CN116505292A - 基于超材料透镜技术的多流全向天线设备 - Google Patents

基于超材料透镜技术的多流全向天线设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，基于超材料透镜技术的多流全向天线设备包括：人工介质透镜以及多个全向天线单元。全向天线单元的数量为偶数个，所有全向天线单元绕人工介质透镜的周向依次间隔设置。上述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，采用人工介质透镜与绕其周向依次间隔设置的多个全向天线单元相互配合的设置方式，设备的体积小、重量轻，可以与小基站、路由器、AP、CPE和POE等设备结合，广泛应用于室外和室内各类场所的信号覆盖。

Description

基于超材料透镜技术的多流全向天线设备
技术领域
本申请涉及天线通信技术领域，特别是涉及一种基于超材料透镜技术的多流全向天线设备。
背景技术
近年来，人工透镜天线技术在移动通信领域的运用有了巨大的突破，利用其覆盖距离、易实现多波束等特点在解决高铁高速弱覆盖、农村广覆盖，提升人流密集区域的大容量的问题上得到了广的应用，在全向天线领域，透镜天线技术一直还未能有所进展。
随着无线通信技术的发展，智能手机、平板电脑及各种智能设备的迅猛发展和大范围的普及，通过无线WiFi网络实现数据传输和交换如上网、传屏、拷贝文件等已经成为这些智能设备的基本功能配置。但受到家居和办公环境的限制，传统的WiFi天线已不能满足多种应用环境。目前市场上WiFi天线种类多样，体积较小的全向天线增益一般为3dBi左右，存在增益不高、信号覆盖全向性不均匀和穿墙能力差等缺点。增益较高可达到6dBi左右的全向天线又尺寸比较大，携带不方便，而且在水平方向图上出现明显的信号强点和信号弱点，导致网络在相同距离不同方位角度上呈现出明显的信号强度不均匀性。
发明内容
基于此，有必要克服现有技术的缺陷，提供一种基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，它能够实现小型化、高增益以及全向覆盖均匀。
一种基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，所述基于超材料透镜技术的多流全向天线设备包括：
人工介质透镜；以及
多个全向天线单元，所述全向天线单元的数量为偶数个，所有全向天线单元绕所述人工介质透镜的周向依次间隔设置。
在其中一个实施例中，所述人工介质透镜呈圆柱形、胶囊形、球形或椭球形。
在其中一个实施例中，所有全向天线单元等间隔地布置在所述人工介质透镜的外围。
在其中一个实施例中，每个所述全向天线单元的轴线均与所述人工介质透镜的中心轴线相互平行设置。
在其中一个实施例中，选取垂直于所述全向天线单元的轴线的平面为参考面，每个所述全向天线单元的相位中心与所述参考面的间距设为第一距离，所述人工介质透镜的相位中心与所述参考面的间距设为第二距离，所述第一距离与所述第二距离相等。
在其中一个实施例中，每个所述全向天线单元到所述人工介质透镜的焦距为（0.1λ～0.2λ）mm，其中，λ为所述全向天线单元所覆盖频段的中心频率的波长。
在其中一个实施例中，所述基于超材料透镜技术的多流全向天线设备设有多个工作频段，多个所述工作频段包括：2300MHz-2500MHz、2515MHz-2675MHz、3300MHz-3700MHz、4800MHz-5000MHz和5150MHz-5850MHz。
在其中一个实施例中，当所述人工介质透镜呈圆柱形时，所述人工介质透镜的直径与高度的比值设为M，1≤M≤2。
在其中一个实施例中，所述基于超材料透镜技术的多流全向天线设备还包括绝缘支撑座，所述人工介质透镜与各个所述全向天线单元均设置于所述绝缘支撑座上。
在其中一个实施例中，每个所述全向天线单元包括基板、辐射部、接地部以及同轴线缆，所述辐射部与所述接地部设置于所述基板上，所述辐射部与所述同轴线缆的内导体电性连接，所述接地部与所述同轴线缆的外导体电性连接。
上述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，采用人工介质透镜与绕其周向依次间隔设置的多个全向天线单元相互配合的设置方式，设备的体积小、重量轻，可以与小基站、路由器、AP、CPE和POE等设备结合，广泛应用于室外和室内各类场所的信号覆盖。
附图说明
图1为本申请一实施例的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备的结构图。
图2为图1所示结构的另一视角结构图。
图3为本申请另一实施例的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备的结构图。
图4为本申请又一实施例的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备的结构图。
图5为本申请一实施例的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备中8流全向天线水平面方向图。
图6为相关技术中8流全向天线水平面方向图。
图7为本申请一实施例的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备中4流全向天线水平面方向图。
图8为相关技术中4流全向天线水平面方向图。
10、人工介质透镜；20、全向天线单元；21、基板；22、辐射部；23、接地部；24、同轴线缆；30、绝缘支撑座；31、第一安装部；32、第二安装部。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
相关技术中的龙伯透镜天线的实现原理是利用介质透镜的聚焦功能，将特定的电磁波汇聚后形成窄波束高增益的天线，一直以来都是应用于定向天线技术，难以实现全向天线技术指标的要求。本申请提供的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备突破这一技术难点，实现了全向天线技术，进而实现小型化、高增益以及全向覆盖均匀。其中，最高增益可达7.5dBi。
参阅图1、图3与图4任意一幅，图1、图3与图4分别示出了本申请三个不同实施例中的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备的结构示意图，本申请一实施例提供的一种基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，基于超材料透镜技术的多流全向天线设备包括：人工介质透镜10以及多个全向天线单元20。全向天线单元20的数量为偶数个，具体数量包括但不限于为2个、4个、6个、8个、10个、16个、20个等。所有全向天线单元20绕人工介质透镜10的周向依次间隔设置。
上述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，采用人工介质透镜10与绕其周向依次间隔设置的多个全向天线单元20相互配合的设置方式，设备的体积小、重量轻，可以与小基站、路由器、AP(Access Point，无线接入点)、CPE(CustomerPremises Equipment，客户前置设备”)和POE(Power Over Ethernet，有源以太网)等设备结合，广泛应用于室外和室内各类场所的信号覆盖。
在一些实施例中，人工介质透镜10包括但不限于为超材料透镜体。如此，应用超材料透镜技术的多流全向天线设备在使用时信号更强覆盖面积更大，覆盖能力提升明显，同时接收终端的下载速率和上传速率也得到显著提高。
参阅图1、图3与图4任意一幅，在一些实施例中，每一个全向天线单元20都可覆盖360°扇区，所有全向天线单元20就是在同一区域有偶数个360°覆盖的扇区，也就是说，将全向天线单元20的数量定义为2n，n为自然数，在多流全向天线设备的覆盖区域内可形成2n流信号。
参阅图1、图3与图4，在一些实施例中，人工介质透镜10包括但不限于设置呈各种规则形状以及不规则形状。可选地，人工介质透镜10例如设置呈圆柱形（如图1所示）、胶囊形（图中未示出）、球形（如图4所示）或椭球形等形状。当采用上述不同形态的人工介质透镜10时，只需要通过调整人工介质透镜10的外形尺寸和全向天线单元20到人工介质透镜10的焦距f，就可实现同样的技术效果。
其中，胶囊形状指的是外壳在整体结构为圆柱体形状的基础上，将圆柱体的相对两端均通过倒角形成弧形面。
在一些实施例中，人工介质透镜10可以是采用卷制方式制备，也可以是采用颗粒填充方式制备，还可以根据实际需求灵活地选取其他制备方式。
在一些实施例中，全向天线单元20的增益例如为2dBi。
请参阅图1、图3与图4任意一幅，在一个实施例中，所有全向天线单元20等间隔地布置在人工介质透镜10的外围。如此，任意相邻两个全向天线单元20的轴线与人工介质透镜10的中心轴线所形成的夹角大小为360°/2n。
在一个具体实施例中，请参阅图1或图4，图1与图4中示意出的全向天线单元20的数量例如为8个，8个全向天线单元20等间隔地布置在人工介质透镜10的外围，任意相邻两个全向天线单元20的轴线与人工介质透镜10的中心轴线所形成的夹角大小为45°。
其中，各个全向天线单元20的水平面覆盖范围均为360°，将全向天线单元20工作时，通过人工介质透镜10方向的能量得到一定的汇聚，增益提高。而未通过人工介质透镜10方向上的能量不产生变化，能量汇聚的范围与人工介质透镜10的直径以及全向天线单元20与人工介质透镜10的焦距有关。
请参阅图5与图6，图5示出了本申请一实施例的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备中8流全向天线水平面方向图。作为对比，图6示出了相关技术中8流全向天线水平面方向图。图5中，能量未汇聚的部分以坐标中心为圆点，有8个方向图重叠覆盖；通过人工介质透镜10汇聚后的能量在外圈形成了360°的覆盖区域。如此得出，基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，既可以实现多流功能，又可以提升覆盖距离。
此外，天线设备每一个全向天线单元20都可覆盖360°扇区，2n个全向天线单元20就就是在同一区域有2n个360°覆盖的扇区，也就是说在多流全向天线设备的覆盖区域内可形成2n流信号。
请再参阅图3、图7与图8，图3示出了本申请另一实施例的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备的结构图，图3中的全向天线单元20设为四个。图7示出了本申请一实施例的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备中4流全向天线水平面方向图。作为对比，图8示出了相关技术中4流全向天线水平面方向图。通过图7与图8可以得出结论，通过透镜技术可以提高全向天线单元20的增益，并在保证实现多流信号覆盖的前提下，还可以增大天线的覆盖范围。
请参阅图1或图4，在一个实施例中，每个全向天线单元20的轴线O均与人工介质透镜10的中心轴线Z相互平行设置。如此，能使得天线的各方面指标优异，符合要求。此外，每个全向天线单元20可覆盖360°扇区，因此只需要满足于全向天线单元20的轴线O与人工介质透镜10的中心轴线Z相互平行设置即可，全向天线单元20绕其轴线O发生偏转时不会对天线的性能指标构成不良影响。另外，全向天线单元20能根据实际需求绕其轴线O灵活地转动调整位置，以改善天线性能指标。
请参阅图2，图2示出了图1所示结构的侧视图。在一个实施例中，选取垂直于全向天线单元20的轴线O的平面为参考面M，每个全向天线单元20的相位中心L1与参考面M的间距设为第一距离S1，人工介质透镜10的相位中心L2与参考面M的间距设为第二距离S2，第一距离S1与第二距离S2相等。如此，能使得天线的各方面指标优异，符合要求。
请参阅图3，在一个实施例中，每个全向天线单元20到人工介质透镜10的焦距f为（0.1λ～0.2λ）mm，其中，λ为全向天线单元20所覆盖频段的中心频率的波长。如此，在确保天线水平面实现全向覆盖的同时获得最优的增益效果。
当然，作为一些可选的方案，还可以将焦距f设置为例如小于0.1λ，以及大于0.2λ的任意数值。
在一个实施例中，基于超材料透镜技术的多流全向天线设备设有多个工作频段。其中，多个工作频段具体例如包括：2300MHz-2500MHz、2515MHz-2675MHz、3300MHz-3700MHz、4800MHz-5000MHz和5150MHz-5850MHz。
请参阅图1，在一个实施例中，当人工介质透镜10呈圆柱形时，人工介质透镜10的直径与高度的比值设为M，1≤M≤2。如此，经过大量试验研究发现，天线的各方面性能指标优异，符合要求。当然，在一些可选的方案中，M还可以是设置为小于1以及大于2的任意数值。
请参阅图1或图4，在一个实施例中，基于超材料透镜技术的多流全向天线设备还包括绝缘支撑座30。人工介质透镜10与各个全向天线单元20均设置于绝缘支撑座30上。如此，绝缘支撑座30将人工介质透镜10以及各个全向天线单元20组装在一起，一方面使得各个全向天线单元20绕人工介质透镜10的周向间隔设置，另一方面使得各个全向天线单元20均和人工介质透镜10设有间距。此外，绝缘支撑座30由于采用绝缘材料，而非金属材料，因此对全向天线单元20的覆盖区域不造成干涉。
请参阅图1或图4，具体而言，绝缘支撑座30包括第一安装部31以及与全向天线单元20对应设置的多个第二安装部32。第一安装部31设置于绝缘支撑座30的中部部位，各个第二安装部32绕第一安装部31的轴向依次间隔设置。人工介质透镜10设置于第一安装部31，各个全向天线单元20对应设置于各个第二安装部32上。其中，第一安装部31例如设置为凹部，并与人工介质透镜10对应设置，使得能稳定地放置人工介质透镜10，放置人工介质透镜10移动。另外，第二安装部32例如设置为插槽，具体例如卡槽，全向天线单元20例如可拆卸地卡接装设于第二安装部32中，如此能方便拆装全向天线单元20。
在一些可选的方案中，各个第二安装部32与第一安装部31的间距大小可调。此外，全向天线单元20例如可拆卸地装设于第二安装部32，人工介质透镜10例如可拆卸地装设于第一安装部31。如此，通过调整各个第二安装部32与第一安装部31的间距大小，从而能相应调整各个全向天线单元20与人工介质透镜10的距离，也即能调整焦距f到合适值，进而使得绝缘支撑座30适合于将多种类型的人工介质透镜10与多个全向天线单元20组装在一起。
在一些可选的方案中，第一安装部31内部设有第一高度调节件（图中未示出），第一高度调节件包括但不限于设置呈螺栓、垫件等各种形式，第一高度调节件能对人工介质透镜10的高度根据实际需求进行灵活调整。此外，第二安装部32内部设有第二高度调节件（图中未示出），第二高度调节件包括但不限于设置呈螺栓、垫件等各种形式，第二高度调节件能对全向天线单元20的高度根据实际需求进行灵活调整。如此，能实现每个全向天线单元20的相位中心L1与参考面M的第一距离S1和人工介质透镜10的相位中心L2与参考面M的第二距离S2相等，使得天线设备的各方面性能指标符合要求。
请参阅图1或图4，在一个实施例中，每个全向天线单元20包括基板21、辐射部22、接地部23以及同轴线缆24。辐射部22与接地部23设置于基板21上，辐射部22与同轴线缆24的内导体电性连接，接地部23与同轴线缆24的外导体电性连接。可选地，辐射部22与接地部23各自包括但不限于印刷、电镀、3D打印、粘接、沉积等方式设置于基板21表面上的金属层。
在一个实施例中，将覆盖频率为5150MHz-5850MHz超材料透镜技术4流全向天线设备配置在室内吸顶式AP内，构成吸顶式4MIMO超材料AP。将吸顶式4MIMO超材料AP安装在天花板上，对办公区域进行覆盖试点实验，与相关技术中的吸顶式AP的覆盖效果进行对比。其中，办公区域为L形，将吸顶式AP安装在拐角位置，在L形两边各选取3个点位，再加上安装AP的位置共7点位进行试点测试。
将相关技术中的吸顶式AP与本实施例中的吸顶式4MIMO超材料AP的覆盖效果进行对比：
1、本实施例中的吸顶式4MIMO超材料AP与相关技术中的吸顶式AP相比较，用PC终端测试平均场强（RSRP）提高6.7dB；
2、本实施例中的吸顶式4MIMO超材料AP与相关技术中的吸顶式AP相比较，用PC终端测试平均下载速率提高80.9Mbps，提升32.5%；
3、本实施例中的吸顶式4MIMO超材料AP与相关技术中的吸顶式AP相比较，用PC终端测试平均上传速率提高62.2Mbps，提升32%。
具体测试对比结果如下表。
通过上述表格可以得出结论：将相关技术中的吸顶式AP更换为本实施例中的吸顶式4MIMO超材料AP后，覆盖信号强度更强，覆盖能力提升明显，远端的信号改善明显，同时接收终端的下载速率和上传速率也能得到显著提升。
在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语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申请和简化描述，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申请的限制。
此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，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至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，其特征在于，所述基于超材料透镜技术的多流全向天线设备包括：
人工介质透镜；以及
多个全向天线单元，所述全向天线单元的数量为偶数个，所有全向天线单元绕所述人工介质透镜的周向依次间隔设置。
2.根据权利要求1所述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，其特征在于，所述人工介质透镜呈圆柱形、胶囊形、球形或椭球形。
3.根据权利要求1所述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，其特征在于，所有全向天线单元等间隔地布置在所述人工介质透镜的外围。
4.根据权利要求1所述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，其特征在于，每个所述全向天线单元的轴线均与所述人工介质透镜的中心轴线相互平行设置。
5.根据权利要求4所述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，其特征在于，选取垂直于所述全向天线单元的轴线的平面为参考面，每个所述全向天线单元的相位中心与所述参考面的间距设为第一距离，所述人工介质透镜的相位中心与所述参考面的间距设为第二距离，所述第一距离与所述第二距离相等。
6.根据权利要求1所述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，其特征在于，每个所述全向天线单元到所述人工介质透镜的焦距为（0.1λ～0.2λ）mm，其中，λ为所述全向天线单元所覆盖频段的中心频率的波长。
7.根据权利要求1所述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，其特征在于，所述基于超材料透镜技术的多流全向天线设备设有多个工作频段，多个所述工作频段包括：2300MHz-2500MHz、2515MHz-2675MHz、3300MHz-3700MHz、4800MHz-5000MHz和5150MHz-5850MHz。
8.根据权利要求1所述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，其特征在于，当所述人工介质透镜呈圆柱形时，所述人工介质透镜的直径与高度的比值设为M，1≤M≤2。
9.根据权利要求1所述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，其特征在于，所述基于超材料透镜技术的多流全向天线设备还包括绝缘支撑座，所述人工介质透镜与各个所述全向天线单元均设置于所述绝缘支撑座上。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的基于超材料透镜技术的多流全向天线设备，其特征在于，每个所述全向天线单元包括基板、辐射部、接地部以及同轴线缆，所述辐射部与所述接地部设置于所述基板上，所述辐射部与所述同轴线缆的内导体电性连接，所述接地部与所述同轴线缆的外导体电性连接。
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