CN212162069U

CN212162069U - 一种多波束介质透镜天线

Info

Publication number: CN212162069U
Application number: CN202020901319.2U
Authority: CN
Inventors: 吕晨熙; 黄卫
Original assignee: BEIJING HIGHWAY TELECOMMUNICATION TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: BEIJING HIGHWAY TELECOMMUNICATION TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2030-05-25

Abstract

本申请公开了一种多波束介质透镜天线，涉及移动通信领域，包括金属底座和安装在金属底座底部的微带阵列和介质透镜，微带阵列上包括若干微带辐射单元，围绕介质透镜周向设置，微带辐射单元辐射方向朝向介质透镜设置；每个微带辐射单元电连接有微波电路，所述微波电路通过波束选择开关接入每个微带辐射单元。本申请的结构，实现垂直平面方向图主瓣方向下倾；360度范围内水平方向图波瓣扫描，方向图覆盖范围大，同时降低能耗，减少成本。

Description

一种多波束介质透镜天线

技术领域

本申请涉及移动通信领域，尤其涉及一种多波束介质透镜天线。

背景技术

透镜天线是一种能够通过电磁波，将点源或线源的球面波或柱面波转换为平面波从而获得笔形、扇形或其他形状波束的天线。通过合适设计透镜表面形状和折射率，调节电磁波的相速以获得辐射口径上的平面波前。

带有透镜的车载雷达工作在76～81G，其远距离、中距离、近距离搜索共有4个波束共用一个收发机，但车载雷达波束数量少、无法实现360度范围内高增益快速扫描。

5G系统多波束天线中，工作频率约为26～30G，每个波束的方向图用相控阵技术使波瓣水平方向横向电扫。现有的5G基站天线通过使用相控阵的方式控制微带辐射单元工作，功耗大、成本高。需要减小竖直方向的波束范围、提高波束增益，以提高设备工作效益。

实用新型内容

本申请提出一种多波束介质透镜天线，解决现有技术波束范围不佳、功耗大的问题。

本申请实施例采用下述技术方案：

本申请实施例提供一种多波束介质透镜天线，包括金属底座和安装在金属底座底部的微带阵列和介质透镜，所述介质透镜呈圆柱结构或半球结构。

所述微带阵列上包括若干微带辐射单元，所述若干微带辐射单元围绕所述介质透镜周向设置，所述微带辐射单元辐射方向朝向所述介质透镜设置；每个所述微带辐射单元电连接有微波电路；所述微波电路通过波束选择开关或移相器接入各个微带辐射单元。所述金属底座底部设置有介质外壳；所述微带阵列和介质透镜设置于所述介质外壳内。

进一步的，若干所述微带辐射单元沿着所述介质透镜周向均匀分布。

进一步的，所述微波电路通过馈线结构与本装置外部的系统电连接。

进一步的，所述微带阵列通过安装部件与所述金属底座连接。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本申请克服了现有技术水平方向扫描范围有限、竖直方向波束范围过大的缺陷。本申请的结构，实现垂直平面方向图主瓣方向下倾；在水平平面，多天线辐射单元轮流辐射，辐射方向不同，实现360度范围内水平方向图波瓣扫描，方向图覆盖范围大，同时达到了降低能耗，减少成本的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请的一种多波束介质透镜天线的系统结构实施例示意图；

图2为本申请的一种多波束介质透镜天线实施例的剖视结构示意图；

图3为本申请的一种多波束介质透镜天线实施例局部剖面结构示意图；

图4为本申请的一种多波束介质透镜天线实施例60振子扫描水平方向图；

图5为本申请的一种多波束介质透镜天线实施例每个振子的垂直方向图；

图6为本申请的一种多波束介质透镜天线的实施例的介质透镜剖视结构示意图；

图7为本申请的一种多波束介质透镜天线的多个天线水平辐射方向的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

实施例1

本实用新型实施例1提供的一种多波束介质透镜天线，包括金属底座4和安装在金属底座底部的微带阵列21和介质透镜5，金属底座底部设置有介质外壳6；微带阵列和介质透镜设置于介质外壳6内，微带阵列21通过安装部件3与所述金属底座连接，安装部件可采用介质材料，微带阵列21上包括若干微带辐射单元1，介质透镜5设置于微带阵列21环内；优选地，微带辐射单元1沿着介质透镜5周围周向均匀分布；微带辐射单元1辐射方向朝向所述介质透镜，最佳地，辐射方向与介质透镜的轴向之间垂直设置。辐射单元背向介质透镜的一面为金属地。图1中包含辐射单元1～N，共N个辐射单元；经过介质透镜后，辐射方向分别为：θ₁，θ₂，…，θ_N。

介质透镜是一种能透镜天线通过电磁波而其折射系数不等于1的三维结构。点源或线源发出的球面波或柱面波经过透镜可以变换成平面波，从而得到笔形或扇形波束。透镜的折射系数可以是位置的函数，透镜的形状决定其口面场分布。透镜可以用折射系数n大于1的自然介质制成，也可以是由金属栅网或金属片等组成的人工介质结构(n>1或n<1)。n＝c/v_φ(式中c为光速；v_φ为介质中的相速)。

介质透镜天线具有下列优点：旁瓣和后瓣小，因而方向图较好。因此，介质透镜的作用是在水平方向(与透镜轴垂直的方向)的锐形波束。

介质透镜呈半球形结构，折射率随半径变化的表达式：

式中：R表示介质球的半径大小，r表示球心到射线的径向间距，A、B为设定的系数。

每个微带辐射单元电连接有微波电路2，微带电路2通过馈线结构7与本装置外部的系统电连接。在本实施例中，微波电路2包括波束选择开关22、微波放大电路23、调制解调电路24和微波源25。

波束选择开关的多路选择输出端②与微带辐射单元电连接。其中波束选择开关采用开关芯片(例如MWA COM公司的开关产品MA4AGSW8-2或其组合)作为多波束扫描馈电网络的波束选择开关。它是利用PIN二极管来实现电路的导通和截止的。该芯片内部PIN二极管的低电容特性使其非常适合微波乃至毫米波段的馈电选择网络；PIN二极管的低阻抗特性又使其在微波、毫米波段的插入损耗非常小。

波束选择开关的总输入输出端①与微波放大电路电连接；调制解调电路与微波放大器电连接；微波源输出端与调制解调电路输入端电连接。

来自数据(DATA)接口的信号经过数模转换(DAC)后接入调制解调电路的调制端，调制输出后经过微波放大、波束选择开关、由任意一个辐射单元输出微波(或毫米波)信号；由辐射单元接收的微波(或毫米波)信号经过波束选择开关、微波放大进入调制解调器，经解调后输出、再经模数转换后(ADC)输出到数据接口。

在通过数据接口进行信号输入、输出的同时，按照设定时序控制所述波束选择开关，将调制解调电路分别接入各个微带辐射单元。通过上述结构实现多个辐射单元轮流辐射，由于各辐射单元的辐射方向不同实现扫描。在本申请的系统中，所述微带辐射单元既可实现信号发射、又可实现信号接收的功能。

实施例2

本实用新型实施例2提供的一种多波束介质透镜天线，请参阅图1、图2和图3所示，包括金属底座4和安装在金属底座底部的微带阵列21和介质透镜5，金属底座底部设置有介质外壳6；微带阵列和介质透镜设置于介质外壳内，微带阵列21通过安装部件3与所述金属底座连接，安装部件采用介质材料部件，微带阵列21上包括若干微带辐射单元1，介质透镜5设置于微带阵列21环内；微带阵列21沿着介质透镜5周围周向均匀分布，请参阅图7所示，微带辐射单元1辐射方向与介质透镜5表面之间垂直设置，介质透镜5呈柱体结构；采用介质透镜5为圆柱结构或类似圆柱形的，例如在圆柱形介质端部做圆滑处理的介质透镜体，请参阅图6所示，呈圆柱结构的介质透镜包括柱心51和套设在所述柱心上的若干层套叠层52，每层套叠层均呈管体结构，每层套叠层与所述柱心处于同一轴心线上，柱心折射率高，各套叠层折射率(或介电常数)逐渐降低，例如，折射率最大值小于1.6，折射率最小值大于等于1。本实施例相对介电常数最大值可选择2.05。

参阅图6所示结构，所述介质透镜还可以呈圆柱和半球组合结构，具体的圆柱体一端与底座连接，另一端连接半球的平面，微带辐射单元阵列环绕介质透镜分布。其中，半球体和圆柱体的直径相同，在连接面上，半径r相同的位置以相同的折射率衔接。

每个微带辐射单元电连接有微波电路2，微带电路2通过馈线结构7与本装置外部的系统电连接。

可选择方案如实施例1，微波电路2包括波束选择开关22、微波放大电路23、调制解调电路24和微波源25；所述微波电路中通过波束选择开关接入各个微带辐射单元。

相比较地，实施例1～2中，如果微波电路不使用波束选择开关，其中调制解调、微波放大电路与天线的每一个辐射单元之间使用电控移相器连接，通过波控器控制每一个辐射单元的辐射信号相位差也可实现波束扫描。由于介质透镜对波束的锐化作用，与不使用介质透镜相比功耗减少、辐射单元数量也可减少。但是，使用波束选择开关的方案与使用相控阵技术相比，功耗和成本进一步降低。

实施例3

本实施例3提供的一种多波束介质透镜天线的使用结构尺寸范围，包括：介质透镜高度H＝30～60cm、介质透镜直径D＝30～60cm、辐射单元与介质透镜表面距离2～10cm、辐射单元与底座之间的距离1～3cm。

辐射单元形式：平面微带结构(微带贴片天线或微带缝隙天线)构成的微带振子天线或微带天线，或水平渐变槽(TSA)；

辐射单元数量：9～60；

方向图：水平面扫描波束旁瓣水平-13～-15dB；竖直面波束下倾角10～45度；

工作波段：中心频率26～32G，极化方式：水平极化/垂直极化；

最佳配置：增益15～18.5dBi。

请参阅图4和图5所示，本实施例采用的最佳结构尺寸：介质柱高度H＝40cm、介质柱直径D＝40cm、辐射单元与介质透镜表面距离6cm、辐射单元与底座之间的距离2cm。

辐射单元形式：平面微带振子；

辐射单元数量：60；

工作波段：中心频率30G，极化方式：水平极化/垂直极化；

最佳配置：增益18.5dBi；

方向图：水平面：扫描波束旁瓣水平-13～-15dB；竖直面：下倾角28度。

实施例4

本实施例4提供的一种多波束介质透镜天线的应用场景：如矿区矿山矿井里面的无人驾驶的车辆运输，无人驾驶的这个采矿车，或者是各种的这种无人驾驶设备，检测前方是否有障碍物。无人操纵机器人方面，作为扫描和探测搜索方式，实现大规模的传感器之间的通信。

因为它的多个微带辐射单元可以共用一个介质透镜天线，形成一个收敛的波束，在任意范围之内扫描，本装置还可用于无人机搜索：将所述多波束介质透镜天线安装于无人机下方；还可用于室内移动通信基站：例如将所述多波束介质透镜天线安装于室内屋顶表面。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种多波束介质透镜天线，其特征在于，

包括金属底座和安装在金属底座底部的微带阵列和介质透镜，所述微带阵列上包括若干微带辐射单元，所述若干微带辐射单元围绕所述介质透镜周向设置，所述微带辐射单元辐射方向朝向所述介质透镜设置；

每个所述微带辐射单元电连接有微波电路；所述微波电路通过移相器或波束选择开关接入各个微带辐射单元；

所述金属底座底部设置有介质外壳；所述微带阵列和介质透镜设置于所述介质外壳内。

2.根据权利要求1所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，若干所述微带辐射单元沿着所述介质透镜周向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，所述介质透镜呈半球形结构。

4.根据权利要求1所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，所述介质透镜呈圆柱结构。

5.根据权利要求1所述的一种多波束介质透镜天线，其特征在于，所述微带阵列通过介质材料的安装部件与所述金属底座连接。