CN114639967B - 复合型人工介质透镜天线及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种复合型人工介质透镜天线，包括顺次设置的反射板、辐射源和介质透镜，所述介质透镜的靠近所述辐射源的一端为宽度逐渐降低的第一透镜体，所述介质透镜的远离所述辐射源的一端为宽度相同的第二透镜体；所述第一透镜体由表面设有第一辐射体的若干第一基板堆叠而成，所述第一辐射体的尺寸和密度由所述第一基板的中部向外周逐渐降低；所述第二透镜体由表面均匀设有第二辐射体的若干第二基板堆叠而成。该复合型人工介质透镜天线可提高某一方向的无线信号强度，在降低天线基站能耗的同时，还能降低天线的制作成本。

Description

复合型人工介质透镜天线及制作方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体的，涉及一种复合型人工介质透镜天线及制作方法。

背景技术

随着通信系统的频率不断向高频演进，天线基站的建设覆盖面也逐渐增大。然而，传统的天线基站在工作过程中会产生较大的能耗，不符合低碳节能的现行要求，其消耗的电力成本甚至大于通信资费，导致基站的建设不可持续。龙伯透镜能够多次折射电磁波，应用于天线振子上，通过对天线振子所辐射电磁波进行偏折，可使其波束更加集中，因此可用单个辐射振子即可实现阵列天线所能形成的波束宽度，提高某一方向的无线信号强度，从而减小天线基站的能耗。

传统的龙伯透镜天线大多为球形，并且从内而外使用不同介电常数的材料，介电常数由内而外逐渐减小，满足一定的规律，从而可以获得所需的波束集中效果，以及实现高增益、低旁瓣波束的辐射效果。如今随着PCB工艺与新材料技术的成熟发展，克服了之前制造龙伯透镜的困难性与局限性，在实际应用中起到很大的推动作用。龙伯透镜的使用也变的更广泛，现如今采用等效媒质以及变换光学，提出了很多新型的龙伯透镜方案，例如圆柱型、橄榄球型等形状的龙伯透镜，极大程度的使龙伯透镜的体积和重量减小。在实际生产中由于自然界并不存在介电常数连续平滑变化的材料，因此需要采用分层技术，令每层材料的介电常数不同，多层堆叠在一起形成龙伯透镜。具体的，多采用多球壳模型、打孔技术或者发泡技术来获得介电常数的梯度变化趋势，但该些结构形式的龙伯透镜的制造难度大、成本高。

发明内容

本发明是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是提供一种复合型人工介质透镜天线，可提高某一方向的无线信号强度，在降低天线基站能耗的同时，还能降低天线的制作成本。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种复合型人工介质透镜天线，包括：顺次设置的反射板、辐射源和介质透镜，所述介质透镜的一端为宽度向所述辐射源一侧逐渐降低的第一透镜体，所述介质透镜的另一端为宽度相同的第二透镜体；所述第一透镜体由表面设有第一辐射体的若干第一基板堆叠而成，所述第一辐射体的尺寸和分布密度由所述第一基板的中部向外周逐渐降低；所述第二透镜体由表面均匀设有第二辐射体的若干第二基板堆叠而成。

优选地，所述第一基板和第二基板的材料为泡沫胶。

优选地，所述第一辐射体为设在所述第一基板表面的矩形金属片。

优选地，所述第二辐射体包括塑胶基板或树脂基板以及设在其上的若干相互绝缘的金属丝。

优选地，所述第二辐射体为设在所述第二基板表面的矩形结构。

优选地，所述塑胶基板或树脂基板的尺寸为3mm×3mm。

优选地，所述第一透镜体的靠近所述辐射源的一端的截面尺寸为0.5λ×2.5λ；所述第一透镜体的远离所述辐射源的一端的截面尺寸为1.6λ×2.5λ；所述第一透镜体的厚度为1.8λ-2.3λ；λ为辐射入介质透镜内的电磁波的波长。

优选地，所述第一基板和第二基板的厚度为2mm-7mm。

优选地，所述辐射源与所述介质透镜间的距离为0.4λ-0.6λ。

为了实现上述目的，另一方面，本发明提供一种复合型人工介质透镜天线的制作方法，用于制作如上所述的复合型人工介质透镜天线，其包括：

步骤S1、制作若干大小相同的第一基板，将若干第一辐射体按照由内而外尺寸和密度逐渐减小的方式印制或压制在第一基板上，再将若干第一基板堆叠在一起形成第一透镜体，之后裁切第一透镜体使其宽度由一端向另一端逐渐增加；

步骤S2、制作若干大小相同的第二基板和若干大小相同的第二辐射体，将若干第二辐射体均匀地印制或压制在第二基板上，再将若干第二基板堆叠在一起形成第二透镜体；

步骤S3、将第二透镜体与第一透镜体连接在一起，在第一透镜体的宽度较小的一端设置辐射源和反射板，所述反射板和所述基板均垂直于所述辐射源的最大辐射方向。

根据上面的描述和实践可知，本发明所述的复合型人工介质透镜天线采用基板与辐射体堆叠的结构形成介质透镜，并将介质透镜下端设为斗状结构，其内设置尺寸和分布密度由内而外逐渐递减的辐射体，将介质透镜的上端设为柱状结构，其内均匀设置辐射体，在介质透镜的下端设置辐射源和反射板，将辐射源所发射的电磁波汇集到介质透镜一侧，经介质透镜聚集电磁波，形成波束聚集、增益较大的电磁波。实现了增益高、端口隔离度高、极化隔离度高、副瓣低的优良辐射性能。

本发明中的介质透镜采用了同一种介电材料作为主体，且均为平面板而非曲面板，再在其表面印制不同排布规律的辐射体，形成介电常数变化的介质透镜，与传统的由多种介电材料和曲面结构组成的透镜天线相比，有着成本低、容易加工的突出优点。

另外本发明中的天线还实现了水平面半功率波束宽度和垂直面半功率波束宽度的差异，实现了椭圆形波束辐射，相比于传统的圆形波束辐射，椭圆波束辐射能在保持高增益的前提下实现宽波束面覆盖，能够应用于特定场景以及实现波束扫描、波束偏移、波束宽覆盖等需求。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中涉及的复合型人工介质透镜天线的结构示意图。

图2为本发明的一个实施例中涉及的介质透镜的分解示意图。

图3为本发明的一个实施例中涉及的第一基板的结构示意图。

图4为本发明的一个实施例中涉及的第二基板的局部结构放大图。

图5为本发明的一个实施例中涉及的复合型人工介质透镜天线在中心工作频点2200MHz下的E面辐射模式图。

图6为本发明的一个实施例中涉及的复合型人工介质透镜天线在中心工作频点2200MHz下的H面辐射模式图。

图中的附图标记为：

1、辐射源；2、反射板；3、介质透镜；4、第一透镜体；5、第二透镜体；6、第一辐射体；7、第二辐射体。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。然而，示例性实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例性实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。需要说明的是，本公开中，用语“包括”、“配置有”、“设置于”用以表示开放式的包括在内的意思，并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象数量或次序的限制；术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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发明中的具体含义。

在该实施例中公开了一种复合型人工介质透镜天线，图1示出了该天线的立体结构，图2示出了介质透镜的分解结构，图3示出了第一基板的结构，图4示出了第二基板的机构，图5和图6示出了该天线在2200MHz频率下的辐射模式图。

请参考图1至图4，在该实施例中，复合型人工介质透镜天线包括：辐射源1、反射板2和介质透镜3。辐射源1设在反射板2和介质透镜3的中间，且反射板2和介质透镜3设在辐射源1的最大辐射方向上，反射板2可将无线信号反射至介质透镜3一侧，再通过介质透镜3来改变信号的辐射方向，使信号波束更加集中，提高单个方向的无线信号强度，从而减小天线基站的能耗。

由于传统的龙伯透镜结构复杂，制作成本较高，因此在该实施例中给出了一种便于制作的介质透镜3。该介质透镜3由两部分构成，包括靠近辐射源1一侧的第一透镜体4和远离辐射源1的第二透镜体5，第一透镜体4和第二透镜体5连接在一起形成该介质透镜3。第一透镜体4的宽度由靠近辐射源1的一侧向远离辐射源1的一侧逐渐增加，形成一斗状结构；第二透镜体5为横截面尺寸不变的结构。

第一透镜体4由表面设有第一辐射体6的第一基板堆叠而成。其中第一基板的表面设有多个第一辐射体6，且第一辐射体6在第一基板上的分布规律为：第一辐射体6的尺寸和分布密度由第一基板的中部向外周逐渐降低。请结合图3，在该实施例中，第一辐射体6选用了矩形金属片，位于第一基板中部的第一辐射体6的外形尺寸大于外周的第一辐射体6的外形尺寸。

在该实施例中，每块第一辐射体6的长宽均不超过入射电磁波波长的十分之一，否则会对入射电磁波反射或者吸收，进而影响天线的阻抗匹配和辐射性能。在同一块基板上，矩形金属片由内而外等比例缩小，相同大小的矩形金属片围成一个矩形框，整体呈现为内密外疏的排布方式。由于理想金属的介电常数可以等价为无穷大，因此对于同一介电常数的材料，其上的金属片排布密度越大，等价介电常数越大。因此，在第一基板的表面采用内密外疏的排布方式设置第一辐射体6后，在水平方向，第一基板的介电常数将呈现为由中心向边缘逐渐减小，可实现聚集波束的功能。另外，由于第一透镜体4在垂直方向上宽度由下至上逐渐变大，相应地，矩形金属片的数量同样由下往上逐渐增多，构成介电常数的梯度变化，能够进一步提高波束聚集的效果。辐射源1发射的电磁波从不同角度进入透镜边界，由于介电常数的差异，将会发生一次折射；进入透镜内部后由于辐射体的内密外疏排布，电磁波将进一步聚集到透镜上方中心，达到波束聚集的效果。

此外，经实际测试，与辐射源1接近的透镜部分，其面积越大，对工作频段中低频部分的波束聚集效果越大，其面积越小，对工作频段中的高频部分的波束聚集效果越大。因此上述结构形式的第一透镜体4能够平衡工作频段中高低频部分的增益，使该天线在使用时信号辐射效果更加均衡。

第二透镜体5由表面均匀设有第二辐射体7的若干第二基板堆叠而成。不同于第一基板，第二基板上的各个第二辐射体7均匀布设，形成介电常数相同的透镜，能够在第一透镜体4聚集波束后，提高天线增益。另外，与第一辐射体6不同的是，第二辐射体7由塑胶基板和金属丝构成。具体地说，在塑胶基板上压制有或印制有若干相互绝缘的金属丝。将该种结构形式的第二辐射体7均匀地压制或印制在第二基板的表面上，再将多个第二基板堆叠即可形成第二透镜体5。最终所形成的第二透镜体5中起到辐射信号作用的为上述金属丝，由塑胶基板和金属丝构成的第二辐射体7，在第二透镜体5中能够使金属丝的分布更加均匀，且相互之间的距离更加紧凑，可进一步提升提高天线增益。另外，在该实施例中，每块塑胶基板的尺寸为3mm×3mm，既便于制作，也能保证有最佳的信号辐射效果。在其它实施例中，第二辐射体7也可采用树脂基板同样能够起到上述作用。

在该实施例中，第一辐射体6和第二辐射体7均为矩形结构，相比于圆形结构其在制作过程中能够减少边角料，从而降低天线的制作成本。另外，第一基板和第二基板的材质均为泡沫胶，其便于成型、便于固定第一辐射体6和第二辐射体7以及容易堆叠在一起形成介质透镜3。为了提高各个基板间的连接强度，还可在基板的侧面涂胶，在将各个基板堆叠在一起后即可形成完整的介质透镜3。

在该实施例中，第一透镜体4的靠近辐射源1的一端的截面尺寸为0.5λ×2.5λ，第一透镜体4的远离辐射源1的一端的截面尺寸为1.6λ×2.5λ，第一透镜体4的厚度应在1.8λ-2.3λ之间，第一基板和第二基板的厚度为2mm-7mm，其中λ为辐射入介质透镜3内的电磁波的波长。

辐射源1在该实施例中采用±45°双极化的压铸型磁电偶极子，分为水平结构部分和垂直结构部分，水平结构部分通过四个辐射单元作为电偶极子，挖圆弧槽调整阻抗匹配；垂直结构部分作为磁偶极子，从而实现双极化功能。配合下侧的金属反射板2能提供上半空间稳定辐射的电磁波，作为透镜天线馈源，其工作频段为1710MHz-2700MHz，具有宽带宽覆盖、较好的极化隔离度以及稳定的增益等特点。辐射源1与介质透镜3间的距离为0.4λ-0.6λ，该距离下介质透镜3对辐射源1所发射的信号的折射效果最佳。请结合图5和图6，该复合型人工介质透镜天线实现了增益高、端口隔离度高、极化隔离度高、EH面波束宽度宽、前后比低和副瓣低的优良辐射性能。在其它实施例中，也可变更辐射源1的结构，向介质透镜3内射入不同频率的电磁波，介质透镜3同样能够起到上述聚集电磁波以及提高增益的效果。

另外，在该实施例中，还给出了上述复合型人工介质透镜天线的制作方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1、制作若干大小相同的第一基板，将若干第一辐射体6按照由内而外尺寸和分布密度逐渐减小的方式印制或压制在第一基板上，再将若干第一基板堆叠在一起形成第一透镜体4，之后裁切第一透镜体4使其宽度由一端向另一端逐渐增加。

具体地说，第一辐射体6的尺寸、布设密度递减的幅度以及第一透镜体4的宽度递增幅度可根据实际辐射源1所发射的信号的频端来进行设定，确保在在频段范围内第一透镜体4能够提供最佳和最均衡的折射效果。

步骤S2、制作若干大小相同的第二基板和若干大小相同的第二辐射体7，将若干第二辐射体7均匀地印制或压制在第二基板上，再将若干第二基板堆叠在一起形成第二透镜体5。

在制作第二辐射体7时，可在一张面积较大的塑胶基板上印制或压制若干相互绝缘的金属丝，之后再将其裁切为符合尺寸的第二辐射体7，用于印制或压制在第二基板上，可大大降低制作时间及成本。

步骤S3、将第二透镜体5与第一透镜体4连接在一起，在第一透镜体4的宽度较小的一端设置辐射源1和反射板2，反射板2和基板均垂直于所述辐射源1的最大辐射方向。

第二基板的尺寸在该实施例中与最上端的第一基板的尺寸相同，因此该实施例中的介质透镜3为复合型多层介质透镜3，其下端为斗状结构，能够对电磁波进行折射，介质透镜3的上端为柱状结构，能够提高信号的增益。相比于单一结构的透镜天线，该天线在相同厚度的情况下对工作频段内的电磁波折射效率更高、波束更加集中、增益也更高。

另外，由于上述介质透镜3采用了同一种介电材料作为主体(即基板)，且均为平面板而非曲面板，再在其表面印制不同排布规律的辐射体，形成介电常数变化的介质透镜3，与传统的由多种介电材料和曲面结构组成的透镜天线相比，有着成本低，容易加工的突出优点。

此外该天线还实现了水平面半功率波束宽度和垂直面半功率波束宽度的差异，实现了椭圆形波束辐射，相比于传统的圆形波束辐射，椭圆波束辐射能在保持高增益的前提下实现宽波束面覆盖，能够应用于特定场景以及实现波束扫描、波束偏移、波束宽覆盖等需求。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种复合型人工介质透镜天线，其特征在于，包括顺次设置的反射板、辐射源和介质透镜，所述介质透镜的靠近所述辐射源的一端为宽度向所述辐射源一侧逐渐降低的第一透镜体，所述介质透镜的另一端为宽度相同的第二透镜体；

所述第一透镜体由表面设有第一辐射体的若干第一基板堆叠而成，所述第一辐射体的尺寸和分布密度由所述第一基板的中部向外周逐渐降低；

所述第二透镜体由表面均匀设有第二辐射体的若干第二基板堆叠而成。

2.如权利要求1所述的复合型人工介质透镜天线，其特征在于，

所述第一基板和第二基板的材料为泡沫胶。

3.如权利要求2所述的复合型人工介质透镜天线，其特征在于，

所述第一辐射体为设在所述第一基板表面的矩形金属片。

4.如权利要求1所述的复合型人工介质透镜天线，其特征在于，

所述第二辐射体包括塑胶基板或树脂基板以及设在其上的若干相互绝缘的金属丝。

5.如权利要求4所述的复合型人工介质透镜天线，其特征在于，

所述第二辐射体为设在所述第二基板表面的矩形结构。

6.如权利要求4所述的复合型人工介质透镜天线，其特征在于，

所述塑胶基板或树脂基板的尺寸为3mm×3mm。

7.如权利要求1所述的复合型人工介质透镜天线，其特征在于，

所述第一透镜体的靠近所述辐射源的一端的截面尺寸为0.5λ×2.5λ；

所述第一透镜体的远离所述辐射源的一端的截面尺寸为1.6λ×2.5λ；

所述第一透镜体的厚度为1.8λ-2.3λ；

λ为辐射入介质透镜内的电磁波的波长。

8.如权利要求1至7中任一项所述的复合型人工介质透镜天线，其特征在于，

所述第一基板和第二基板的厚度为2mm-7mm。

9.如权利要求1至7中任一项所述的复合型人工介质透镜天线，其特征在于，

所述辐射源与所述介质透镜间的距离为0.4λ-0.6λ。

10.一种复合型人工介质透镜天线的制作方法，用于制作如权利要求1至9中任一项所述的复合型人工介质透镜天线，其特征在于，包括：

步骤S1、制作若干大小相同的第一基板，将若干第一辐射体按照由内而外尺寸和密度逐渐减小的方式印制或压制在第一基板上，再将若干第一基板堆叠在一起形成第一透镜体，之后裁切第一透镜体使其宽度由一端向另一端逐渐增加；

步骤S2、制作若干大小相同的第二基板和若干大小相同的第二辐射体，将若干第二辐射体均匀地印制或压制在第二基板上，再将若干第二基板堆叠在一起形成第二透镜体；

步骤S3、将第二透镜体与第一透镜体连接在一起，在第一透镜体的宽度较小的一端设置辐射源和反射板，所述反射板和所述基板均垂直于所述辐射源的最大辐射方向。