要。
进一步地，所述介质透镜的一侧还设置有插接孔；
所述透镜支架上设有与所述插接孔对应的插接柱。
由上述描述可知，通过在介质透镜的平面一侧设有插接孔，并在透镜支架上设有与插接孔对应的插接柱，使得介质透镜和透镜支架更容易装配，简化天线整体结构。
本发明另一实施例提供了一种通信设备，包括上述离体式透镜天线。
上述离体式透镜天线能适用于5G毫米波通信系统的设备中，如客户终端设备(Customer Premise Equipment，CPE)，以下通过具体的实施方式进行说明：
实施例一
请参照图1及图2，一种离体式透镜天线，包括介质透镜1、底座2、微带辐射单元3和透镜支架4；所述介质透镜1设置在所述透镜支架4的一侧；所述介质透镜1的一侧为平面，另一侧为高度沿单一维度方向变化的凸面；所述透镜支架4的另一侧与所述底座2连接；所述微带辐射单元3设置在所述底座2的一侧，并位于所述底座2内；所述介质透镜1到所述微带辐射单元3的距离等于所述介质透镜1的焦距；所述底座2靠近所述透镜支架4的一侧设置有凹槽；所述微带辐射单元3设置在所述凹槽内；
请参照图1至图4，本实施例中所述介质透镜1由一体式介质构成，所述一体式介质一侧为平面，另一侧为高度沿单一维度方向变化的凸面；具体的，所述介质透镜1的平面侧形成矩形，以所述矩形的两个直角边分别作为y轴与x轴建立直角坐标系；则所述凸面沿x轴维度方向上具有高度变化，而沿y轴维度方向上凸面高度不存在变化；通过只改变x轴方向上的相位变化，而保留y轴方向上的相位，从而使得电磁波的波束方向不受到影响，并且由于电磁波在x轴方向上存在相位变化因此增加了天线沿x轴方向的辐射增益，实现介质透镜1天线在一维方向上的连续扫描，如0°至30°的角度连续扫描；由于目前用于3D打印的介质材料其材料损耗相对偏高，不适合一体式连续性介质透镜1的制作，若存在适合的材料，则也能够采用3D打印技术实现；因此目前采用注塑加工生成；
其中，为了实现介质透镜1与透镜支架4的连接：所述介质透镜1的一侧还设置有插接孔5；所述介质透镜11的平面一侧沿x轴方向的两个侧边上设有连接边框；所述连接边框上设有所述插接孔5；所述透镜支架4上设有与所述插接孔5对应的插接柱6；所述插接柱6的高度能够根据所述介质透镜1的焦距进行调节，从而使得所述介质透镜1到所述微带辐射单元3的距离为一个所述介质透镜1焦距的距离；
其中，所述微带辐射单元3为相控阵列辐射单元，在一个可选的实施方式中，本实施例所述相控阵列辐射单元为4×4天线阵列；所述4×4天线阵列设置在所述底座2的凹槽内；采用4×4天线阵列，能够实现多个天线轮流馈电时，每个天线的相位中心都在不同的位置上，能够更容易的实现各个方向的波束，从而达到最佳的辐射效果。
实施例二
本实施例与实施一的不同在于，本实施例限定了透镜的组成方式；
请参照图5，所述介质透镜1包括多个高度不等的介质柱7；多个所述介质柱7的一侧拼接形成所述平面；多个所述介质柱7的另一侧在预设第一维度方向上具有高度变化，通过单一维度方向的高度变化形成高度不均匀的所述凸面；
具体的，请参照图6，所述介质柱7为圆柱体；相邻所述圆柱体介质柱7的侧面相切；多个所述圆柱体的一侧处于同一平面上，且多个所述圆柱体的另一侧形成所述单一维度方向的高度变化；所述圆柱体介质柱7沿x轴方向上具有不同的高度变化，其中每一个所述圆柱体介质柱7就对应一个相位单元；通过调整所述圆柱体介质柱7的高度就能够实现对电磁波相位的调控；所述介质柱7的实际高度根据电磁波达到透镜表面时的相位延迟来决定；从而实现如0°至30°的角度连续扫描；并且，采用所述圆柱形介质柱7互相相切，可以等效于增加了空气间隙，减少电磁与介质材料的接触，从而降低了电磁波在介质内的传播损耗，提高透镜天线增益；
同时，为了达到更好的扫描效果，将所述圆柱体的半径为所述微带辐射单元3辐射出的电磁波中心波长的一半。
实施例三
本实施例与实施例一或二的不同在于，限定了透镜凸面的方向；
在一种可选的实施方式中，请参照图1和图5，所述介质透镜1的平面朝向所述底座2设置；如实施例一与实施二中将透镜天线的凸面设置在远离所述底座2的一侧；
在另一种可选的实施方式中，请参照图7和图8，所述介质透镜1的凸面朝向所述底座2设置；具体的，以实施例二中所述圆柱体介质柱7为例；所述圆柱体介质柱7沿x轴方向上具有不同的高度变化的同时，其高度变化的方向为朝向z轴的负半轴方向，即朝向所述底座2延伸；而将所述圆柱体介质柱7的高度方向沿z轴负半轴变化，使得高度不均匀的所述圆柱体介质柱7和空气混合形成等效矩形介质层；而所述等效矩形介质层的介电常数介于所述圆柱介质柱7的介电常数和空气的介电常数之间，使所述微带辐射单元3辐射出电磁波进入空气后在通过所述等效矩形介质层后再进入所述圆柱体介质柱7，所述等效矩形介质层构成介质缓冲层，降低了电磁波在传播过程中的反射损耗，提升了介质透镜天线的增益；若所述介质柱7采用正四棱柱，则通过正四棱柱构成的所述介质透镜1的凸面会导致电磁波斜入射反射增大降低透镜天线的辐射增益，因而采用圆柱体使辐射效果达到最优。
实施例四
一种通信设备，包括实施例一、实施例二或实施例三中任意所述一种离体式透镜天线。
综上所述，本发明提供的一种离体式透镜天线及通信设备，通过将介质透镜的一侧设置为平面，另一侧设置为高度沿单一维度方向变化的凸面，只在单一维度方向上改变了电磁波的相位变化，而不改变其他维度方向上电磁波的相位变化，从而在增强天线辐射增益的同时保证了微带辐射单元辐射出的电磁波的波束方向与通过介质透镜后出射的电磁波的波束方向一致，实现天线在一维方向上的连续扫描；并且，当采用一体式介质材料构成具有连续凸面的透镜时，能够增强透镜天线的连续角度扫描功能；而当采用圆柱形介质柱构成离散凸面时，能够减少天线辐射在介质中的传播损耗，并且将圆柱形介质柱的高度变化方向改变为沿底座方向时，使得高度不均匀变化的圆柱形介质柱形成防辐射反射结构，增强了天线的辐射增益，具有多种不同的透镜结构方式，更有利于透镜天线实现一维方向上的角度连续扫描，并且提高透镜天线的适应性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种离体式透镜天线，其特征在于，包括介质透镜、底座、微带辐射单元和透镜支架；
所述介质透镜设置在所述透镜支架的一侧；
所述介质透镜的一侧为平面，另一侧为高度沿单一维度方向变化的凸面；
所述透镜支架的另一侧与所述底座连接；
所述微带辐射单元设置在所述底座的一侧，并位于所述底座内；
所述介质透镜到所述微带辐射单元的距离等于所述介质透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种离体式透镜天线，其特征在于，所述介质透镜包括多个高度不等的介质柱；
多个所述介质柱的一侧拼接形成所述平面；
多个所述介质柱的另一侧在预设第一维度方向上具有高度变化，通过单一维度方向的高度变化形成高度不均匀的所述凸面。
3.根据权利要求2所述的一种离体式透镜天线，其特征在于，所述介质柱为圆柱体；相邻所述圆柱体介质柱的侧面相切；
所述圆柱体的半径为所述微带辐射单元辐射出的电磁波中心波长的一半。
4.根据权利要求1所述的一种离体式透镜天线，其特征在于，所述介质透镜包括一体式介质；
所述一体式介质的一侧为平面，另一侧为高度沿单一维度方向变化的凸面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种离体式透镜天线，其特征在于，所述介质透镜的平面朝向所述底座设置；
或所述介质透镜的凸面朝向所述底座设置。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的一种离体式透镜天线，其特征在于，所述微带辐射单元为相控阵列辐射单元。
7.根据权利要求6所述的一种离体式透镜天线，其特征在于，所述相控阵列辐射单元为m×n天线阵列，其中m和n为大于1的正整数。
8.根据权利要求4所述的一种离体式透镜天线，其特征在于，所述介质透镜还设置有插接孔；
所述透镜支架上设有与所述插接孔对应的插接柱。
9.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1至8中任意一项所述的离体式透镜天线。
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