一种大角度扫描多波束透镜天线的制作方法

本实用新型涉及多波束透镜天线领域，特别是涉及一种大角度扫描多波束透镜天线。

背景技术：

随着科学技术的不断进步，数据流量的交换越发的频繁，第四代通信（4G）的数据传输速率已经到达了瓶颈。而对于更大的信道容量，更快的通信速率的强烈需求，使整个通信业界开始对第五代通信（5G）投入巨量的研发与探索以希望开发出更能适合各种通信场景的通信系统。对于传统5G以下的通信网络，由于其工作在6GHz以下，其绝对带宽十分有限。为了提高通信速率，往往使用更复杂的调制方法或者更多的站点。但使用更复杂的调制方法，对系统整机以及使用环境的要求也更加高（如系统相噪等）；而增加站点的方法也不能从本质上解决通信速率的需求。而5G通信将其系统的工作频谱从射频频段提高到毫米波（mm-Wave）频段，可以获得更大的绝对带宽，从而可以更加便捷地得到更快的通信速率以及更大的通信容量。

由于毫米波频段的波长远小于射频频段的波长，而毫米波通信系统的空间链路损耗将高于射频通信系统，这也是限制毫米波通信的重要一点，为了弥补毫米波通信的链路损耗，便需要更高的有效全向辐射功率（EIRP）和更小的系统灵敏度，对于提高EIRP，提高天线的增益是一个很有效的措施。传统高增益的天线具有更窄的波束，多适用于点对点通信，而用于区域覆盖的天线要求天线的波束宽度较，因此传统高增益天线不适合应用于区域的覆盖。为了将高增益天线应用于区域覆盖的应用场景上，多波束体制的高增益透镜天线的研制便是5G天线的关键点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种覆盖范围大、增益效果好的大角度扫描多波束透镜天线。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种大角度扫描多波束透镜天线，包括安装腔体、焦点转换腔体和透镜主体，所述安装腔体内部设置有印制板，所述安装腔体的顶部开设有与焦点转换腔体相配合的矩形安装槽，焦点转换腔体的底部通过所述的矩形安装槽安装在所述安装腔体内部的印制板上；所述透镜主体设置在所述焦点转换腔体的顶部。

优选地，所述透镜主体为球形透镜；所述焦点转换腔体的顶部设置有与透镜主体相配合的多边形凹槽，所述透镜主体通过多边形凹槽安装在焦点转换腔体的顶部。

优选地，所述透镜主体上还设置有两个对称的固定件，所述固定件通过透镜装配螺钉固定在焦点转换腔体顶部，进而实现透镜主体的固定；具体地，所述固定件和焦点转换腔体顶部均设置有螺纹孔，所述透镜装配螺钉穿过固定件和焦点转换腔体顶部的螺纹孔，将透镜主体固定在焦点转换腔体顶部。

优选地，所述印制板通过印制板装配螺钉固定在安装腔体内部。

其中，所述印制板为双层结构，包括第一层PCB板和第二层PCB板，所述第一层PCB板中设置有多波束天线的馈源阵列，通过焦点转换腔体向透镜主体馈电；所述第二层PCB板中设置有天线的开关阵列，所述开关阵列与馈源阵列连接，实现馈源阵列的选通。

所述馈源阵列包括多个馈源模块，所述开关阵列包括多个开关模块，所述馈源模块与开关模块数目相同且一一对应连接；所述第二层PCB板中还设置有控制模块，所述控制模块分别与每一个开关模块连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用球形透镜作为透镜主体，实现大角度波束覆盖并保证波束性能和增益性能；同时，考虑到透镜天线的主体是用的球形透镜，而球形透镜的焦点在圆周上，这就会导致平面馈源不能有效的对透镜天线进行馈电，故本实用新型通过焦点转换腔体将球形透镜的曲面焦面变换为平面焦面，从而保证了天线的整体性能；并且，所述馈源阵列和开关阵列集成到一个双层PCB板中，降低了装配误差。

附图说明

图1为本实用新型的主视图；

图2为本实用新型的爆炸图；

图3为焦点转换腔体的结构示意图；

图4为本实用新型天线的驻波曲线示意图；

图5 为26GHz水平极化的水平面方向图；

图6为26GHz垂直极化的水平面方向图；

图中，1-安装腔体，2-焦点转换腔体，3-透镜主体，4-印制板，5-矩形安装槽，6-多边形凹槽，7-固定件，8-透镜装配螺钉，9-过渡腔体，10-波导，11-波导壁。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1~2所示，一种大角度扫描多波束透镜天线，包括安装腔体1、焦点转换腔体2和透镜主体3，所述安装腔体1内部设置有印制板4，所述安装腔体1的顶部开设有与焦点转换腔体2相配合的矩形安装槽5，焦点转换腔体2的底部通过所述的矩形安装槽5安装在所述安装腔体1内部的印制板4上；所述透镜主体3设置在所述焦点转换腔体2的顶部。

在本申请的实施例中，所述透镜主体3为球形透镜；所述焦点转换腔体2的顶部设置有与透镜主体相配合的多边形凹槽6，所述透镜主体3通过多边形凹槽6安装在焦点转换腔体2的顶部。

在本申请的实施例中，所述透镜主体3上还设置有两个对称的固定件7，所述固定件7通过透镜装配螺钉8固定在焦点转换腔体2顶部，进而实现透镜主体3的固定；所述固定件7和焦点转换腔体2顶部均设置有螺纹孔，所述透镜装配螺钉8穿过固定件7和焦点转换腔体2顶部的螺纹孔，将透镜主体3固定在焦点转换腔体2顶部。

在本申请的实施例中，所述印制板4通过印制板装配螺钉固定在安装腔体1内部；所述印制板4为双层结构，包括第一层PCB板和第二层PCB板，所述第一层PCB板中设置有多波束天线的馈源阵列，通过焦点转换腔体2向透镜主体3馈电；所述第二层PCB板中设置有天线的开关阵列，所述开关阵列与馈源阵列连接，实现馈源阵列的选通。

在本申请的实施例中，所述馈源阵列包括多个馈源模块，所述开关阵列包括多个开关模块，所述馈源模块与开关模块数目相同且一一对应连接；所述第二层PCB板中还设置有控制模块，所述控制模块分别与每一个开关模块连接。

为实现天线的多波束功能，馈源阵列需要具备馈源快速切换的能力；在本申请的实施例中，考虑到系统的集成度，所述第一层PCB板上馈源阵列的多个馈源模块可以采用微带天线来实现，以达到结构紧凑，制造容易的特点，使用微带天线作为天线馈源，也更具拓展性，更方便实现多通道的多波束透镜天线；考虑到毫米波频段，使用射频接头来实现馈源与开关阵列的连接会引入大量的装配误差，恶化天线的性能，为了降低装配误差，馈源模块与开关模块的互连采用多层耦合结构，并且多层耦合结构直接采用PCB工艺完成，在保证装配精度的情况下，进一步减小了天线的复杂度；在一些实施例中，所述控制模块还与外部的上位机连接，方便于用户通过上位机对馈源切换进行控制。

传统透镜天线如凸透镜天线这类透镜天线，由于这类透镜只有一个焦点，其天线的波束会随着馈源偏离透镜焦点而产生恶化，当馈源距离透镜天线的焦点越远，天线的增益下降的越严重，副瓣抬高越明显；为了提高波束覆盖范围，本实用新型使用球形透镜作为透镜主体，可以实现大角度波束覆盖且波束一致性能得到保持，增益恶化得到抑制；并且本实用新型通过焦点转换腔体将球形透镜的曲面焦面变换为平面焦面，从而保证了天线的整体性能；在本申请的实施例中，所述安装腔体1和焦点转换腔体2采用铝制腔体，既可作为结构支撑，也可以作为导热部件，将腔体内部产生的热量导出，避免天线及馈源因功放产生的热量而产生形变，从而影响天线性能。

如图3所示，在本申请的实施例中，所述焦点转换腔体2内设置有多路波导10，各路波导10之间通过波导壁11隔开，每一路所述波导10的走向均指向透镜主体3的圆心；所述焦点转换腔体2与透镜主体3之间还存在过渡腔体9；馈源阵列产生的电磁波首先馈入所述的波导10，再由波导10将馈入的电磁波传输给过渡腔体9，由渡腔体9向透镜主体3辐射；由于波导10走指向透镜主体3的圆心，故通过所述焦点转换腔体2后，馈源产生的沿法向辐射电磁波就可以转化为沿径向辐射的电磁波，从而将实现将透镜主体的曲面焦点转换为平面焦点。

本实用新型的工作过程如下：发射信号时，外部的TR组件通过馈线将射频信号传递给天线的开关阵列，开关阵列根据控制模块的控制信号，选通馈源阵列的某一路，使射频信号传递给对应的馈源模块，馈源模块通过焦点转换腔体2将相位中心转换到球形透镜主体上，再通过透镜天线的汇聚功能产生电磁波辐射，整个馈源阵列通过开关阵列的选通即可实现不同馈源模块的切换，从而达到波束扫描的目的；在本申请的实施例中，本实用新型使用两个射频通道实现双极化电磁波的辐射时，波束覆盖范围可以达到±45°；

在本申请的实施例中，为验证本实用新型的性能，利用电磁仿真软件对大角度扫描多波束透镜天线进行建模、仿真，得到天线的增益、方向图及驻波曲线：天线的驻波曲线示意图如图4所示，可见在频段25.1GHz~26.9GHz范围内回波损耗最小值为10dB；天线在26GHz水平极化的水平面方向图如图5所示，可见，天线水平极化波束的覆盖角度大于±45°,最大增益大于15dBi；天线在26GHz垂直极化的水平面方向图如图6所示，可见，天线垂直极化波束的覆盖角度大于±45°,最大增益大于15dBi；综上所述，通过仿真结果可以看出，本实用新型的大角度扫描多波束透镜天线具有覆盖范围大（两个极化的波束覆盖均大于±45°），增益效果好的优势。