一种集成透镜天线及通信设备的制作方法

1.本发明涉及天线领域，特别是涉及一种集成透镜天线及通信设备。


背景技术：

2.透镜天线是一种能够改变通过的电磁波波束面的天线，其在多种无线通信系统中有着广泛应用。
3.目前，集成透镜天线是通常采用多端口分别馈电实现波束扫描，即一个端口馈电实现一个角度的波束辐射。当需要进行多角度馈电时，需要添加多个端口；然而，即使添加多个端口能够实现多角度的波束扫描任然会存在一些无法扫描的角度，因此无法实现角度连续扫描。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：提供一种集成透镜天线，实现天线二维方向上的连续扫描。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种集成透镜天线，包括第一介质透镜、微带辐射单元和底座；
7.所述微带辐射单元设置在所述底座的一侧，并位于所述底座内；
8.所述第一介质透镜为旋转对称结构，所述第一介质透镜的主体为半球型；
9.所述第一介质透镜的平面侧设置在所述底座远离微带辐射单元的另一侧，并与所述微带辐射单元具有间隔。
10.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案：
11.一种通信设备，包括上述集成透镜天线。
12.本发明的有益效果在于：通过将微带辐射单元设置在底座内，将半球型介质透镜的平面侧设置在底座远离微带辐射单元的一侧，并与微带辐射单元具有间隔，使得半球型介质透镜和微带辐射单元之间存在一定高度差，减少了介质透镜对微带辐射单元阻抗匹配性能的影响，并且半球型的旋转对称结构能够将微带辐射单元的辐射波束转变为平行波束，使得辐射波束能够在二维方向上实现连续扫描的同时也对波束起到汇聚作用，提升了透镜天线的增益，从而实现天线二维方向上的连续扫描。
附图说明
13.图1为本发明实施例的一种集成透镜天线第一介质透镜的结构示意图；
14.图2为本发明实施例的一种集成透镜天线天线阵列结构示意图；
15.图3为本发明实施例的一种集成透镜天线介电常数缓冲层的结构示意图；
16.图4为本发明实施例的一种集成透镜天线第二介质透镜与第一介质透镜配合的结构示意图；
17.图5为本发明实施例的一种集成透镜天线另一介电常数缓冲层的结构示意图；
18.标号说明：
19.1、第一介质透镜；2、微带辐射单元；3、底座；4、连接部；5、介电常数缓冲层；6、第二介质透镜。
具体实施方式
20.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
21.请参照图1以及图2，一种集成透镜天线，包括第一介质透镜、微带辐射单元和底座；
22.所述微带辐射单元设置在所述底座的一侧，并位于所述底座内；
23.所述第一介质透镜为旋转对称结构，所述第一介质透镜的主体为半球型；
24.所述第一介质透镜的平面侧设置在所述底座远离微带辐射单元的另一侧，并与所述微带辐射单元具有间隔。
25.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过将微带辐射单元设置在底座内，将半球型介质透镜的平面侧设置在底座远离微带辐射单元的一侧，并与微带辐射单元具有间隔，使得半球型介质透镜和微带辐射单元之间存在一定高度差，减少了介质透镜对微带辐射单元阻抗匹配性能的影响，并且半球型的旋转对称结构能够将微带辐射单元的辐射波束转变为平行波束，使得辐射波束能够在二维方向上实现连续扫描的同时也对波束起到汇聚作用，提升了透镜天线的增益，从而实现天线二维方向上的连续扫描。
26.进一步地，所述第一介质透镜的平面侧设置有介电常数缓冲层。
27.由上述描述可知，通过在第一介质透镜的平面侧设置有介电常数缓冲层，从而使得电磁波在从空气辐射到介质透镜时，先通过介质缓冲缓冲层后再进入第一介质透镜，实现沿天线辐射方向上的介电常数呈梯度变化，形成防辐射反射结构，进一步降低电磁波反射。
28.进一步地，所述第一介质透镜还包括连接部；
29.所述连接部设置于所述第一介质透镜的球面与平面的交界处；
30.所述底座上设置有与所述连接部适配的连接槽。
31.由上述描述可知，通过将连接部设置在半球型主体的侧面上，能在不改变半球透镜结构的基础上将介质透镜与底座连接，使得介质透镜能够稳定的固定在底座上，从而实现在不影响介质透镜性能的情况下，保证了介质透镜的稳定性。
32.进一步地，还包括第二介质透镜；
33.所述第二介质透镜为旋转对称结构，所述第二介质透镜的主体为圆柱型，且形状与所述第一介质透镜相适配；
34.所述第二介质透镜的一侧与所述第一介质透镜的平面侧连接，另一侧与所述底座连接。
35.由上述描述可知，通过采用与第一介质透镜结构相适配的圆柱型第二介质透镜，使得第一介质透镜和第二介质透镜形成主体呈椭球型的介质透镜，而椭球型介质透镜更容易使得通过其表面的电磁波辐射折射为平面波束，进一步提升天线的辐射增益。
36.进一步地，所述第一介质透镜和所述第二介质透镜采用单一介电常数材料制成。
37.由上述描述可知，现有的集成透镜天线通常采用具有高介电常数和低损耗材料制成，馈源天线为贴片天线或波导，并且透镜结构紧贴着贴片天线，其工作原理为，先利用材料本身高介电常数的特性将大部分能量保留在透镜中，而后电磁波再通过多层介电常数逐层递减的介质层向外辐射能量，采用这种结构的介质透镜价格昂贵，而本方案通过采用单一介电常数材料制成第一介质透镜和第二介质透镜，避免了采用多层不同介电常数的材料层叠形成介质透镜结构，从而简化了介质透镜的结构，大大降低了生产了成本。
38.进一步地，所述单一介电常数材料为低介电常数的材料。
39.由上述描述可以，并通过采用低介电常数的材料制成第一介质透镜和第二介质透镜，从而减少了第一介质透镜和第二介质透镜对电磁波反射，同时还降低了生产成本。
40.进一步地，所述第二介质透镜与所述底座连接的一侧设置有介电常数缓冲层。
41.由上述描述可知，通过在第二介质透镜与底座连接的一侧设置有介电常数缓冲层，从而使得电磁波在从空气辐射到椭球介质透镜时，先通过缓冲层后再进入椭球介质透镜，实现沿天线辐射方向上的介电常数梯度变化，形成防辐射反射结构，进一步降低电磁波反射。
42.进一步地，其特征在于，所述介电常数缓冲层为凹陷槽阵列；
43.所述凹陷槽阵列与所述微带辐射单元的位置对应。
44.由上述描述可知，通过在第一介质透镜的平面侧或第二介质透镜的一侧设置有凹陷槽阵列，使得空气流入凹陷槽内与凹陷槽阵列形成介电常数介于空气和介质透镜之间的缓冲介质层，从而在不增加介质透镜整体尺寸的条件下实现形成防辐射反射结构，降低电磁波反射的效果。
45.进一步地，所述凹陷槽阵列呈网格分布；
46.所述凹陷槽为矩形。
47.由上述描述可知，通过采用呈网格分布、且凹陷槽为矩形的凹陷槽阵列，使得流入凹陷槽的空气和呈网格分布的凹陷槽形成规则的介电常数缓冲层，具有更好的防电磁波反射效果。
48.本发明另一实施例提供了一种通信设备，包括上述集成透镜天线。
49.上述介质谐振器天线能适用于5g毫米波通信系统的设备中，如客户终端设备(customer premise equipment，cpe)，以下通过具体的实施方式进行说明：
50.实施例一
51.请参照图1以及图2，一种集成透镜天线，包括第一介质透镜1、微带辐射单元2和底座3；
52.所述微带辐射单元2设置在所述底座3的一侧，并位于所述底座3内；所述底座3成矩形，内部设置有矩形凹槽，所述微带辐射单元2设置于所述矩形凹槽内，使得所述微带辐射单元2和所述底座3存在高度差；
53.所述第一介质透镜1为旋转对称结构，所述第一介质透镜1的主体为半球型；所述半球型介质表面可通过计算斯奈尔定律得到平行波束，并通过调节所述第一介质透镜1与所述微带辐射单元2之间的间距实现第一介质透镜1出射平行波束；所述第一介质透镜1能够采用单一介电常数材料制成，不需要多层不同介电常数的材料层叠形成介质透镜结构，并且采用低介电常数的材料以减少电磁波反射；能够通过3d打印技术或模具注塑加工制
成；其中，3d打印的材料可以为pla(poly lactic acid，聚乳酸)；从而简化了介质透镜结构并降低了成本；而现有的集成透镜天线需要通过复杂的多层介电常数逐层递减的介质层结构实现辐射功能，复杂的形成结构也导致其制作工艺繁琐，并且具有高介电常数和低损耗特性的材料价格昂贵；
54.所述第一介质透镜1的平面侧设置在所述底座3远离微带辐射单元2的另一侧，并与所述微带辐射单元2具有间隔；
55.具体的，所述第一介质透镜1还包括连接部4；所述连接部4设置于所述第一介质透镜1的球面与平面的交界处；所述底座3上设置有与所述连接部4适配的连接槽，所述连接槽设置于所述底座3的四个顶角；所述连接部4的一端与所述第一介质透镜1的半球面连接，另一端通过插接的方式与所述底座3连接；
56.其中，所述微带辐射单元2为相控阵列辐射单元，在一个可选的实施方式中，本实施例所述相控阵列辐射单元为4
×
4天线阵列；采用4
×
4天线阵列，能够实现多个天线轮流馈电时，每个天线的相位中心都在不同的位置上，能够更容易的实现各个方向的波束；但由于相控阵波束扫描时相位中心变化幅度很小，因此为了实现不同角度的波束汇聚，能够对所述第一介质透镜1的尺寸以及所述第一介质透镜1与所述微带辐射单元2之间的距离进行调整，从而在不同的环境中达到最佳的辐射效果；具体的调整方法如下：通过高频结构仿真(high frequency structure simulator，hfss)中的参数cang_deg(rex)确定相控阵的相位中心；通过上下调整天线的位置并观察phi＝0deg和phi＝90deg两个面的数值，使得phi＝0deg和phi＝90deg两个面在3db波束范围内cang_deg(rex)最平整，此时hfs的原点就相当于天线的视在相位中心，该原点能近似看为相位中心；但该视在相位中心在不同扫描角度下也会发生变化，因此需要先设置阵列单元的相位，让波束指向某一角度，再通过调整天线角度，使得这个波束指向正z轴，这时再通过调整天线的上下位置，再找到cang_deg(rex)最平整的点；通过这些不同扫描角度下不同的视在相位中心可以大致确定一个范围，这个范围就是透镜下表面的大致位置；最终使得半球透镜球心位于这个范围即可，权衡theta＝0deg和theta＝28deg的增益，这里选theta＝28deg最大的情况。
57.实施例二
58.本实施例与实施例一的不同在于，还设有介电常数缓冲层5；
59.所述第一介质透镜1的平面侧设置有介电常数缓冲层5；
60.请参照图3，所述介电常数缓冲层5为凹陷槽阵列；所述凹陷槽阵列与所述微带辐射单元2的位置对应；所述凹陷槽阵列呈网格分布；所述凹陷槽为矩形；
61.具体的，根据所述第一介质透镜1的平面侧的面积设置对应大小的凹陷槽阵列；所述凹陷槽阵列为6
×
6正方形凹陷槽阵列；所述凹陷槽阵列整体呈矩形，矩形的四个边分别与所述微带辐射单元2所构成的矩形的四个边平行；
62.其中，所述介电常数缓冲层5不限于为凹陷槽阵列，也可以采用将凹陷结构设置为凸起结构，通过在凸起结构掺杂空气形成所述介电常数缓冲层5；由于凸起结构会使得所述第一介质透镜1的尺寸增加，并且使得所述第一介质透镜1与所述微带辐射单元2之间的间距减少，因此本实施例中采用凹陷槽阵列的方式构成所述介电常数缓冲层5；从而在增加所述第一介质透镜1与所述微带辐射单元2之间的间距的同时，形成所述介电常数缓冲层5共同起到减少电磁波反射的效果。
63.实施例三
64.本实施例与实施例一或二的不同在于，还包括第二介质透镜6；
65.请参照图4，所述第二介质透镜6为旋转对称结构，所述第二介质透镜6的主体为圆柱型，且形状与所述第一介质透镜1相适配；所述第二介质透镜6的一侧与所述第一介质透镜1的平面侧连接，另一侧与所述底座3连接；
66.具体的，所述第二介质透镜6的介电常数和材质均与所述第一介质透镜1相同，且半经与所述第一介质透镜1的半经相同；所述第一介质透镜1与所述第二介质透镜6连接后能够等效成一个椭球介质透镜；根据射线追踪理论可知，当所述微带辐射单元2辐射的电磁波穿过等效的椭球介质透镜结构表面时的折射电磁波能够实现平面波，并且等效后的椭球介质透镜相比与半球介质透镜更加符合射线追踪理论；若能够采用低损耗的介质材料，椭球介质透镜能够提升的增益更高，但扫描范围会减小；而半球介质透镜相比与椭球介质透镜其剖面高度更低，使得电磁波受到材料损耗的影响相对更小，具有更大的扫描范围；因此，半球介质透镜和椭球介质透镜所应用的场景具有一定的区别；
67.其中，所述第二介质透镜6与所述底座3的连接方式与实施例一中的通过所述连接部4连接的方式相同；
68.请参照图5，所述第二介质透镜6与所述底座3连接的一侧设置有介电常数缓冲层5；为了保证透镜主体的完整，所述第二介质透镜6的底面设置了向外凸起的所述介电常数缓冲层5。
69.实施例四
70.一种通信设备，包括实施例一至三中任意一项所述一种集成透镜天线。
71.综上所述，本发明提供的一种集成透镜天线，通过将微带辐射单元设置在底座内，将半球型介质透镜的平面侧设置在底座远离微带辐射单元的一侧，并与微带辐射单元具有间隔，使得半球型介质透镜和微带辐射单元之间存在一定高度差，并采用单一的低介电常数材料制成第一介质透镜，减少了介质透镜对微带辐射单元阻抗匹配性能的影响并减少电磁波反射，同时在介质透镜的平面侧设置有介电常数缓冲层形成防电磁波反射结构进一步降低电磁波反射；并且能通过添加与第一介质透镜材料相同的第二介质透镜使得第一介质透镜和第二介质透镜形成等效的椭球型介质透镜，使介质透镜具有更强的适应性；通过半球型或椭球型的介质透镜的旋转对称结构将微带辐射单元的辐射波束转变为平行波束，使得辐射波束能够在二维方向上实现连续扫描的同时也对波束起到汇聚作用，提升了透镜天线的增益，从而实现天线二维方向上的连续扫描。
72.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。