CN215119254U - 一种波束转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种波束转换装置，包括：柱状介质透镜和微带板；柱状介质透镜具有不同介电常数的多层同心圆结构，微带板设于柱状介质透镜的中芯部；微带板包括介质板及形成在介质板两侧的金属贴片矩阵。本实用新型提供的波束转换装置，通过多层不同介电常数的同心圆结构构成柱状介质透镜实现延迟透镜的功能，可将入射电磁波波束初步聚焦；电磁波在经过中心的微带板，通过微带板两侧的金属贴片矩阵，充当频率选择的功能，其在谐振频率上对电磁波具有全反射或者全传输的性能，达到滤除或选择特定频段的电磁波的目的，进一步对波束聚焦，达到高增益窄波束的目的，本实用新型结构简单，可采用均匀低损耗介质加工组装，重量轻且便于批量生产。

Description

一种波束转换装置

技术领域

本实用新型涉及通信技术领域，尤其涉及一种波束转换装置。

背景技术

5G通信已经开始商用，在提供高速率、低时延、高可靠的数据传输的同时也面临很多挑战。为实现扩容、增密的目的，运营商采用超密集组网、大规模天线，其在增加业务流量密度的同时，也消耗了大量的资源，维持业务需求和资源能耗的平衡，降本增效是运营商当前的最大挑战。

在深度覆盖及容量覆盖区域，为实现特定形状的区域覆盖，一般采用赋形天线来进行容量覆盖及补盲，通过对天线单元赋予不同的阵因子来控制波束，是以牺牲增益的代价来实现赋形，尤其是在需要低副瓣、强指向性的情况下，其方向性系数更低。另外一种方法是采用luneberg(伦勃)介质减速透镜来实现目的，通过调节透镜的形状及折射率，改变入射电磁波的相速，迫使电磁波聚焦于一点，可以实现高增益、压窄波束、低副瓣等效果。理论上透镜天线的研究已取得了很多阶段性成果，但在实际应用中luneberg透镜天线还存在很多问题，例如难以控透镜介电常数从球心沿径向的连续均匀渐变，剖面尺寸过大占用太多天馈资源、不易实现透镜球的批量生产、整机重量过重不便于安装等缺点。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种波束转换装置。

为达到上述目的，本实用新型采用了如下所述的技术方案：

一种波束转换装置，其包括：柱状介质透镜和微带板；所述柱状介质透镜具有不同介电常数的多层同心圆结构，所述微带板设于所述柱状介质透镜的中芯部；所述微带板包括介质板及形成在所述介质板两侧的金属贴片矩阵。

作为本实用新型提供的所述的波束转换装置的一种优选实施方式，两侧的所述金属贴片矩阵关于介质板中心对称。

作为本实用新型提供的所述的波束转换装置的一种优选实施方式，每一所述金属贴片矩阵包括周期性阵列排布的贴片，所述贴片的直径为Φ3＝0.02～0.15λ，相邻所述贴片间隔长度为t＝0.03～0.2λ，λ为辐射源的中心频率波长。

作为本实用新型提供的所述的波束转换装置的一种优选实施方式，所述介质板上还包括围设在每一所述金属贴片矩阵外围的围框，所述围框的宽度等于所述贴片的直径。

作为本实用新型提供的所述的波束转换装置的一种优选实施方式，所述柱状介质透镜包括空心圆柱及嵌套于所述空心圆柱里的实心柱芯，所述微带板设于所述实心柱芯的中芯部，所述空心圆柱和实心柱芯之间折射率不同。

作为本实用新型提供的所述的波束转换装置的一种优选实施方式，所述空心圆柱的直径Φ1＝0.8～2λ，所述实心柱芯的直径Φ2＝0.2～1.2λ，所述微带板面积小于所述实心柱芯的剖面面积。

作为本实用新型提供的所述的波束转换装置的一种优选实施方式，所述实心柱芯包括中心内凹的两个半圆柱，所述两个半圆柱对位后内凹处形成凹槽，所述微带板置于所述凹槽中。

作为本实用新型提供的所述的波束转换装置的一种优选实施方式，所述波束转换装置从外到内的各层的介电常数依次增大。

作为本实用新型提供的所述的波束转换装置的一种优选实施方式，所述柱状介质透镜设于辐射源的正上方，所述柱状介质透镜的中心距所述辐射源表面的高度h＝0.4～1.5λ，λ为辐射源的中心频率波长。

作为本实用新型提供的所述的波束转换装置的一种优选实施方式，所述辐射源为带反射板的半波偶极子天线或喇叭天线。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的波束转换装置，通过多层不同介电常数的同心圆结构构成柱状介质透镜实现延迟透镜的功能，可将入射电磁波波束初步聚焦；电磁波在经过中心的微带板，通过所述微带板两侧的金属贴片矩阵，充当频率选择的功能，其在谐振频率上对电磁波具有全反射或者全传输的性能，达到滤除或选择特定频段的电磁波的目的，因此可以进一步对波束聚焦，达到高增益窄波束的目的，本实用新型波束转换装置结构简单，可采用均匀低损耗介质加工组装，重量轻且便于批量生产。

附图说明

图1为本实用新型波束转换装置的结构示意图，图中柱状介质透镜透视显示；

图2为本实用新型波束转换装置的爆炸图；

图3为本实用新型波束转换装置中微带板的爆炸图；

图4为本实用新型波束转换装置中微带板的俯视图；

图5为本实用新型波束转换装置中实心柱芯与微带板的装配图；

图6为本实用新型波束转换装置装配于辐射源的结构示意图；

图7为本实用新型波束转换装置装配于辐射源后的侧视图；

图8为使用本实用新型波束转换装置前后的辐射性能对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

请参考图1～5，本实施例提供了一种波束转换装置100，其包括：

柱状介质透镜1，其具有不同介电常数的多层同心圆结构；

微带板2，其设于所述柱状介质透镜1的中芯部；所述微带板2包括介质板21及形成在所述介质板21两侧的金属贴片矩阵22。

具体地，两侧的所述金属贴片矩阵22关于所述介质板21中心对称，两侧的所述金属贴片矩阵22等效为电容器，通过金属贴片221的大小改变电容值，进而影响等效电路模型的传输函数，改变其相位相应，达到补偿球面波相位的目的。每一所述金属贴片矩阵22包括周期性阵列排布的贴片221，每一所述贴片221的直径为Φ3＝0.02～0.15λ，相邻所述贴片221间隔长度为t＝0.03～0.2λ，组成一个m*n的贴片矩阵22，其中λ为辐射源200的中心频率波长。

进一步地，所述介质板21上还包括围设在每一所述金属贴片矩阵22外围的围框23，所述围框23的宽度d1等于所述贴片221的直径Φ3。其中，所述贴片221不仅限于圆形贴片，也可使用正方形、多边形等形状。

所述波束转换装置100从外到内的各层的介电常数依次增大，即所述柱状介质透镜1的各层结构以及所述微带板2的介电常数互不相同，且每层为均匀介电常数，不同于伦勃透镜从球心到球面连续渐变介电常数。

优选但不限定地，所述柱状介质透镜1包括空心圆柱11及嵌套于所述空心圆柱11里的实心柱芯12，所述微带板2设于所述实心柱芯12的中芯部，所述空心圆柱11和实心柱芯12之间折射率不同。其中，所述空心圆柱11的直径Φ1＝0.8～2λ，所述实心柱芯12的直径Φ2＝0.2～1.2λ，Φ1＞Φ2，所述微带板2面积小于所述实心柱芯12的剖面面积。为了能够内置所述微带板2，所述实心柱芯12包括中心内凹的两个半圆柱121，所述两个半圆柱121对位后内凹处形成凹槽122，所述微带板2置于所述凹槽122中。所述空心圆柱11和实心柱芯12均由聚苯乙烯材料混合钛酸钡粉制成，添加钛酸钡粉体不仅可以控制介电常数，还可降低介电损耗和减少柱体质量。所述空心圆柱11、实心柱芯12、微带板2三种介质的介电常数分别为ε_r1，ε_r2，ε_r3，ε_r1＜ε_r2＜ε_r3，即介电常数从圆心至外，逐层降低。

所述实心柱芯12镶嵌于空心圆柱11之内，两者组成延迟透镜的结构，因两者之间折射率不同，可以使入射波电长度变大，等效于减小了相速，使其波前相位被延迟。

请参考图6、7，所述柱状介质透镜1设于辐射源200的正上方，优选地，所述空心圆柱11通过多个插销式单飞机头支撑柱3固定在所述辐射源200的辐射臂上，辐射臂上有相应的圆形孔位。所述柱状介质透镜1的中心距所述辐射源200表面的高度h＝0.4～1.5λ，λ为辐射源200的中心频率波长。进一步地，所述辐射源200为电磁波发生器，其中辐射源200优选为带反射板220的半波偶极子天线，具体地包括辐射单元210和反射板220；所述反射板220为具有四个折边的金属板，可使无方向性辐射源200朝定向辐射。所述辐射源200还可用喇叭天线做为辐射源200，使用喇叭天线时无需加反射板220。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的波束转换装置100，通过多层不同介电常数的同心圆结构构成柱状介质透镜1实现延迟透镜的功能，可将入射电磁波波束初步聚焦；电磁波在经过中心的微带板2，通过所述微带板2两侧的金属贴片矩阵22，充当频率选择的功能，其在谐振频率上对电磁波具有全反射或者全传输的性能，达到滤除或选择特定频段的电磁波的目的，因此可以进一步对波束聚焦，达到高增益窄波束的目的。本实用新型波束转换装置100结构简单，可采用均匀低损耗介质加工组装，重量轻且便于批量生产。本实用新型波束转换装置100可将散射的电磁波能量聚焦于特定区域，实现高定向辐射，达到波束收窄、能量增密、降低后瓣比的目的。

参考图8，实线为辐射源200未加波束转换转置时的方向图，虚线为辐射源200加本实用新型波束转换装置100后的方向图，未加时增益为8.77dBi，3dB波束宽度为64.04°，加之后增益为13.64dBi，3dB波束宽度为36.74°，由此可见，加波束转换装置100之后增益有明显提升，波束宽度愈发收窄。本实用新型波束转换装置100，通过不同介质构成的减速透镜对入射电磁波聚焦，再通过微带板2构成基于频率选择表面的平面透镜来使天线增益提高，此装置100具有体积小、批量生产方便、性能优越等优点。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”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。在本实用新型的描述中，“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。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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实用新型中的具体含义。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波束转换装置，其特征在于，其包括：柱状介质透镜和微带板；所述柱状介质透镜具有不同介电常数的多层同心圆结构，所述微带板设于所述柱状介质透镜的中芯部；所述微带板包括介质板及形成在所述介质板两侧的金属贴片矩阵。

2.根据权利要求1所述的波束转换装置，其特征在于，两侧的所述金属贴片矩阵关于介质板中心对称。

3.根据权利要求1或2所述的波束转换装置，其特征在于，每一所述金属贴片矩阵包括周期性阵列排布的贴片，所述贴片的直径为Φ3＝0.02～0.15λ，相邻所述贴片间隔长度为t＝0.03～0.2λ，λ为辐射源的中心频率波长。

4.根据权利要求3所述的波束转换装置，其特征在于，所述介质板上还包括围设在每一所述金属贴片矩阵外围的围框，所述围框的宽度等于所述贴片的直径。

5.根据权利要求1所述的波束转换装置，其特征在于，所述柱状介质透镜包括空心圆柱及嵌套于所述空心圆柱里的实心柱芯，所述微带板设于所述实心柱芯的中芯部，所述空心圆柱和实心柱芯之间折射率不同。

6.根据权利要求5所述的波束转换装置，其特征在于，所述空心圆柱的直径Φ1＝0.8～2λ，所述实心柱芯的直径Φ2＝0.2～1.2λ，所述微带板面积小于所述实心柱芯的剖面面积。

7.根据权利要求5或6所述的波束转换装置，其特征在于，所述实心柱芯包括中心内凹的两个半圆柱，所述两个半圆柱对位后内凹处形成凹槽，所述微带板置于所述凹槽中。

8.根据权利要求1所述的波束转换装置，其特征在于，所述波束转换装置从外到内的各层的介电常数依次增大。

9.根据权利要求1所述的波束转换装置，其特征在于，所述柱状介质透镜设于辐射源的正上方，所述柱状介质透镜的中心距所述辐射源表面的高度h＝0.4～1.5λ，λ为辐射源的中心频率波长。

10.根据权利要求9所述的波束转换装置，其特征在于，所述辐射源为带反射板的半波偶极子天线或喇叭天线。

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