CN113381197A - 一种分块式透镜天线及通信设备 - Google Patents

一种分块式透镜天线及通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种分块式透镜天线及通信设备，通过设置介质透镜的高度沿两个维度的方向变化，且两个维度相互垂直，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，需要通过高度不均匀的介质透镜后才能向外侧辐射，而由于介质透镜具有不均匀的高度，从而能够对不同位置的电磁波施加不同程度的相位延迟，使得在介质透镜表面不同位置上射出的电磁波具有相同的相位，而同相位相加增加了天线的定向增益，从而实现在不影响阵列天线辐射的波束方向的条件下，实现多角度扫描功能。

Description

一种分块式透镜天线及通信设备
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及一种分块式透镜天线及通信设备。
背景技术
透镜天线是一种能够改变通过的电磁波波束面的天线，其在多种无线通信系统中有着广泛应用。然而，虽然通过增加透镜能够将辐射的量能汇聚，但为了实现某一特定角度的高增益，如需要提高角度方向为θ＝0°的增益，会必然导致其他角度上的增益减少。这使得原本具有扫描功能的阵列天线在增加了介质透镜结构后，可能会失去多角度的扫描功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种分块式透镜天线，在不影响阵列天线辐射的波束方向的条件下，实现多角度扫描功能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种分块式透镜天线，包括介质透镜、底座、微带辐射单元和透镜支架；
所述介质透镜的高度沿两个维度的方向变化，两个维度相互垂直；
所述介质透镜与所述透镜支架的一端连接；
所述透镜支架的另一端与所述底座连接；
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，包括上述分块式透镜天线。
本发明的有益效果在于：通过设置介质透镜的高度沿两个维度的方向变化，且两个维度相互垂直，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，需要通过高度不均匀的介质透镜后才能向外侧辐射，而由于介质透镜具有不均匀的高度，从而能够对不同位置的电磁波施加不同程度的相位延迟，使得在介质透镜表面不同位置上射出的电磁波具有相同的相位，而同相位相加增加了天线的定向增益，从而实现在不影响阵列天线辐射的波束方向的条件下，实现多角度扫描功能。
附图说明
图1为本发明实施例的一种分块式透镜天线透镜结构示意图；
图2为本发明实施例的一种分块式透镜天线天线阵列结构示意图；
图3为本发明实施例的一种分块式透镜天线Y轴方向侧视图；
图4为本发明实施例的一种分块式透镜天线X轴方向侧视图；
图5为本发明实施例的一种分块式透镜透镜相位分布图；
图6为本发明实施例的一种分块式透镜天线与无透镜天线增益对比图；
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、介质柱；6、插接孔；7、插接柱。
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2，一种分块式透镜天线，其特征在于，包括介质透镜、底座、微带辐射单元和透镜支架；
所述介质透镜的高度沿两个维度的方向变化，两个维度相互垂直；
所述介质透镜与所述透镜支架的一端连接；
所述透镜支架的另一端与所述底座连接；
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：通过设置介质透镜的高度沿两个维度的方向变化，且两个维度相互垂直，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，需要通过高度不均匀的介质透镜后才能向外侧辐射，而由于介质透镜具有不均匀的高度，从而能够对不同位置的电磁波施加不同程度的相位延迟，使得在介质透镜表面不同位置上射出的电磁波具有相同的相位，而同相位相加增加了天线的定向增益，从而实现在不影响阵列天线辐射的波束方向的条件下，实现多角度扫描功能。
进一步地，所述介质透镜由多个高度不等的介质柱组成；
多个所述介质柱的一侧拼接形成平面；
多个所述介质柱的另一侧在预设第一维度上具有高度变化，且多个所述介质柱的所述另一侧在预设第二维度上具有高度变化。
由上述描述可知，通过多个高度不等的介质柱组成介质透镜，并且介质柱的另一侧在预设第一维度和预设第二维度均存在高度变化，使得微带辐射单元辐射出的电磁波沿预设第一维度上的相位经过介质透镜后具有相同的第一维度相位，同时，电磁波沿预设第二维度上的相位经过介质透镜后具有相同的第二维度相位，实现第一维度相位和第二维度相位同时改变，增大了透镜天线的辐射增益。
进一步地，具有所述高度变化的所述介质柱形成预设数量的相位变化区；
每一所述相位变化区对应所述微带辐射单元的一个扫描角度。
由上述描述可知，通过使不同区域的介质柱具有不同的高度变化，使得介质透镜上形成多块不同的相位变化区，并将每一相位变化区对应微带辐射单元的一个扫描角度，从而能够针对性的将多个需要扫描的角度辐射增益同时增强，更精确的实现多角度扫描功能。
进一步地，所述介质柱为正四棱柱；
所述介质柱的边长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为正四棱柱，且介质柱的边长为电磁波中心波长的一半，从而更有利于电磁波在介质柱内传播，并减少了电磁波在介质柱内的传播损耗。
进一步地，所述介质透镜的长度与宽度大于所述微带辐射单元辐射出的电磁波的-10dB波束宽度。
由上述描述可知，通过将介质透镜的尺寸大于微带辐射单元辐射出的电磁波的-10dB波束宽度，从而使得介质透镜能够大范围的覆盖微带辐射单元所辐射出的电磁波，避免了由于覆盖面积小导致天线增益降低等问题。
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，从而更容易实现多角度的扫描。
进一步地，所述相控阵列辐射单元为4×4天线阵列。
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4×4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，所述底座靠近所述透镜支架的一侧设置有凹槽；
所述微带辐射单元设置在所述凹槽内。
由上述描述可知，通过将微带辐射单元设置在底座的凹槽内，从而使得底座对微带辐射单元起到保护作用，不容易损坏，提高设备稳定性。
本发明另一实施例提供了一种通信设备，包括上述分块式透镜天线。
上述分块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和图2，一种分块式透镜天线，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的高度沿两个维度的方向变化，两个维度相互垂直；所述介质透镜1与所述透镜支架4的一端连接；所述透镜支架4的另一端与所述底座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；所述介质透镜1能够采用3D打印技术一体化制作；并且离体式透镜结构相比于龙伯透镜、椭球形透镜、集成透镜高度更低，介质材料对电磁波引入的损耗更小，成本更低；
其中，所述介质透镜1由多个高度不等的介质柱5组成；多个所述介质柱5的一侧拼接形成所述平面；多个所述介质柱5的另一侧在预设第一维度上具有高度变化，且多个所述介质柱5的所述另一侧在预设第二维度上具有高度变化；通过两个方向的高度变化形成高度不均匀的所述介质透镜1；其中，所述介质柱5可以是圆柱、正四棱等柱体，通过改变柱体的高度调整入射电磁波的相位，并且，因为电磁波入射面为所述平面，所以柱体性状影响较小；
具体的，所述介质透镜1的投影呈矩形，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；则所述预设第一维度可以是沿x轴的方向，所述预设第二维度可以是沿y轴的方向；如图3和4所示，所述介质柱5沿x轴方向具有高度变化，并且沿y轴方向也具有高度变化；通过x轴方向和y轴方向的高度同时变化使得穿过所述介质柱5后的电磁波具有相同相位，增大天线辐射增益；同时，由于采用多个所述介质柱5来延迟电磁波的辐射相位，并且电磁波在介质透镜中的波长小于空气中的波长，因此相比与集成式透镜通过介质透镜来传播电磁波的方式，分块式透镜具有更低的剖面高度，降低了电磁波在介质中传播的损耗；但由于分块式透镜与天线阵列之间存在一个透镜焦距的距离，因此分块式透镜天线的整体高度会大于集成式透镜天线；
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6；所述介质透镜1的平面一侧的四周设置有环绕所述介质透镜1边框；所述介质边框上设置有所述插接孔6；所述透镜支架4上设有与所述插接孔6对应的插接柱7；所述插接柱7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
本实施例与实施例一的不同在于，限定了介质柱5的具体结构以及高度变化方式；
请参照图1，所述介质柱5为正四棱柱；所述介质柱5的边长为所述微带辐射单元3辐射出的电磁波中心波长的一半；具有所述高度变化的所述介质柱5形成预设数量的相位变化区；每一所述相位变化区对应所述微带辐射单元3的一个扫描角度，以所述相控阵列辐射单元对所述介质柱5的高度变化进行具体说明：
当阵列天线辐射的波束扫描到不同的角度时，阵列的相位中心位置会产生一定的变化，根据该变化后的相位中心位置以及此时阵列波束照射到透镜上的范围来决定此时所述介质透镜1上的相位分布；并且，由于阵列天线的波束宽度相对单体天线波束宽度较窄，因此阵列天线扫描到对应的角度时，对对应的角度区域以外的区域影响较小，能够单独调整当前角度对应区域的相位分布，从而满足当前扫描角度下增益提升的需求；而所述介质透镜1由多个所述介质透镜1构成，使得透镜凸面上的相位分布如同像素点图；其中每一个点就对应一个相位单元即一个所述介质柱5；通过调整所述介质柱5的高度就能够实现对电磁波相位的调控；所述介质柱5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；并且，为了使所述介质透镜1的尺寸大于所述微带辐射单元3辐射出的电磁波的-10dB波束宽度；多个所述介质柱5形成的平面宽度和长度也需要大于所述微带辐射单元3辐射出的电磁波的-10dB波束宽度；形成如图5所示的相位分布图；
请参照图5，本实施例中所述介质透镜1被划分为9个区域，每一个区域对应一个阵列天线的扫描角度，且不同区域所对应的扫描角度不同，实现即(Phi，Theta)＝(0,0)、(0,28)、(45,28)、(90,28)、(135,28)、(180,28)、(225,28)、(270,28)和(315,28)这九个方向的角度扫描；从图6的增益对比中可以看出，在0deg等多个点的增益都大于透镜天线无透镜天线，本实施例中的天线增益明显高于无透镜的天线。
实施例三
一种通信设备，包括实施例一或二中所述一种分块式透镜天线。
综上所述，本发明提供的一种分块式透镜天线及通信设备，通过多个高度不等的介质柱组成介质透镜，介质柱的一侧拼接形成平面，介质柱的另一侧同时在预设第一维度和预设第二维度上具有高度变化形成高度不均的凸面，且具有高度变化的介质柱形成预设数量的相位变化区，使得每一相位变化区对应微带辐射单元的一个扫描角度；再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，需要通过对应的相位变化区才能从透镜辐射出去，从而能够对不同位置的电磁波施加不同程度的相位延迟，使得在介质透镜表面不同位置上射出的电磁波具有相同的相位，而同相位相加增加了天线的定向增益，从而实现在不影响阵列天线辐射的波束方向的条件下，实现多角度扫描功能。
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)

1.一种分块式透镜天线，其特征在于，包括介质透镜、底座、微带辐射单元和透镜支架；
所述介质透镜的高度沿两个维度的方向变化，两个维度相互垂直；
所述介质透镜与所述透镜支架的一端连接；
所述透镜支架的另一端与所述底座连接；
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所述的一种分块式透镜天线，其特征在于，所述介质透镜由多个高度不等的介质柱组成；
多个所述介质柱的一侧拼接形成平面；
多个所述介质柱的另一侧在预设第一维度上具有高度变化，且多个所述介质柱的所述另一侧在预设第二维度上具有高度变化。
3.根据权利要求2所述的一种分块式透镜天线，其特征在于，具有所述高度变化的所述介质柱形成预设数量的相位变化区；
每一所述相位变化区对应所述微带辐射单元的一个扫描角度。
4.根据权利要求1所述的一种分块式透镜天线，其特征在于，所述介质柱为正四棱柱；
所述介质柱的边长为所述微带辐射单元辐射出的电磁波中心波长的一半。
5.根据权利要求1所述的一种分块式透镜天线，其特征在于，所述介质透镜的长度与宽度大于所述微带辐射单元辐射出的电磁波的-10dB波束宽度。
6.根据权利要求1所述的一种分块式透镜天线，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所述的一种分块式透镜天线，其特征在于，所述相控阵列辐射单元为4×4天线阵列。
8.根据权利要求1所述的一种分块式透镜天线，其特征在于，所述底座靠近所述透镜支架的一侧设置有凹槽；
所述微带辐射单元设置在所述凹槽内。
9.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1至8中任意一项所述的分块式透镜天线。
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