CN114843791A - 圆柱形人工介质透镜天线及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种圆柱形人工介质透镜天线，包括：辐射源，为双极化半波振子；反射板，设在所述辐射源的底端；介质透镜，设在所述辐射源的顶端，为介质基板、连接板和辐射体卷制而成的圆柱体结构，所述辐射体固定在所述连接板上，所述连接板粘贴在所述介质基板上。该圆柱形人工介质透镜天线中的辐射体可通过冲压或模切的方式按照预设的分布规律固定在连接板上，便于与连接板一同粘贴在介质基板上，从而通过卷制形成介质透镜，配合辐射源和反射板在能够降低天线基站能耗的同时，还能降低天线的制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体的，涉及一种圆柱形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。但是龙伯透镜天线在基站上的应用，其一大难点便是透镜介质材料的制备。当前广泛采用的做法，或是采用3D打印，其造价较高，不易量产；或是制备特殊材料播撒于人工介质基底上，制备、播撒程序较为繁琐，制备的特殊材料其造价也较高。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是提供一种圆柱形人工介质透镜天线，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，还能简化天线的制作工序以及降低天线的制作成本。
为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种圆柱形人工介质透镜天线，包括：辐射源，为双极化半波振子；反射板，设在所述辐射源的底端；介质透镜，设在所述辐射源的顶端，为介质基板、连接板和辐射体卷制而成的圆柱体结构，所述辐射体固定在所述连接板上，所述连接板粘贴在所述介质基板上。
优选地，所述连接板为塑胶片；所述辐射体为所述塑胶片与金属板经冲压或模切后留存在所述塑胶片上的预设形状的金属片。
优选地，所述辐射体为等间距设置的若干圆形金属片。
优选地，所述圆形金属片的直径为2mm-5mm。
优选地，相邻的所述圆形金属片间的中心距离为4mm-10mm。
优选地，所述介质基板的材质为泡沫胶。
优选地，所述介质基板、连接板和辐射体卷制时，所述辐射体一侧朝向圆柱体的内侧。
优选地，所述介质透镜的直径为2λ-2.5λ，λ为所述辐射源中心频率电磁波的波长。
优选地，所述辐射源与所述介质透镜间的距离为0.3λ-0.5λ，λ为所述辐射源中心频率电磁波的波长。
为了实现上述目的，另一方面，本发明提供一种圆柱形人工介质透镜天线的制作方法，用以制作上述圆柱形人工介质透镜天线，包括：包括：
步骤S1、首先将连接板与金属板粘贴在一起，然后进行冲压或模切去除预设部分的金属板，使留存在连接板上的金属为等间距设置的若干金属片，再将连接板粘贴在介质基板上，之后令金属片朝内将介质基板与连接板卷制成圆柱体形成介质透镜；
步骤S2、制作双极化半波振子和反射板；
步骤S3、将反射板固定设在双极化半波振子的底端，将介质透镜固定设在双极化半波振子的顶端。
根据上面的描述和实践可知，本发明所述的圆柱形人工介质透镜天线采用了介质基板、连接板和辐射体卷制而成的介质透镜，其中的辐射体可通过冲压或模切的方式按照预设的分布规律固定在连接板上，便于与连接板一同粘贴在介质基板上，相比于传统工艺中将各个辐射体洒落或粘贴在介质基板上，该种结构的介质透镜在制作时能够大幅提高制作效率，从而降低成本。配合双极化半波振子的辐射源和反射板，可在指定方向聚集电磁波，提高该方向的增益，以降低天线基站的能耗。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中涉及的圆柱形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展开后的平面示意图。
图3为本发明的一个实施例中涉及的介质透镜展开后的剖面示意图。
图4为本发明的一个实施例中涉及的圆柱形人工介质透镜天线在中心工作频率2200MHz下的E面辐射模式图。
图5为本发明的一个实施例中涉及的圆柱形人工介质透镜天线在中心工作频率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、介质基板 5、连接板 6、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圆柱形人工介质透镜天线，图1示出了该天线的立体结构；图2示出了介质透镜3展开后的平面示意图，因介质透镜3展开后长度较长，因此该图中仅示出了局部的平面结构；图3示出了介质透镜3展开后的剖面示意图；图4和图5示出了该天线在2200MHz频率下的辐射模式图。
请参考图1至图3，在该实施例中，圆柱形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为双极化半波振子，±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。反射板2设在辐射源1的底端，为金属板，通过反射板2可以在辐射源1的顶端形成稳定辐射的电磁波，作为介质透镜3的天线馈源，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。介质透镜3设在辐射源1的顶端，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可将电磁波反射至介质透镜3一侧，再通过介质透镜3来改变电磁波的辐射方向，使电磁波波束更加集中，提高单个方向的无线信号强度，形成高增益、低能耗的人工介质透镜天线。辐射源1与介质透镜3间的距离为0.3λ-0.5λ，λ为辐射源1中心频率电磁波的波长，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。
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为介质基板4、连接板5和辐射体6卷制而成的圆柱体结构。其中，辐射体6固定在连接板5上，连接板5粘贴在介质基板4上，设置连接板5的目的是便于将辐射体6与介质基板4连接在一起。
连接板5为柔性材料，例如该实施例中的塑胶片，其能够与金属板粘贴在一起进行冲压或模切作业。粘贴在一起的塑胶片和金属板在进行冲压或模切后，部分金属脱离塑胶片，留存在塑胶片上的金属即为辐射体6，且该辐射体6依旧粘贴在连接板5上，再将连接板5与介质基板4粘贴后，即可在介质基板4上布设辐射体6。相比于传统工艺中将各个辐射体6洒落或粘贴在介质基板4上，该种结构的介质透镜3在制作时能够大幅提高制作效率，从而降低成本。并且通过冲压或模切的方式，也可以预先设定辐射体6的形状及分布规律，相比传统工艺中播撒和单个固定辐射体的方式，其效率有大幅提升。在其它实施例中，连接板5也可以是塑料膜等其它柔性材料。
辐射体6为等间距设置的若干圆形金属片，圆形金属片的直径为2mm-5mm，相邻的圆形金属片间的中心距离为4mm-10mm。如图2所示，在该实施例中，圆形金属片的直径为3mm，相邻的圆形金属片间的中心距离为7mm，适用于上述工作频段为1710MHz-2700MHz的辐射源1。具体地说，圆形金属片的大小、形状以及排布的疏密会影响介质透镜3的折射率，当该天线的工作频率较低时，应当采用较大的金属片尺寸以及较大的金属片间距，才能对相应频段的电磁波起到较好的折射效果，反之，当工作频段较高时，相应的应当采用较小的金属片尺寸以及较大的金属片间距。通过调整圆形金属片的间距与大小，实现了在整个工作频段内，天线增益维持在一个较高的水平。
在该实施例中，介质基板4的材质为泡沫胶，其厚度在2mm-5mm，泡沫胶既容易成型，还便于与连接板5粘贴在一起，可提高介质透镜3的制作效率。为了提高介质透镜3的稳定性，在泡沫胶的远离连接板5的一侧表面涂覆有胶水，在卷制成圆柱状后，能够长期维持该形状，确保对电磁波的折射处于稳定状态。另外，介质基板4的宽度(即介质透镜3的长度)为220mm，其垂直方向上的波束宽度与水平面波束宽度接近，可形成良好的辐射模式，覆盖面均匀，当多个介质透镜3同时使用时，也易于排列构建互不干扰的立体多波束。
介质基板4、连接板5和辐射体6在卷制时，辐射体6一侧朝向圆柱体的内侧，可防止辐射体6在卷制过程中从连接板5上脱落。介质透镜3的直径为2λ-2.5λ，在该范围内，上述辐射源1的工作频段中高频部分与低频部分的平衡较好，超出该尺寸后，天线的高频段增益会急速衰减，影响使用。
由于上述介质透镜3为圆柱体，该介质透镜3在安装时，仅需将侧面中心与辐射源1的顶端中心正对即可。相比于其它形状的透镜在安装时需要将透镜的指定面正对辐射源1，该介质透镜3可大大降低安装时的工作量。
请结合图4和图5，该复合型人工介质透镜3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，其平均增益在15dBi以上。在其它实施例中，也可变更辐射源11的结构，向介质透镜33内射入不同频率的电磁波，介质透镜33同样能够起到上述聚集电磁波以及提高增益的效果。
在又一个实施例中，辐射源1的工作频段为5150MHz-5850MHz，采用上述结构形式的介质透镜3，此时介质透镜3的直径为180mm，长度为220mm，介质基板4为2mm，辐射体6的直径为2mm，辐射体6之间的中心距离为8.8mm，辐射源1与介质透镜3间的间距为120mm，经测试，该天线的实际增益为15-17dBi。
另外，在该实施例中，还给出了上述圆柱形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、制作介质透镜3。
首先，制作预设长宽的连接板5和金属板，连接板5为柔性材质，将二者粘贴在一起，其中上述长度为卷制预设直径的介质透镜3所需的长度，宽度即为介质透镜3的长度。然后，对连接板5和金属板进行冲压或模切去除预设部分的金属板，使留存在连接板5上的金属为等间距设置的若干金属片，该若干金属片依旧与连接板5粘贴在一起形成辐射体6。金属片的形状在该实施例中为圆形，其直径以及相邻金属片的中心间距可根据辐射源1的工作频段并参照上述取值范围进行设定。之后，将连接板5粘贴在介质基板4上，令金属片朝内将介质基板4与连接板5卷制成圆柱体形成介质透镜3。
步骤S2、制作双极化半波振子和反射板2。
双极化半波振子为±45°双极化的压铸型磁电偶极子，作为该天线的辐射源，其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。其制作时可采用金属铸造的形式一体成型。反射板2为一矩形金属板，尺寸不小于双极化半波振子的宽度。
步骤S3、将反射板2固定设在双极化半波振子的底端，将介质透镜3固定设在双极化半波振子的顶端，即可形成上述圆柱形人工介质透镜3天线。
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)
1.一种圆柱形人工介质透镜天线，其特征在于，包括：
辐射源，为双极化半波振子；
反射板，设在所述辐射源的底端；
介质透镜，设在所述辐射源的顶端，为介质基板、连接板和辐射体卷制而成的圆柱体结构，所述辐射体固定在所述连接板上，所述连接板粘贴在所述介质基板上。
2.如权利要求1所述的圆柱形人工介质透镜天线，其特征在于，
所述连接板为塑胶片；
所述辐射体为所述塑胶片与金属板经冲压或模切后留存在所述塑胶片上的预设形状的金属片。
3.如权利要求2所述的圆柱形人工介质透镜天线，其特征在于，
所述辐射体为等间距设置的若干圆形金属片。
4.如权利要求3所述的圆柱形人工介质透镜天线，其特征在于，
所述圆形金属片的直径为2mm-5mm。
5.如权利要求3所述的圆柱形人工介质透镜天线，其特征在于，
相邻的所述圆形金属片间的中心距离为4mm-10mm。
6.如权利要求1所述的圆柱形人工介质透镜天线，其特征在于，
所述介质基板的材质为泡沫胶。
7.如权利要求1所述的圆柱形人工介质透镜天线，其特征在于，
所述介质基板、连接板和辐射体在卷制时，所述辐射体一侧朝向圆柱体的内侧。
8.如权利要求1所述的圆柱形人工介质透镜天线，其特征在于，
所述介质透镜的直径为2λ-2.5λ，λ为所述辐射源中心频率电磁波的波长。
9.如权利要求1至8中任一项所述的圆柱形人工介质透镜天线，其特征在于，
所述辐射源与所述介质透镜间的距离为0.3λ-0.5λ，λ为所述辐射源中心频率电磁波的波长。
10.一种圆柱形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中任一项所述的圆柱形人工介质透镜天线，其特征在于，包括：
步骤S1、首先将连接板与金属板粘贴在一起，然后进行冲压或模切去除预设部分的金属板，使留存在连接板上的金属为等间距设置的若干金属片，再将连接板粘贴在介质基板上，之后令金属片朝内将介质基板与连接板卷制成圆柱体形成介质透镜；
步骤S2、制作双极化半波振子和反射板；
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