CN115693169A - 一种多波束透镜天线及天线设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束透镜天线及天线设备，多波束透镜天线包括透镜、天线阵列以及波导组件，天线阵列包括多个印刷在线路板上的天线馈源，天线馈源用于将线路板中的射频电路的射频信号转换成辐射信号，波导组件设置于透镜与天线阵列之间，波导组件包括多个与天线馈源对应的矩形波导，矩形波导用于将天线馈源的辐射信号导向透镜的焦点，从而实现了多个高增益波束，通过波导组件和天线阵列，避免了现有技术使用射频连接器所带来的损耗，天线阵列将多个天线馈源印刷在线路板上，解决了现有多波束透镜天线与射频链路一体化集成设计的问题，减少了插损，并且降低了成本，提高了产品竞争力。

Description

一种多波束透镜天线及天线设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多波束透镜天线及天线设备。

背景技术

随着第五代移动通信sub6G频段以下的基站大规模商用并且趋于成熟，对于5G高频(毫米波)的商用日程也开始被提及，相比sub6G的大规模MIMO，5G高频在器件选型、构件方案以及设备成本方面目前还没有成熟的业界共识。

由于5G高频对器件、散热以及工艺的要求更加严格，从而导致设计成本，器件成本以及工艺成本相对较高。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种多波束透镜天线，能够解决现有多波束透镜天线与射频链路一体化集成设计的问题，同时实现高增益的辐射波束。

第一方面，本发明实施例提供一种多波束透镜天线，包括透镜、天线阵列以及波导组件，所述天线阵列包括多个印刷在线路板上的天线馈源，所述天线馈源用于将所述线路板中的射频电路的射频信号转换成辐射信号，所述波导组件设置于所述透镜与所述天线阵列之间，所述波导组件包括多个与所述天线馈源对应的矩形波导，所述矩形波导用于将所述天线馈源的辐射信号导向所述透镜的焦点。

第二方面，本发明实施例提供一种天线设备，包括第一方面实施例所述的多波束透镜天线。

根据本发明实施例提出的一种多波束透镜天线及天线设备，采用波导组件将天线阵列辐射的电磁能量导向透镜的焦点上，从而实现了多个高增益波束，通过波导组件和天线阵列，避免了现有技术使用射频连接器所带来的损耗，天线阵列将多个天线馈源印刷在线路板上，解决了现有多波束透镜天线与射频链路一体化集成设计问题，减少了插损，并且降低了成本，提高了产品竞争力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1是本发明实施例提供的一种多波束透镜天线结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种天线馈源为一维线阵示意图；

图3是本发明实施例提供的一种天线馈源为二维面阵示意图；

图4是本发明实施例提供的一种波导组件结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种透镜结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种多波束透镜天线应用示意图；

图7是传统多波束透镜天线馈源排布示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

图7为传统多波束透镜天线馈源排布示意图。

如图7，传统多波束透镜天线包括球形透镜1、馈源2以及收发信机3。传统多波束球形透镜、龙伯透镜天线的馈源2布局为弧形排布，为了实现增益最大化，馈源2都设置在球形透镜1的焦点上。由于馈源2的布局为弧形排布，但是，射频电路的布局为平面结构，因此，这样一般都需要通过射频电缆4互相联接，从而导致两者之间的互联比较困难，并且插损加大。如图7中，馈源2和收发信机3通过射频电缆4联接。

为了解决传统多波束透镜天线的缺陷，因此，重新设计了一种多波束球形透镜天线，多波束球形透镜天线的主要结构如图1所示，下面对其结构进行详细说明。

参照图1所示，本发明实施例一提供的一种多波束透镜天线，包括有透镜100、天线阵列200以及波导组件300。

其中，天线阵列200包括多个印刷在线路板上的天线馈源210，天线馈源210用于将线路板中的射频电路的射频信号转换成辐射信号，天线馈源210的辐射方向朝向透镜100设置，波导组件300设置在透镜100和天线阵列200之间，波导组件300包括多个与天线馈源210对应的矩形波导310，矩形波导310用于将天线馈源210的辐射信号导向透镜100的焦点。最佳地，天线馈源210的辐射方向与透镜100的轴向之间垂直设置，图1中包含的天线馈源 210的数量为至少一个，多个天线馈源210阵列设置。

此多波束球形透镜天线，采用波导组件300将天线阵列200上平面排布的天线馈源210 辐射的电磁能量转换到透镜100的焦点上，从而实现了多个高增益波束。

透镜100是介质透镜，介质透镜是能够通过电磁波而其折射系数不等于1的三维结构。点源或者线源发射出的球面波或者柱面波经过透镜100就可以变换成为平面波，从而能够得到笔形或者扇形波束。透镜100的折射系数可以是位置的函数，透镜100的形状决定面场分布。透镜100可以采用折射系数n大于1的自然介质制成，也可以是采用金属栅网或金属片等组成的人工介质结构制成。

介质透镜天线的旁瓣和后瓣小，因而其方向图较好，如图5所示，多波束球形透镜天线的透镜100为球形透镜、椭球形透镜或者半球形透镜中的任一种。在本实施例中以球形透镜为例做详细说明。

透镜天线是将光学原理应用于微波天线，透镜天线的工作原理取决于折射现象，透镜天线的透镜由介电材料制作而成，点辐射源被放置在透镜的焦点处，与达到透镜中心的部分的射线相比，达到跟靠近透镜边缘的射线其曲率更大。因此，跟靠近边缘的射线比更靠近中心的射线折射得更多，在接收的时候，平行于透镜轴线到达的射线聚焦大放置馈电天线的焦点处，点源发射的球面波在传输期间转换成平面波。球形透镜的主要作用是将天线馈源210的辐射功率汇聚到特定的方向，从而提高天线的增益。

其中，可以理解地，球形透镜的半径为R，球形透镜的半径越大，波束越窄，多波束球形透镜天线的增益也更高。因此，可以根据不同的增益需要，选择球形透镜的半径。

参照图2所示，本发明实施例二提供的一种多波束透镜天线，包括有透镜100、天线阵列200以及波导组件300。其中，天线阵列200包括有多个印刷在线路板上的天线馈源210，多个天线馈源210沿着线路板的长度方向排布设置。天线馈源210用于将线路板中的射频电路的射频信号转换成辐射信号，天线馈源210的辐射方向朝向透镜100设置，波导组件300设置在透镜100和天线阵列200之间，波导组件300包括多个与天线馈源210对应的矩形波导310，矩形波导310用于将天线馈源210的辐射信号导向透镜100的焦点。

参照图2所示，天线馈源210呈一维线性排列印刷设置在线路板上，天线馈源210沿x 轴方向一维线性布置。线路板上设置有射频电路，射频电路能够产生射频信号，射频信号通过天线馈源210转换成为电磁波形式的辐射信号。具体地，射频电路工作，其发射射频信号通过馈线输送到天线馈源210处，天线馈源210接收到了射频信号后，能够将射频信号转换成电磁波形式的辐射信号辐射出去，辐射信号通过波导组件300的矩形波导310导向至透镜 100的焦点处。线路板为平面状的，天线馈源210平面阵列设置在线路板上，天线馈源210与射频电路通过馈线连接，与传统的多波束透镜天线相比，本方案的透镜天线不需要使用射频连接器，因此，具有结构比较简单，插损较小，辐射的效率比较高，剖面低以及安装工序简单，成本低的优点。

天线馈源210是透镜天线等天线的一个重要组成部分。它的作用是将来自馈线的射频功率以电磁波的形式向透镜辐射，使其在口径上产生合适的场分布，以形成所需的锐波束或赋形波束，同时使由反射面或透镜等边缘外漏溢的功率尽量小，以期实现尽量高的增益。具体地，在本实施例中，天线馈源210可以采用微带天线馈源或者喇叭天线馈源。例如，喇叭天线馈源，结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便。根据喇叭天线馈源选择不同尺寸，可以获取不同的辐射特性。

基于上面的实施例，可以理解地，天线馈源210可以设计成为双极化天线馈源。具体地，双极化天线馈源组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线馈源并同时工作在收发双工模式下。双极化天线馈源可以减少天线馈源的数量，同时，由于在双极化天线馈源中，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线馈源之间的隔离度满足互调对天线间隔度的要求。

因此，双极化天线馈源之间的空间间隔仅需要20-30cm，双极化天线馈源可以降低插损，减小干扰，同时，由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。应用具有高隔离度的双极化天线馈源，从而实现多波束双极化辐射，增加了系统容量。

在一个实施例中，采用双极化微带天线馈源作为天线馈源210，通过应用正交的耦合馈电，双极化微带天线馈源的隔离度大于30dB，可以方便地激励起具有较高隔离度的双极化辐射模式。

参照图1所示，本发明实施例三提供的一种多波束透镜天线，包括有透镜100、天线阵列200以及波导组件300。其中，天线阵列200包括多个印刷在线路板上的天线馈源210，多个天线馈源210排列成一行或一列的形式设置在线路板上，波导组件300设置在透镜100 和天线阵列200之间，波导组件300包括多个与天线馈源210对应的矩形波导310，矩形波导310用于将天线馈源210的辐射信号导向透镜100的焦点。波导组件300的矩形波导310 的排列方式与天线馈源210的排列方式一致，矩形波导310排列成一行并与天线馈源210一一对应设置，矩形波导310将各天线馈源210的辐射信号引导至透镜100的焦点处。

多波束透镜天线的波束数量可以通过调整天线馈源210的数量进行调节，波导组件300 的矩形波导310的数量根据天线馈源210对应调节。

为了调整多波束透镜天线的波束扫描角度，在基于上面的实施例的基础上，位于波导组件300的两侧的矩形波导310的表面外侧高内侧低，以在矩形波导310的表面形成斜面。如图4所示，将波导组件300的两侧的矩形波导310的表面设置成外侧高内侧低的形式，使得波导组件300的顶面形成了一个凹槽结构，透镜100可以直接通过凹槽结构安装，一方面可以起到固定安装透镜100的作用，同时，将矩形波导310设计了顶面设置成与透镜100配合的凹槽状，可以保证位于波导组件300底部的天线阵列200的天线馈源210发射的辐射信号可以被引导至透镜100的焦点处，同时，使得天线阵列200的天线馈源210可以设置成在一个水平面内。

在其中的一个具体实施例中，波导组件300为中心对称结构，矩形波导310相对于中轴线对称设置。具体地，参照图4所示，波导组件300包括有四个矩形波导310，四个矩形波导310包括两个位于两侧的表面倾斜设置的第一矩形波导和两个位于中间的第二矩形波导，四个矩形波导310间隔设置，天线馈源210的数量为与波导组件300对应的线性设置。当然，矩形波导310的数量还可以设置更多，可以根据需要设置，其他数量的矩形波导310的设置均在本方案的保护范围之内。

进一步地，矩形波导310为正方形，矩形波导310的尺寸为A*A，其中，在实际使用中，矩形波导310的尺寸一般设计为大于电磁波在空气中的波长的0.5倍。

位于波导组件300的两侧的矩形波导310的表面外侧高内侧低，以在矩形波导310的表面形成斜面，矩形波导310表面的倾斜角为α，此角度决定了波束的扫描范围，可以设计不同倾斜角α的斜面，从而获得不同扫描范围。

容易理解地，斜面为弧形斜面或者平面斜面。如图4所示，以前文所述的波导组件300 有四个矩形波导310为例进行详细说明。两个第一矩形波导顶面设置有弧形面，两个第二矩形波导设置在两个第一矩形波导之间，第二矩形波导顶面为平面状，第一矩形波导和第二矩形波导形成弧形斜面，弧形斜面能够与透镜100的外形较好地配合。当然，斜面为平面斜面的时候同前面所述一样，在此不再详细赘述。

矩形波导310只能传输TE波或者TM波，矩形波导310具有简并模、主模以及单模传输，矩形波导310中可以出现各种TM模和TE模以及它们的线性组合，当工作波长小于各种模式的截止波长，或者工作频率大于各种模式的截止频率的时候，这些模式都是传输模，因而，矩形波导310可以形成多模传输。矩形波导的截止频率不仅与波型和波导尺寸有关，还可与波导中所填充的介质有关。矩形波导310的功率容量较大，并且衰减较小。

每个天线馈源210通过矩形波导310的导向引导，天线馈源210发射辐射信号通过矩形波导310导向至透镜100的焦点处。因此，矩形波导310可以根据每个天线馈源210的位置独立设置，这样可以方便根据每个天线馈源210的位置进行调节，但是，如此设置需要每个矩形波导310单独安装，加大安装的工作量。

当然，矩形波导310也可以采用一体成型设置的方式设置。根据天线馈源210的排布，将矩形波导310与天线馈源210一一对应设置，能够一次实现各矩形波导310与天线馈源210 对应，安装方便快捷。

可选地，波导组件300为金属波导结构。线路板的屏蔽腔体的盖板与波导组件300一体成型设计。具体地，金属波导结构可以采用铜、铝或者其他金属材料，金属波导结构的特点是结构简单、机械强度大，波导结构内没有内导体、损耗低、功率容量大，电磁能量在金属波导结构形成的矩形波导310内部空间被引导传播，可以防止对外的电磁波泄露，起到屏蔽作用。金属波导结构还起到支撑透镜100和天线阵列200的作用。

金属波导结构件射频电路上平面排布的天线馈源210的电磁能量转换到透镜的焦点上，从而实现了高增益波束，避免了使用毫米波射频连接器带来的损耗，而且，金属波导结构易于与射频电路屏蔽腔一体化加工设计，实现了整机结构的简洁化，易于装配安装，相比毫米波射频连接器，成本更低，与传统用同轴探针或者微带探针激励波导相比，本方案不需要采用1/4波长的背腔，因此该结构由于装配误差以及加工误差对天线的性能影响较小。

参照图3所示，本发明实施例四提供的一种多波束透镜天线，包括有透镜100、天线阵列200以及波导组件300。其中，天线阵列200包括多个印刷在线路板上的天线馈源210，多个天线馈源210平面阵列设置在线路板上，波导组件300设置在透镜100和天线阵列200 之间，波导组件300包括多个与天线馈源210对应的矩形波导310，矩形波导310用于将天线馈源210的辐射信号导向透镜100的焦点。波导组件300的矩形波导310的排列方式与天线馈源210的排列方式一致，实现了二维扫描。

在其中一些实施例中，多波束透镜天线通过将天线馈源210配置为平面阵列，如图3，天线馈源210沿线路板的x-y平面内阵列设置，使得多波束透镜天线扫描范围可以由一维扩展为二维，从而实现全空间的覆盖。

当多波束透镜天线为平面阵列设置时，天线馈源210可以同上述实施例一样采用双极化天线馈源的时候，通过波导组件300实现双极化多波束的平面辐射。当然，天线馈源210采用正交的微带耦合馈电可以方便的激励起具有较高隔离度的双极化辐射模式，在此不再一一赘述。

当天线阵列200的天线馈源210平面阵列时，多个矩形波导310同样设置成与天线馈源 210一一对应设置的平面阵列设置。如图3所示，天线馈源210为二维面阵，矩形波导310 一一与各天线馈源210对应。当然，容易理解地，各个矩形波导310可以独立设置，各个矩形波导310也可以一体成型设置，其与一维线阵时类似，在此不再详细赘述。

根据本发明第二方面实施例，提供一种天线设备，其包括第一方面实施例所述的多波束透镜天线，将多波束透镜天线配置成用于通信的天线设备。

参照图6，其中，天线设备还包括线路板和切换开关400，多个天线馈源210通过切换开关400与线路板中的射频电路连接。切换开关400包括有至少一个输入端和多个输出端，其中，输入端通过传输线或馈线连接到射频电路上，各输出端通过馈线连接各个天线馈源210 的端口。在具体地操作过程中，通过切换开关400切换到一个或多个天线馈源210，使得天线馈源210发射的电磁波形成电磁波波束，各种电磁波波束可在不同时间单独生成，以便能够提供扫描的电磁能量波束。如图6所示，波束切换通过切换开关400完成，每个极化共用一路射频器件，从而简化链路结构，降低器件成本。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (11)

1.一种多波束透镜天线，其特征在于，包括：

透镜；

天线阵列，包括多个印刷在线路板上的天线馈源，所述天线馈源用于将所述线路板中的射频电路的射频信号转换成辐射信号；

波导组件，设置于所述透镜与所述天线阵列之间，所述波导组件包括多个与所述天线馈源对应的矩形波导，所述矩形波导用于将所述天线馈源的辐射信号导向所述透镜的焦点。

2.根据权利要求1所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述天线阵列包括多个排列成行设置的所述天线馈源。

3.根据权利要求2所述的多波束透镜天线，其特征在于：位于所述波导组件两侧的所述矩形波导的表面外侧高内侧低，以在所述矩形波导的表面形成斜面。

4.根据权利要求3所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述斜面为弧形斜面或者平面斜面。

5.根据权利要求1所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述天线阵列包括多个呈阵列排列的所述天线馈源。

6.根据权利要求1至5任一项所述的多波束透镜天线，其特征在于：多个所述矩形波导一体成型设置。

7.根据权利要求1至5任一项所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述矩形波导的长度和宽度为电磁波在空气中的波长的0.5倍。

8.根据权利要求1至5任一项所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述透镜为球形透镜、椭球形透镜或者半球形透镜中的任一种。

9.根据权利要求1至5任一项所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述天线馈源为双极化天线馈源。

10.一种天线设备，其特征在于：包括如权利要求1至9任一项所述的多波束透镜天线。

11.根据权利要求10所述的天线设备，其特征在于：还包括线路板和切换开关，多个所述天线馈源通过所述切换开关与所述线路板中的射频电路连接。

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