CN113471682A - 一种透镜天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透镜天线，包括：若干个介电环单元，每个介电环单元均包括第一介电环和第二介电环，第一介电环与第二介电环同心嵌套，且第一介电环的直径大于第二介电环；若干介电环单元堆叠成球形透镜天线，球形透镜天线包括若干种不同直径的介电环单元，介电环单元的直径由球形透镜天线的中心向球形透镜天线的两侧逐渐减小。本发明实施例由多层不同半径的介电环单元堆叠构成球形透镜天线，通过梯度介电常数分布使得透镜天线的介电常数分布逼近理想介电常数分布，其堆叠结构能够有效降低透镜天线的结构复杂度，从而有利于降低透镜天线的制造难度以及制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及一种透镜天线。
背景技术
目前，无线通信是以无线电或电磁波为载体在空间进行信息交换的远距离传输通信方式，无线通信技术的发展极大促进了天线技术的革新，尤其是基站天线。基站天线最初为全向天线，而后逐步出现定向天线、双极化天线等；基站天线向着宽带化、小型化、分集化发展，同时使用技术不断增多，如电调技术、分集技术。4G通信系统(4th-generationmobile networks)的全面覆盖和5G通信系统(5th-generation mobile networks)的迅猛发展对基站天线提出了更高的性能要求，如高隔离度、多波束、波束扫描，同时为了实现一副天线多种制式，多波束成为基站天线的新发展趋势。
透镜天线是利用自身的光学聚焦特性，将点源或线源产生的柱面波前或球面波前转换为等相位波束的天线。其中，龙伯透镜具有几何轴对称特性和良好的波束聚焦性能，可以将任意方向的入射波汇聚在球面上，也可以将从球面或近球面某点辐射出的球面波转化为平面波，出射波束一致性好。随着5G技术的发展，龙伯透镜天线因其多波束特性和波束扫描功能非常适用于5G关键技术Massive MIMO，将在无线通信基站中取得广泛应用。
现有的透镜天线存在结构复杂的问题，导致制造难度以及制造成本较大。
发明内容
本发明提供一种透镜天线，以解决现有的透镜天线结构过于复杂，导致制造难度以及制造成本较大的技术问题。
本发明实施例提供了一种透镜天线，包括：
若干个介电环单元，每个所述介电环单元均包括第一介电环和第二介电环，所述第一介电环与所述第二介电环同心嵌套，且所述第一介电环的直径大于所述第二介电环；
若干所述介电环单元堆叠成球形透镜天线，所述球形透镜天线包括若干种不同直径的介电环单元，所述介电环单元的直径由所述球形透镜天线的中心向所述球形透镜天线的两侧逐渐减小。
进一步的，所述透镜天线还包括若干个第一固定件，所述透镜天线的0°、60°、120°、180°、240°、300°六个方向上均设置有至少一个所述第一固定件。
进一步的，每一所述介电环单元中的第一介电环和第二介电环设置在同一平面上，且所述第一介电环与所述第二介电环的高度及厚度相同。
进一步的，每一所述介电环单元均为聚四氟乙烯介电环单元。
进一步的，所述透镜天线还包括馈电单元，所述馈电单元设置在所述透镜天线的边缘。
进一步的，所述馈电单元为开口波导馈电单元。
进一步的，每一所述介电环单元包括介质基底和填充介质，所述介质基底为空气，所述填充介质为聚四氟乙烯。
进一步的，采用3D打印技术中的光固化成型工艺制备所述透镜天线。
本发明实施例由多层不同半径的介电环单元堆叠构成球形透镜天线，不同半径的介电环单元形成梯度介电常数分布，通过梯度介电常数分布逼近理想介电常数分布，从而能够有效降低透镜天线的结构复杂度，有利于降低制造难度以及制造成本；本发明实施例采用聚四氟乙烯作为介电环单元的填充介质，能够实现1.0-2.0范围内的低介电常数分布，无需通过复杂的变换光学理论或口径分析法来改变透镜形状或计算相对介电常数，能够在降低透镜天线的结构复杂度的同时，有效提高透镜天线的使用效率；本发明实施例的介电环单元由球形透镜天线的中心向两侧逐渐减小，能够实现介电常数由中心向两侧逐渐减小的对称分布。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种透镜天线的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的介电环单元的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种透镜天线的另一结构示意图；
图4是本发明实施例提供的透镜天线的第一天线增益示意图；
图5是本发明实施例提供的透镜天线的半功率波速宽度示意图；
图6是本发明实施例提供的透镜天线的第二天线增益示意图；
图7是本发明实施例提供的透镜天线的第三天线增益示意图。
其中，说明书附图中的附图标记如下：
10、介电环单元；101、第一介电环；102、第二介电环；20、馈电单元。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
理想龙伯透镜的折射率与介电常数分布为n＝εr 1/2＝[2-(r/R)2]1/2，然而现实中没有符合此介电常数公式的电磁材料，仅可通过梯度介电常数分布逼近理想介电常数分布。同时，低介电常数介质材料(1≤εr≤2)在自然界中也并不常见，但随着等效媒质理论(TheEquivalent Medium Theory)的发展，工业上可以加工出制备龙伯透镜所需的低介电常数介质材料，即向高介电常数材料中掺杂低介电常数材料，这样能得到一种介电常数数值介于二者之间的新材料。根据等效媒质理论，可由基底材料介电常数εh、添加材料介电常数εi和整体等效介电常数(即目标介电常数)εeff计算得出添加材料的体积分数p。
请参阅图1-3，本发明实施例提供了一种透镜天线，包括：
若干个介电环单元10，每个介电环单元10均包括第一介电环101和第二介电环102，第一介电环101与第二介电环102同心嵌套，且第一介电环101的直径大于第二介电环102；
可选地，相邻两个介电环单元之间还可以设置有第一连接件，每一介电环单元中的第一介电环与第二介电环之间设置有第二连接件，其中，第一连接件用于连接相邻两个介电环单元，使得相邻两个介电环单元之间具有相对稳定性，第二连接件用于使得独立的每一介电环单元中的介电环之间具有相对稳定性，第一连接件以及第二连接件共同作用，使得透镜天线整体结构具备稳定性，从而提高透镜天线整体结构的可靠性和稳定性。
若干介电环单元10堆叠成球形透镜天线，球形透镜天线包括若干种不同直径的介电环单元10，介电环单元10的直径由所述球形透镜天线的中心向所述球形透镜天线的两侧逐渐减小。
在本发明实施例中，介电环为圆环体。本发明实施例中，由多个介电环单元10堆叠成的球形透镜天线包括5种不同直径的介电环单元10，且共有16个介电环单元10。根据MATLAB计算可得，球形透镜天线中每一介电环单元10的相对介电常数大小与该介电环单元10的直径成正相关，本发明实施例中球形透镜天线结构包括5种不同半径的介电环单元10，能够实现5层不同介电常数的梯度分布，从而实现通过梯度介电常数分布逼近理想介电常数分布，使得该球形透镜天线接近理想龙伯透镜。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，透镜天线还包括若干个第一固定件，透镜天线的0°、60°、120°、180°、240°、300°六个方向上均设置有至少一个第一固定件。
在本发明实施例中，该透镜天线的六个方向上均设置有第一固定件，能够通过固定件使得透镜天线具有稳定性，使得该透镜天线形成稳定的整体结构。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，每一介电环单元10中的第一介电环101和第二介电环102设置在同一平面上，且第一介电环101与第二介电环102的高度及厚度相同。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，每一介电环单元10均为聚四氟乙烯介电环单元10。
请参阅图3，透镜天线还包括馈电单元20，馈电单元20设置在透镜天线的边缘。
可选地，馈电单元20为开口波导馈电单元20。本发明实施例采用开口波导作为透镜天线的馈电单元20，能够有效实现透镜天线额双极化和精确扫描。在一种具体的实例中，本发明实施例透镜天线的水平面为HPBW≥20°，俯仰面HPBW≥18°。
本发明实施例的透镜天线的工作频段为1710-2170MHz，中心频率为1940MHz，可应用于4G通信基站以及5G通信基站，也可用于桥梁、隧道等其他场景。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，每一介电环单元10包括介质基底和填充介质，介质基底为空气，填充介质为聚四氟乙烯。
可选地，根据A-BG等效媒质理论
规定介质基底为空气，εh＝1；填充介质为聚四氟乙烯，εi＝2.85。
本发明实施例采用聚四氟乙烯作为介电环单元10的填充介质，能够实现介电环单元10在1.0-2.0范围内的低介电常数分布，无需通过复杂的变换光学理论或口径分析法来改变透镜形状或计算相对介电常数，能够在降低透镜天线的结构复杂度的同时，有效提高透镜天线的使用效率。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，采用3D打印技术中的光固化成型工艺制备透镜天线。
可选地，本发明实施例采用光固化成型技术工艺制备透镜天线，能够有效解决龙伯透镜天线制造工艺的问题，不经有效提高透镜天线的制备效率以及制备精度，还能够大幅度降低透镜天线的制备成本。
请参阅图4，本发明实施例提供的透镜天线的增益>14.9dBi，且随频率升高逐渐增加。
请参阅图5，本发明实施例提供的透镜天线的H面和E面的半功率波束宽度大于21°。
请参阅图6，本发明实施例提供的透镜天线在1.71GHz最大增益为15.9dBi，H面HPBW为29.24°，E面HPBW为26.91°。
请参阅图7，本发明实施例提供的透镜天线在2.1GHz最大增益为17.7dBi，H面HPBW为22.95°，E面HPBW为21°。
实施本发明实施例，具有以下有益效果：
本发明实施例由多层不同半径的介电环单元10堆叠构成球形透镜天线，不同半径的介电环单元10形成梯度介电常数分布，通过梯度介电常数分布逼近理想介电常数分布，从而能够有效降低透镜天线的结构复杂度，有利于降低制造难度以及制造成本；本发明实施例采用聚四氟乙烯作为介电环单元10的填充介质，能够实现1.0-2.0范围内的低介电常数分布，无需通过复杂的变换光学理论或口径分析法来改变透镜形状或计算相对介电常数，能够在降低透镜天线的结构复杂度的同时，有效提高透镜天线的使用效率；本发明实施例的介电环单元由球形透镜天线的中心向两侧逐渐减小，能够实现介电常数由中心向两侧逐渐减小的对称分布。
进一步的，本发明实施例的透镜天线适应性广泛，能够作为4G扩容、5G高容量场景覆盖(Sub-6GHz)、5G中等容量场景覆盖(Sub-6GHz)以及高铁、大桥、隧道等特殊场景的通信基站天线。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种透镜天线，其特征在于，包括：
若干个介电环单元，每个所述介电环单元均包括第一介电环和第二介电环，所述第一介电环与所述第二介电环同心嵌套，且所述第一介电环的直径大于所述第二介电环；
若干所述介电环单元堆叠成球形透镜天线，所述球形透镜天线包括若干种不同直径的介电环单元，所述介电环单元的直径由所述球形透镜天线的中心向所述球形透镜天线的两侧逐渐减小。
2.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，还包括若干个第一固定件，所述透镜天线的0°、60°、120°、180°、240°、300°六个方向上均设置有至少一个所述第一固定件。
3.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，每一所述介电环单元中的第一介电环和第二介电环设置在同一平面上，且所述第一介电环与所述第二介电环的高度及厚度相同。
4.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，每一所述介电环单元均为聚四氟乙烯介电环单元。
5.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，还包括馈电单元，所述馈电单元设置在所述透镜天线的边缘。
6.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，所述馈电单元为开口波导馈电单元。
7.如权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，每一所述介电环单元包括介质基底和填充介质，所述介质基底为空气，所述填充介质为聚四氟乙烯。
8.如权利要求1-7任意一项所述的透镜天线，其特征在于，采用3D打印技术中的光固化成型工艺制备所述透镜天线。
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