CN219739303U - 波束指向可变的金属介质透镜天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种波束指向可变的金属介质透镜天线，涉及通信用天线技术领域。所述天线包括支撑筒，所述支撑筒的下部设置有介质透镜，所述介质透镜上侧的支撑筒内设置有与其匹配的金属板透镜，所述介质透镜外侧的支撑筒上固定有底环，所述底环用于将所述介质透镜固定到所述支撑筒内，所述金属板透镜上侧的支撑筒上固定有压环，所述压环用于将所述金属板透镜固定到所述介质透镜上，所述介质透镜的下表面固定有馈源，电磁波信号经所述馈源传入所述介质透镜并经所述金属板透镜向外辐射。所述天线具有效率更高、扫描损失小、主波束的扫描范围大等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信用天线技术领域，尤其涉及一种波束指向可变的金属介质透镜天线。
背景技术
天线作为无线通信系统和雷达系统等系统中缺一不可的重要组件，天线的性能决定了整个无线系统的性能和质量。随着以5G、物联网为代表的无线通信技术的全面推进，迫切需要开发合适其应用场景的高品质天线组件。透镜天线作为天线的一个重要分支，广泛用于移动通信、毫米波通信、卫星通信等方面。
传统的集成透镜结构是异形介质透镜加上馈源天线的结构，这种结构常有整体高度高和明显的扫描损失的问题(即随着扫描角度的增加天线的增益降低)。此外，这种传统的集成透镜结构还有介电和溢出损失。溢出损失与焦距有关，当焦距减小时，拓展截面也减小，使得溢出损失也减小。介电损耗取决于介电材料的尺寸和损耗角正切，焦距越小，介质损耗越小。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种效率更高、扫描损失小、主波束的扫描范围大的金属介质透镜天线。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种波束指向可变的金属介质透镜天线，包括支撑筒，所述支撑筒的下部设置有介质透镜，所述介质透镜上侧的支撑筒内设置有与其匹配的金属板透镜，所述介质透镜外侧的支撑筒上固定有底环，所述底环用于将所述介质透镜固定到所述支撑筒内，所述金属板透镜上侧的支撑筒上固定有压环，所述压环用于将所述金属板透镜固定到所述介质透镜上，所述介质透镜的下表面固定有馈源，电磁波信号经所述馈源传入所述介质透镜并经所述金属板透镜向外辐射；
所述介质透镜包括位于下侧的第一圆柱部，所述第一圆柱部的上侧形成有第二圆柱部，所述第二圆柱部的上表面形成有类半球形部，所述第二圆柱部的直径大于所述第一圆柱部的直径，所述类半球形部的直径小于所述第一圆柱部的直径，所述类半球形部的外表面形成有若干个向上延伸的第一凸起，所述第一圆柱部的下表面形成有向下延伸的第二凸起，所述第二凸起插入到所述馈源中，所述第一凸起插入到所述金属板透镜中；
所述金属板透镜的下表面与所述类半球形部的上表面相适配，所述金属板透镜包括若干片呈十字交叉的金属板，所述金属板与金属板之间构成若干个插槽，所述第一凸起插入到对应的所述插槽内；
所述馈源包括上壳体和下壳体，所上壳体与所述下壳体固定连接后在其之间形成有波导腔，所述波导腔的外侧端部为矩形口，所述波导腔体的内侧端部为正方形口，所述第二凸起插入到所述正方形口内。
进一步的技术方案在于：所述类半球形部的表面曲线公式为：
其中，y和z是介质透镜曲线上的点在平面直角坐标系下的坐标值，f是介质透镜的焦距，εr是介质透镜的相对介电常数，εm是金属板的有效介电常数，这个有效介电常数满足公式εm＝1-(λ0/(2a))2，其中a是金属板间距，λ0是自由空间波长。
进一步的技术方案在于：所述插槽的上端开口四周的金属板上分别形成有一个倒金字塔形槽。
优选的：所述倒金字塔形槽位于所述插槽侧壁的中心。
进一步的技术方案在于：所述支撑筒的下部设置有卡槽，所述第二圆柱部卡入卡槽内，所述底环的内径与所述第一圆柱部的外径相适配，通过所述底环将所述第二圆柱部夹紧到所述支撑筒的下部
进一步的技术方案在于：所述波导腔的上侧壁和下侧壁上分别形成有一个阶梯过渡结构，每个阶梯过渡结构上的阶梯从所述正方形口到所述矩形口方向的长度逐渐减小，通过两个阶梯过渡结构使得所述正方形口过渡为矩形口。
优选的，所述矩形口为标准波导接口。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：该透镜天线的是介质透镜与金属板透镜相结合的集成金属面透镜结构(integrated metal lens)，再加上馈源，构成的集成金属板透镜天线。所述天线中，具有效率更高的低剖面集成金属板透镜，工作在E频段(71-76GHz)，天线的扫描损失问题有明显改善，主波束的扫描范围在+/-30°。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型实施例所述天线的立体结构示意图；
图2是本实用新型实施例所述天线的剖视结构示意图；
图3是本实用新型实施例所述天线中支撑筒的结构示意图；
图4a-图4d是本实用新型实施例所述天线中介质透镜的结构示意图；
图5a-图5e是本实用新型实施例所述天线中金属板透镜的结构示意图；
图6是本实用新型实施例所述天线中馈源的结构示意图；
图7是本实用新型实施例所述馈源中下壳体的结构示意图；
图8是本实用新型实施例所述馈源中上壳体的结构示意图；
图9是本实用新型实施例所述天线中底环的结构示意图；
图10是实用新型实施例所述天线中压环的结构示意图；
其中：1、支撑筒；1-1、卡槽；2、介质透镜；2-1、第一圆柱部；2-2、第二圆柱部；2-3、类半球形部；2-4、第一凸起；2-5、第二凸起；3、金属板透镜；3-1、金属板；3-2、插槽；3-3、倒金字塔形槽；4、底环；5、压环；6、馈源；6-1、上壳体；6-2、下壳体；6-3、矩形口；6-4、正方形口；6-5、阶梯过渡结构。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他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实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-图10所示，本实用新型实施例公开了一种波束指向可变的金属介质透镜天线，包括支撑筒1，所述支撑筒1的下部设置有介质透镜2，所述介质透镜2上侧的支撑筒1内设置有与其匹配的金属板透镜3。所述介质透镜2外侧的支撑筒1上固定有底环4，所述底环4用于将所述介质透镜2固定到所述支撑筒1内，所述金属板透镜3上侧的支撑筒1上固定有压环5，所述压环5用于将所述金属板透镜3固定到所述介质透镜2上，所述介质透镜2的下表面固定有馈源6，电磁波信号经所述馈源6传入所述介质透镜2并经所述金属板透镜3向外辐射。
本申请中该透镜天线的是介质透镜与金属板透镜相结合的集成金属面透镜结构(integrated metal lens)，再加上馈源，构成集成金属板透镜天线。所述天线中，具有效率更高的低剖面集成金属板透镜，工作在E频段(71-76GHz)，天线的扫描损失问题有明显改善，主波束的扫描范围在+/-30°。
如图4a-图4d所示，所述介质透镜2包括位于下侧的第一圆柱部2-1，所述第一圆柱部2-1的上侧形成有第二圆柱部2-2，所述第二圆柱部2-2的上表面形成有类半球形部2-3，所述类半球形部2-3的四面各形成有一个切口，用于方便与所述金属板透镜3配合安装。所述第二圆柱部2-2的直径大于所述第一圆柱部2-1的直径，使得所述第二圆柱部2-2相对于所述第一圆柱部2-1向外延伸而形成凸台结构，通过所述凸台结构方便通过所述底环4将所述介质透镜2夹持到所述支撑筒1的下部。所述类半球形部2-3的直径小于所述第一圆柱部2-1的直径，所述类半球形部2-3的外表面形成有若干个向上延伸的第一凸起2-4，所述第一圆柱部2-1的下表面形成有向下延伸的第二凸起2-5，所述第二凸起2-5插入到所述馈源6中，所述第一凸起2-4插入到所述金属板透镜3中，馈源6输出的信号经所述第二凸起2-5传输到所述介质透镜2的第一圆柱部2-1中，再经第二圆柱部2-2、类半球形部2-3后通过所述第一凸起2-4传输到所述金属板透镜3中，电磁波信号最后经金属板透镜3传播后向外辐射。
进一步的，如图3所示，所述支撑筒1的下部设置有卡槽1-1，所述第二圆柱部2-2卡入卡槽1-1内，所述底环4的内径与所述第一圆柱部2-1的外径相适配，通过所述底环4将所述第二圆柱部2-2夹紧到所述支撑筒1的下部
进一步的，如图5a-图5e所示，所述金属板透镜3的下表面与所述类半球形部2-3的上表面相适配，所述金属板透镜3包括若干片呈十字交叉的金属板3-1，所述金属板3-1与金属板3-1之间构成若干个插槽3-2，所述第一凸起2-4插入到对应的所述插槽3-2内。所述插槽3-2的上端开口四周的金属板上分别形成有一个倒金字塔形槽3-3。优选的，所述倒金字塔形槽3-3位于所述插槽3-2的侧壁的中心。
进一步的，本申请中介质透镜的表面曲线公式为：
其中，f是介质透镜的焦距，εr是介质材料的相对介电常数，εm是金属板透镜中金属板的有效介电常数，这个有效介电常数满足公式εm＝1-(λ0/(2a))2，其中a是金属板的间距，λ0是自由空间波长。由于εm是频率的函数，所以透镜的工作带宽是受限的。焦距可以利用介质材料和金属板区域之间较大的相对介电常数梯度来减小。介质材料选择HDPE(选择该材料是因为较低的介电常数对于降低透镜的焦距更有效)。
金属板透镜的有效介电常数较小，可以进一步减小焦距。减小金属板之间的距离可以得到更小的有效介电常数。理论上，只要平行金属板间距大于0.5λ0，金属板透镜即有效。然而当a＜0.55λ0时，波阻抗很大，使得介质透镜到金属板透镜和金属板透镜到自由空间的辐射受影响。因此实际设计时，要保证a＞0.55λ0。
具体的，设计的金属板透镜结构可以由58片不锈钢板交叉构成，沿YZ平面有29片，沿XZ平面有29片。在正交方向上定位金属板的主要目的是实现双极化操作，另一个好处就是可以正确定位金属板并加强金属板的稳定性。理论上，不锈钢板沿一个方向排布可以实现单极化辐射，但是板厚度只有50μm的状态下其强度不足以支撑金属板等间距排列。
由于介质透镜2与金属板透镜3之间以及金属板透镜3与自由空间之间介电常数的巨大差异，导致相应界面上有明显的反射。因此需要适当的匹配层来提高集成金属板透镜结构的性能。
介质透镜2与金属板透镜3之间的匹配层结构：介质透镜2表面的第一凸起2-4结构。由于介质透镜2与金属板透镜3之间的介电常数的差异，造成阻抗失配从而导致电磁波反射。金属板3-1间隔a＝2.28mm相互交叉形成波导，介质透镜2表面的第一凸起2-4结构形成匹配层，用以减小目标波导中的反射。梯形的第一凸起2-4呈波纹状位于介质透镜2的表面。介质凸起嵌在波导腔体内部，在介质透镜2和金属板透镜3的界面上，波导与介质平面交界处的开放角度沿坐标轴从0°到70°变化。梯形介质凸起的底边倾斜角度与对应的波导口开放角度保持一致。
金属板透镜3到自由空间的匹配层：金属板透镜3与自由空间的界面处，可将金属板透镜3视为二维方波导阵列。通过在波导辐射口面的金属壁上放置倒金字塔形槽3-3，使向自由空间的辐射的开放式方形波导的口面反射降到最低，金字塔形槽3-3的位置一般位于波导壁的中心。
本申请中介质透镜与金属板透镜之间的第一凸起，以及介质透镜与馈源之间的第二凸起，用于优化两者之间的阻抗匹配，减小两个界面之间的电磁波反射。
进一步的，如图6所示，所述馈源6包括上壳体6-1和下壳体6-2，所述上壳体6-1与所述下壳体6-2固定连接后在其之间形成有波导腔，所述波导腔的外侧端部为矩形口6-3，所述矩形口6-3为标准波导接口，优选的，本申请中使用的馈电端口是标准WR12波导端口。所述波导腔体的内侧端部为正方形口6-4，所述第二凸起2-5插入到所述正方形口6-4内。。
矩形波导口到正方形波导口的转换是通过在矩形口和方口之间加六个不锈钢板来实现的，详细的，如图7-图8所示，所述波导腔的上侧壁和下侧壁上分别形成有一个阶梯过渡结构6-5，每个阶梯过渡结构6-5上的阶梯从所述正方形口6-4到所述矩形口6-3方向的长度逐渐减小，通过两个阶梯过渡结构6-5使得所述正方形口6-4过渡为矩形口6-3。
Claims (7)
1.一种波束指向可变的金属介质透镜天线，其特征在于：包括支撑筒(1)，所述支撑筒(1)的下部设置有介质透镜(2)，所述介质透镜(2)上侧的支撑筒(1)内设置有与其匹配的金属板透镜(3)，所述介质透镜(2)外侧的支撑筒(1)上固定有底环(4)，所述底环(4)用于将所述介质透镜(2)固定到所述支撑筒(1)内，所述金属板透镜(3)上侧的支撑筒(1)上固定有压环(5)，所述压环(5)用于将所述金属板透镜(3)固定到所述介质透镜(2)上，所述介质透镜(2)的下表面固定有馈源(6)，电磁波信号经所述馈源(6)传入所述介质透镜(2)并经所述金属板透镜(3)向外辐射；
所述介质透镜(2)包括位于下侧的第一圆柱部(2-1)，所述第一圆柱部(2-1)的上侧形成有第二圆柱部(2-2)，所述第二圆柱部(2-2)的上表面形成有类半球形部(2-3)，所述第二圆柱部(2-2)的直径大于所述第一圆柱部(2-1)的直径，所述类半球形部(2-3)的直径小于所述第一圆柱部(2-1)的直径，所述类半球形部(2-3)的外表面形成有若干个向上延伸的第一凸起(2-4)，所述第一圆柱部(2-1)的下表面形成有向下延伸的第二凸起(2-5)，所述第二凸起(2-5)插入到所述馈源中，所述第一凸起(2-4)插入到所述金属板透镜(3)中；
所述金属板透镜(3)的下表面与所述类半球形部(2-3)的上表面相适配，所述金属板透镜(3)包括若干片呈十字交叉的金属板(3-1)，所述金属板(3-1)与金属板(3-1)之间构成若干个插槽(3-2)，所述第一凸起(2-4)插入到对应的所述插槽(3-2)内；所述馈源(6)包括上壳体(6-1)和下壳体(6-2)，所述上壳体(6-1)与所述下壳体(6-2)固定连接后在其之间形成有波导腔，所述波导腔的外侧端部为矩形口(6-3)，所述波导腔体的内侧端部为正方形口(6-4)，所述第二凸起(2-5)插入到所述正方形口(6-4)内。
2.如权利要求1所述的波束指向可变的金属介质透镜天线，其特征在于：所述类半球形部(2-3)的表面曲线公式为：
其中，y和z是介质透镜曲线上的点在平面直角坐标系下的坐标值，f是介质透镜的焦距，εr是介质透镜的相对介电常数，εm是金属板的有效介电常数，这个有效介电常数满足公式εm＝1-(λ0/(2a))2，其中a是金属板间距，λ0是自由空间波长。
3.如权利要求2所述的波束指向可变的金属介质透镜天线，其特征在于：所述插槽(3-2)的上端开口四周的金属板上分别形成有一个倒金字塔形槽(3-3)。
4.如权利要求3所述的波束指向可变的金属介质透镜天线，其特征在于：所述倒金字塔形槽(3-3)位于所述插槽(3-2)的侧壁的中心。
5.如权利要求1所述的波束指向可变的金属介质透镜天线，其特征在于：所述支撑筒(1)的下部设置有卡槽(1-1)，所述第二圆柱部(2-2)卡入卡槽(1-1)内，所述底环(4)的内径与所述第一圆柱部(2-1)的外径相适配，通过所述底环(4)将所述第二圆柱部(2-2)夹紧到所述支撑筒(1)的下部。
6.如权利要求1所述的波束指向可变的金属介质透镜天线，其特征在于：所述波导腔的上侧壁和下侧壁上分别形成有一个阶梯过渡结构(6-5)，每个阶梯过渡结构(6-5)上的阶梯从所述正方形口(6-4)到所述矩形口(6-3)方向的长度逐渐减小，通过两个阶梯过渡结构(6-5)使得所述正方形口(6-4)过渡为矩形口(6-3)。
7.如权利要求6所述的波束指向可变的金属介质透镜天线，其特征在于：所述矩形口(6-3)为标准波导接口。
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