一种介质透镜、天线及其应用

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种介质透镜、天线及其应用。

背景技术

随着社会不断向前发展，人们对无线通信的需求也在不断增长，有关于电磁波的使用频率逐渐趋于毫米波频段。毫米波具有较短的工作波长，可以有效减小元器件及系统的尺寸，由于波长短，毫米波用在雷达、成像等方面也有着更高的分辨率；除此之外，毫米波能够提供更大的带宽、更高的数据速率，因此近年来受到通信行业的广泛关注。

但除上述优点外，毫米波也有着传播损耗大、覆盖范围小等缺点。因此，为了实现毫米波的远距离传输，同时确保通信过程中信息的安全保密，天线通常需要具有高增益、低副瓣、低后瓣的特性。为实现上述功能，对于毫米波的传输可采用龙伯透镜，龙伯透镜是一个完整的球形透镜，其关键特点在于球体从外到内材料的介电常数是变化的，这种使用多种或多层不同介电常数材料制作的龙伯透镜，其加工生产流程非常复杂，且存在不确定的加工误差，由此带来的生产成本很高。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种介质透镜、天线及其应用，旨在解决现有的龙伯透镜制作时需要逐层制作，工艺要求较高，过程复杂的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种介质透镜，包括透镜本体，所述透镜本体为实心的球形或半球形，且所述透镜本体由均匀的绝缘材料制成。

优选地，所述透镜本体为正球形或正半球形。

优选地，所述绝缘材料的介电常数为2-5。

优选地，所述绝缘材料的介电常数为2.5-3。

优选地，所述透镜本体的直径为0.5λ-20λ，所述λ为波长。

优选地，所述绝缘材料包括光聚合物树脂、红蜡、ABS、PLA、尼龙、PMI或陶瓷。

除此之外，本发明还提出一种使用如上述任一项所述的介质透镜的天线，包括固定件和用于辐射电磁波的馈源，所述固定件设置在所述透镜本体的外表面，所述固定件的内侧设有若干个所述馈源；所述馈源的主辐射方向朝向所述透镜本体的球心。

优选地，还包括底座，所述透镜本体的下方设有第一支撑柱，所述第一支撑柱与所述底座固定；所述固定件的下方设有第二支撑柱，所述第二支撑柱与所述底座固定。

除此之外，本发明还提出一种使用如上述任一项所述的天线在基站、路由器、VR、AR或雷达上的应用。

本发明的介质透镜以及天线具有如下有益效果：本方案中的透镜本体为实心的球形或半球形，且由均匀的绝缘材料制成，介电常数保持一致，馈源在透镜本体的表面或外部发射电磁波后，经透镜本体的转换可以将馈源的电磁波转换为平面电磁波以获得指向性更强的波束，从而提高天线的增益，并且还具有旁瓣和后瓣小，方向性好等优点，不同于龙伯天线通过改变内部材料或结构的介电常数制作得到透镜，本方案中的本方案的介质透镜是由均匀材料构成的，透镜本体可以一次成型，其制作方式简单，制作成本较低，有利于工业化成产，对于加工生产是非常便利的，且成本也大大地降低，特别是当前的3D打印技术发展已日趋成熟，使用3D打印技术一体化成型制作的介质透镜，是发展透镜天线的一种新型技术和方法，具有巨大的应用价值，且本方案中的介质透镜特别适用于微波毫米波的传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明介质透镜本体的剖面结构示意图；

图2为本发明介质透镜介电常数与增益的变化趋势图；

图3为本发明介质透镜直径与增益的变化趋势图；

图4为本发明介质透镜与龙伯透镜的增益效果对比图；

图5为本发明的馈源在phi＝0deg和phi＝90deg时的辐射方向图；

图6为本发明的天线(馈源加介质透镜)在phi＝0deg和phi＝90deg时的辐射方向图；

图7为本发明天线的固定件及透镜第一种实施例的结构示意图；

图8为本发明天线的固定件及馈源第一种实施例的结构示意图；

图9为本发明天线的固定件及透镜第二种实施例的结构示意图；

图10为本发明天线的固定件及馈源第二种实施例的结构示意图；

图11为本发明天线的固定件及透镜第三种实施例的结构示意图；

图12为本发明天线的固定件及馈源第三种实施例的结构示意图；

图13为本发明天线的固定件及透镜第四种实施例的结构示意图；

图14为本发明天线的固定件及透镜第五种实施例的结构示意图；

图15为本发明天线的固定件及透镜第六种实施例的结构示意图。

附图标号说明：

本发明的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种介质透镜、天线及其应用。介质透镜主要用于将馈源发射的电磁波转换为平面电磁波以获得指向性更强的波束，从而提高天线的增益，并且还具有旁瓣和后瓣小，方向性好等优点，特别适用于微波毫米波的传输，其制作过程较为简单，整体的成产成本较低，有利于工业化生产。下面以毫米波应用为例作具体描述。

如图1至图15所示，一种介质透镜，包括透镜本体1，透镜本体1为实心的球形或半球形，且透镜本体1由均匀的绝缘材料制成。

具体的，如图1至图15所示，本方案中的透镜本体1为球形时主要包括球形以及椭球形，透镜本体1为半球形时，同样也包括截面呈圆形或椭圆形的半球，且透镜本体1的内部为实心结构，在制作时，使用绝缘材料制作好实心的透镜本体1后，透镜本体1内部只存在一种材料，介电常数保持一致，馈源在透镜本体1的表面或外部发射电磁波后，经透镜本体1的转换可以获得笔形、扇形或其他形状的更具指向性的波束，能提高天线的增益，同时方向性也较好，不同于龙伯天线通过改变内部材料或结构的介电常数制作得到透镜，本方案中的透镜本体1可以一次成型，其制作方式简单，制作成本较低，有利于工业化成产。

本发明以龙伯透镜作为两组对比例，其中一组对比例由2层具有不同介电常数的材料制得，另一组对比例由4层具有不同介电常数的材料制得，龙伯透镜与本方案中的透镜本体1的半径均为90mm，仿真后检测其增益效果，测试结果如图4所示，与龙伯透镜相比，本方案中的透镜本体1同样也达到了较好的增益效果，且在制作工艺方面进行了较大的简化，生产成本降低。

进一步地，透镜本体1为正球形或正半球形。如此，透镜本体1在正球形或正半球形时对于毫米波的传输及增益效果最佳。

进一步地，绝缘材料的介电常数为2-5。具体的，当制作透镜本体1的绝缘材料的介电常数较高时，对进入透镜本体1一端的电磁波产生的折射较大，不利于在另一端形成稳定的平面波，并且介电常数在大于5时的增益效果恶化，在实际使用时较为不便，因此，本方案中的绝缘材料的介电常数限制在2-5的范围以内，保证毫米波透镜天线具有较好的增益效果及较高的无线通信传播速率。

进一步地，绝缘材料的介电常数为2.5-3。具体地，由附图2可知，在介电常数逐渐增大时，透镜本体1的增益效果并不是一直增强，而是在介电常数为2.5-3时出现了极点，此时的增益效果最好，因此，制作透镜本体1的绝缘材料优选介电常数的范围为2.5-3，在这一范围内，天线具有较好的增益效果，使得毫米波通信的传输速率较高。

进一步地，透镜本体1的直径为0.5λ-20λ，所述λ为波长。具体地，由附图3可知，透镜本体1的直径有其优选范围，当透镜本体1的直径增加至20λ以上时(此处的λ为毫米波工作频率对应的波长)，对于增益效果的增加并不明显，直径过大时也不便于在小型器械上安装该透镜本体1；反之，透镜本体1的直径过小时，对于毫米波的增益提升效果不明显，因此设定本方案的透镜本体1的直径在0.5λ-20λ的范围内，对毫米波具有高增益的效果。而且随着透镜本体1半径的增大，增益效果逐渐增加，当透镜本体1的直径增长至20λ以上时，增益效果增长的趋势有所减缓并趋近于稳定值，因此控制透镜本体1的直径在一定范围内，保证制造成本较低的同时具有较好的增益效果。

进一步地，绝缘材料包括光聚合物树脂、红蜡、ABS、PLA、尼龙、PMI或陶瓷。如此，采用上述光聚合物树脂、红蜡、ABS、PLA、尼龙、PMI或陶瓷制作透镜本体1时，其中采用光聚合物树脂制作透镜本体1时，可采用3D打印技术来制作本介质透镜，制作效率较高，其原料来源广泛，生产制造的成本相对较低，并且具有较好的强度以及耐老化性，透镜本体1在制备完成后，能保证其具有较久的使用寿命。透镜本体1的加工也可以采用其它材料或者其它增材制造技术实现，可以根据实际应用的需求选择合适的3D打印材料和3D打印机。同时，显而易见地，透镜本体1的加工也可以采用常用的机械加工技术实现。

除此之外，本发明还提出一种使用如上述任一项的介质透镜的天线，包括固定件2和用于辐射电磁波的馈源3，固定件2设置在透镜本体1的外表面，固定件2的内侧设有若干个馈源3；馈源3的主辐射方向朝向透镜本体1的球心。

可以理解，本方案中的天线包括馈源3，馈源3辐射出电磁波，馈源3通过卡槽21安装在固定件2的内部，具体是设置在透镜本体1的外壁，多个馈源3在透镜本体1的外壁辐射电磁波后传输至透镜本体1的内部，经由透镜本体1可以使透过的电磁波的波束更为聚集，从而其增益和方向性更好，馈源3的毫米波主辐射方向需要朝向透镜本体1的球心，以保证其良好的传播效果。由图5至图6所示，单独的馈源3辐射方向图中，其最大增益为7.07dBi，而在增设有透镜本体1后，天线的最大增益达到了22.6dBi，增益效果较佳。固定件2可以贴合设置在透镜本体1的外壁面，也可设置在靠近透镜本体1外壁面的位置，不与透镜本体1直接接触。

如图7至图15所示，固定件2在透镜本体1的外部有多种方式，固定件2可为包裹在透镜本体1外壁的空心半球结构，根据实际馈源3的安装面积，其在透镜外壁的个数可以相对增加，各个馈源3产生的电磁波辐射到不同的方向后，用户可以分别接收来自不同馈源3所辐射出的电磁波信号，以达到较高的传输速率以及较大的覆盖范围；在另一组实施例中，固定件2为绕透镜本体1外壁分布的环形带，环形带的内部可分布多组馈源3用于辐射电磁波，在本实施例中环形带也可以替换为弧形带，对应的馈源3设置数量进一步减少，在实际安装过程中，固定件2可以与水平面垂直或者平行地安装在透镜本体1的外壁；在另一组实施例中，固定件2还可设置为垂直相交的两个环形带或弧形带，增加馈源3安装数量的同时可以调整电磁波的辐射方向。

进一步地，还包括底座4，透镜本体1的下方设有第一支撑柱11，第一支撑柱11与底座4固定；固定件2的下方设有第二支撑柱22，第二支撑柱22与底座4固定。

如此，本方案中的天线可以直接卡设在需要安装的器械上，也可以通过底座4和支撑柱直接摆放在需要安装的位置，底座4为圆板，结构上更为一体化，透镜本体1与底座4之间通过第一支撑柱11固定，同样的，固定件2通过第二支撑柱22与底座4固定，安装完成后，天线可以通过底座4安装在任意位置。

除此之外，本发明还提出一种使用如上述任一项的天线在基站、路由器、VR、AR或雷达上的应用。

由于本方案中的天线对于微波毫米波的传输具有较好的增益效果和方向性，因此可以在各种不同的领域使用，当该天线在毫米波基站中使用时，将使其传输速率较高，提高了其传输的效率和通信容量；天线在路由器上使用时，可以替换传统的平板天线阵列，通过设置多个馈源3使得单个空间内的用户可以在不同区域分别接收到来自不同馈源3的电磁波，信号传输速率高，信号覆盖范围大，用户的体验感较佳；同样的，在VR或AR上也可以使用本方案中的天线，由于提高了传输速率，因此可以去掉VR或AR上连接的信号线，使用起来更为方便；当本方案中的天线使用在雷达如车载毫米波雷达上时，由于增强了毫米波的方向性，其探距更远，感知范围更广。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。