透镜天线

文献发布时间：2024-01-17 01:15:20

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种天线，更具体涉及一种透镜天线。

背景技术

天线是移动通信系统的关键部件之一，其性能的好坏直接影响网络的覆盖效果。

一种常用的基站天线通常为直线形阵列天线。这种天线的特性是在一定范围内，天线增益随着阵列单元数的增加而增加，但同时，直线形阵列天线的垂直面波束宽度也会随着阵列单元数量的增加而变窄。这在一些场景中是非常不利的，因为垂直面太窄会影响网络信号的覆盖效果，容易出现信号覆盖盲区，尤其在一些高容量的场景中，其劣势更加明显。

为了对这种弊端进行消除，改善信号覆盖效果，在高容量通信的场景中，通常需要采用多波束天线来实现信号覆盖。目前多波束天线通常采用巴特勒矩阵来实现，但这种类型的天线结构复杂，在天线增益高的同时，也同样存在垂直波束宽度较窄的情况。在此背景下，业界又开始寻找新的天线技术，比如高增益的透镜天线。

常见的透镜天线有由多层球体组装而成的球形龙伯透镜天线及由多层圆柱体组装而成的圆柱体透镜天线，其共同特点是将馈源放在多层球体或多层圆柱体的一侧，馈源辐射的法线方向穿过球体或圆柱体中心，使电磁波在球体或圆柱体的另一侧形成平面波，从而提升天线增益。

然而，一方面，由于技术水平限制，目前无法制造内部介电常数连续渐变的单一材料。为了实现介电常数的连续渐变特性，通常将球体和圆柱体分成多层，不同层的介电常数从里到外由2到1变化。由于多层球体是封闭构造，其加工难度比多层嵌套的圆柱体大。另一方面，由于球形穿过圆心的各个切面都是一样的，所以天线的水平面和垂直面波束比较一致，增益较高，而圆柱形的一个截面与球形一样是圆，与之垂直的另一截面是矩形，导致天线的水平面和垂直面方向图不一致，天线增益比球形龙伯透镜低，为了提升天线增益，通常在圆柱体的长度方向上增加辐射单元。

概括而言，球形龙伯透镜的水平面和垂直面波束比较一致，但是透镜本身的加工难度高，导致成本上升，而圆柱体透镜虽然加工容易，但是天线的水平面和垂直面的波束比的一致性很低。

因此，实有必要提供一种改进的透镜天线，以克服上述现有技术的缺点，从电气性能、物理特征等诸多方面对现有技术进行优化。

发明内容

本发明的目的在解决上述问题，提供一种透镜天线。

为满足本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种透镜天线，包括：

嵌套组件及设置在所述嵌套组件下方的馈源；

所述嵌套组件包括至少一个具有第一环形倾斜面的第一嵌套体及嵌入所述第一嵌套体内的尾端嵌套体，所述第一环形倾斜面及尾端嵌套体构成了所述嵌套组件的作用面，所述作用面从所述第一嵌套体到所述尾端嵌套体逐渐变窄。

优选地，所述第一嵌套体具有第一圆柱面、形成于所述第一圆柱面轴向两侧的第一环形倾斜面及轴向贯通的第一嵌套孔；所述尾端嵌套体具有尾端圆柱面。所述嵌套组件进一步包括第二嵌套体，其具有第二圆柱面、形成于所述第二圆柱面轴向两侧的第二环形倾斜面及轴向贯通的第二嵌套孔。所述尾端嵌套体套设在所述第二嵌套孔内，第二嵌套体套设在所述第一嵌套孔内。

优选地，所述尾端嵌套体进一步包括形成于所述尾端圆柱面轴向两侧的尾端环形倾斜面；所述第一环形倾斜面、对应的第二环形倾斜面及尾端环形倾斜面构成了所述作用面，所述作用面为锥形作用面。

优选地，所述第一环形倾斜面、第二环形倾斜面及尾端环形倾斜面所构成的作用面为朝着所述第一嵌套孔的轴心凸出的环形曲面。

所述嵌套组件进一步包括套设在所述第二嵌套体内的第三嵌套体、套设在所述第三嵌套体内的第四嵌套体及套设在所述第四嵌套体内的第五嵌套体；所述尾端嵌套体套设在所述第五嵌套体内；所述第二到第五嵌套体均具有对应的圆柱面、形成于对应圆柱面轴向两侧的环形倾斜面及轴向贯通的嵌套孔。

所述第一到第五嵌套体的对应环形倾斜面及尾端嵌套体构成了所述作用面，所述作用面为从第一嵌套孔的轴心向外凸出的环形曲面。从所述第一嵌套体依次到尾端嵌套体的六个嵌套体的介电常数依次增大。

优选地，第一到第五嵌套体中的每一个的环形倾斜面的轴线与各自圆柱面的轴线重合。或者，所述第一到第五嵌套体中的每一个的环形倾斜面的轴线与各自圆柱面的轴线之间形成夹角；所述尾端嵌套体的轴向两端也形成尾端环形倾斜面，其轴线与所述尾端嵌套体的尾端圆柱面的轴线之间也形成夹角。优选地，所述第一嵌套孔的底部形成开口。

进一步优选地，所述第一到第五嵌套体的相应环形倾斜面由多段均匀分布并且依次衔接的斜切面围成。所述尾端嵌套体的轴向两端也形成多段均匀分布并且依次衔接的斜切面。所述第一到第五嵌套体中每个的斜切面为扇形斜切面或半圆环斜切面或梯形斜切面。

优选地，尾端嵌套体的尾端圆柱面上形成八段均匀分布并且依次衔接的矩形切面，从而形成正多边形棱柱结构的尾端嵌套体。进一步优选地，所述第一到第五嵌套体的相应圆柱面上形成八段均匀分布并且依次衔接的矩形切面。

相对于现有技术，本发明的优势如下：

由于本发明提供的透镜天线是在圆柱体透镜天线的基础上对其构造进行适当改变而形成，因此其整体结构类似于圆柱体透镜天线，故此整体结构简单、易于加工；同时，由于对圆柱体透镜天线的构造改良是朝着球形龙伯透镜天线的方向进行的，因此改造后的结构在性能上类似于球形龙伯透镜天线，从而也提高了天线增益，实现了多个波束，并且水平面和垂直面波束比较一致；

此外，本发明提供的透镜天线除了厚度及介电常数可以调节，还可以通过调整透镜天线两侧的锥体形状，可以调节穿过透镜不同路径的电磁波的相位，达到调节天线方向图性能的目的；

并且，在相同直径下，本发明提供的透镜天线的尺寸小于圆柱形，也可以小于球形，从而达到小型化的目的。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的透镜天线的立体图。

图2为图1所示透镜天线的立体分解图。

图3为图1所示透镜天线的轴向侧视图，展示了电磁波的辐射路径；

图4为图1所示透镜天线的法向侧视图，展示了电磁波的辐射路径；

图5为图1所示透镜天线的波束的水平面方向图。

图6为图1所示透镜天线的波束的垂直面方向图。

图7为根据本发明另一个实施例的透镜天线的立体图。

图8为图7所示透镜天线的立体分解图。

图9为根据本发明另一个实施例的透镜天线的立体图。

图10为图9所示透镜天线的立体分解图。

图11为根据本发明另一个实施例的透镜天线的立体图。

图12为图11所示透镜天线的立体分解图。

图13为图11所示透镜天线的轴向侧视图。

图14为图11所示透镜天线的法向侧视图。

图15展示了用于形成根据本发明另一个实施例的透镜天线的原始圆柱体透镜天线。

图16a展示了对图15所示的原始圆柱体透镜天线进行加工后形成的透镜天线的立体图。

图16b展示了图16a所示透镜天线的立体分解图。

图17展示了图16a-16b所示透镜天线的轴向侧视图。

图18展示了图16a-16b所示透镜天线的法向侧视图。

图19展示了用于形成根据本发明另一个实施例的透镜天线的原始圆柱体透镜天线。

图20a展示了对图19所示的原始圆柱体透镜天线进行加工后形成的透镜天线的立体图。

图20b展示了图20a所示透镜天线的立体分解图。

图21展示了图20a所示透镜天线的尾端嵌套体的放大结构图。

图22a展示了对图21所示的原始圆柱体透镜天线进行加工后形成的透镜天线的立体图。

图22b展示了图22a所示透镜天线的立体分解图。

图23展示了图22a-22b所示透镜天线的轴向侧视图。

图24展示了图22a-22b所示透镜天线的法向侧视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的实例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是实例性的，仅用于解释本发明而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

概括而言，本发明提供一种透镜天线，其包括嵌套组件及设置在所述嵌套组件下方的馈源；所述嵌套组件包括至少一个具有第一环形倾斜面的第一嵌套体及嵌入所述第一嵌套体内的尾端嵌套体，所述第一环形倾斜面及尾端嵌套体构成了所述嵌套组件的作用面，作用面从第一嵌套体到尾端嵌套体逐渐收缩。

在本发明中，通过将由多个互相嵌套的圆柱体组成的圆柱体透镜天线进行适当加工，比如加工成锥面、内凹曲面、两个或多个斜切面的形式的作用面而相应形成由多个嵌套体互相嵌套形成的透镜天线。首先，这些嵌套体本身加工容易，成本低廉，因此整个透镜天线的制造简单便捷。其次，不同的嵌套体可以具有不同的构造、厚度和介电常数，因此可以通过调整嵌套体的构造、材料厚度、介电常数来实现调节穿过透镜不同路径的电磁波的相位，从而达到调节天线方向图性能的目的。另外，在相同直径下，本发明提供的透镜天线的尺寸小于圆柱体透镜天线，也可以小于球体龙伯透镜天线，从而达到小型化的目的。

根据本发明的一个实施例，结合图1-4，一种透镜天线100包括：

嵌套组件12及设置在所述嵌套组件12下方的馈源14；

所述嵌套组件12包括：第一嵌套体122，其具有第一圆柱面1222、形成于所述第一圆柱面1222轴向两侧的第一环形倾斜面1224及轴向贯通的第一嵌套孔1226；第二嵌套体124，其具有第二圆柱面1242、形成于所述第二圆柱面1242轴向两侧的第二环形倾斜面1244及轴向贯通的第二嵌套孔1246；及尾端嵌套体126，其具有尾端圆柱面1262；

所述尾端嵌套体126套设在所述第二嵌套孔1246内，所述第二嵌套体124套设在所述第一嵌套孔1226内；每个所述第一环形倾斜面1224、对应的第二环形倾斜面1244及尾端环形倾斜面1264构成了所述嵌套组件12的一个作用面，每个所述作用面为锥形作用面。

参考图3，当电磁波在透镜天线的左视切面方向上传播时，其原理与球形龙伯透镜一致。在法线方向(与轴向垂直的方向)上，电磁波依次穿过了3层介质，也就是所述第一嵌套体122、第二嵌套体124及尾端嵌套体126，在该图中，字母O表示馈源位置，馈源O的电磁波经过A、B、C、D、E、F点后到达等相位面的P点，字母A-F分别代表不同介质(嵌套体)的分界点。在非法线方向，如图3中传播方向所示，馈源O的电磁波经过A1、B1、E1、F1点后到达P1点，即电磁波依次经过第一嵌套体122、第二嵌套体124、第一嵌套体122及空气。虽然电磁波的两个传播路径OP与OP1的路径长度不同，但由于传播路径OP经过的介质的平均介电常数大于传播路径OP1经过的介质的平均介电常数，因此实现P点和P1点位于同一个等相位面上的技术效果。

类似地，参考图4，当电磁波在透镜天线的侧视切面方向上传播时，其传播路径与透镜介质的形状相关。在法线方向(与轴向垂直的方向)上，电磁波依次穿过了3层介质，也就是所述第一嵌套体122、第二嵌套体124及尾端嵌套体126，馈源O的电磁波经过A、B、C、D、E、F点后到达等相位面的P点，字母A-F分别代表两种介质的分界点。在非法线方向图，如图中传播方向所示，馈源O的电磁波经过A1、B1、C1、D1点后到达P1点，即电磁波依次经过第一嵌套体122、第二嵌套体124及尾端嵌套体126及空气，这点与图3不同，即在非法线方向传播时，电磁波不一定都从第一嵌套体122折射后到达P1点，也可能从第二嵌套体124或尾端嵌套体126穿出后直接到达P1点，同理，电磁波入射时也不一定先穿过第一嵌套体122，与法线方向的夹角较大时，电磁波会从尾端嵌套体126入射后从该尾端嵌套体126穿出，直接到达P1点。虽然电磁波的两个传播路径OP与OP1的路径长度不同，但由于OP经过的介质平均介电常数大于OP1，因此也实现了P和P1位于同一个等相位面上的技术效果。

图5为图1所示透镜天线的波束的水平面方向图。图6为图1所示透镜天线的波束的垂直面方向图。从这两个图可以看出：电磁波的频段为703-960MHz，两个方向图基本一致，水平面方向图的副瓣约为20dB，垂直面方向图的副瓣约为23dB，两个数值差异很小，因此完全能满足透镜天线的使用需求。

优选地，所述尾端嵌套体126进一步包括形成于所述尾端圆柱面1262轴向两侧的尾端环形倾斜面1264。

在上述实施例中，通过将圆柱体透镜加工为两端为圆锥形的构造而形成了上述透镜天线。在本发明的其他实施例中，也可以对圆柱体透镜进行其他加工，从而形成更多构造和实现更多功能的透镜天线。下面对此继续描述。

图7-8展示了根据本发明另一个实施例的透镜天线200。该实施例中描述的透镜天线200与上述透镜天线100的结构类似，区别在于：

第一嵌套体222的第一环形倾斜面2224、对应的第二嵌套体224的第二环形倾斜面2244及尾端嵌套体226的尾端环形倾斜面2264所构成的作用面为朝着第一嵌套孔2226的轴心凸出的环形曲面。

由结合图3-4描述的电磁波从馈源沿着透镜天线传播的方式可知：电磁波在侧视图方向的传播与透镜天线的形状之间的关系较大，本发明的锥体轮廓除了结合图1-2通过直线旋转得到的圆锥形轮廓外，还可以是各类曲线或多个线段等不同形状绕轴线得到的锥体。比如在结合图7-8描述的透镜天线200中，锥体形状为曲线旋转而成。通过旋转得到的锥体在需要放置多个馈源的多波束天线上更具对称性，不同波束的方向图更一致。然而，需要指出的是，旋转得到的图形只是其中一种方式，也可以是不规则的锥体，如上半锥体与下半锥体形状不一样。