本实用新型涉及一种WiFi天线，具体地，涉及一种用于移动通信基站的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线。
背景技术：
随着光纤入户、智能手机普及、微信视频聊天、语音聊天、互联网数据流量大增， WiFi已经与人们密不可分了。人们对WiFi的需求已不限于室内，还希望将WiFi延伸室外小区享受高速上网下载视频等宽带产品。室内型无线路由器天线增益只有几个dBi，远不能传输至室外。这就有必要建设室外WiFi基站及室外WiFi基站天线。其中最重要的是天线要能承载超大信息容量，但又不能增加天线数量、站址。
近年发展的多波束天线是一种解决在用户密集的写字楼和住宅小区室外应用WiFi的最佳方案。
传统的多波束天线是用多波束形成网络（BFN）激励辐射单元平面阵列、或用多级巴特勒矩阵等做成。不仅复杂，还由于存在不对称波束、隔离度、网络损耗大等问题，使其难以大规模应用。
传统的龙伯球透镜技术具有承载多天线、多波束潜力。但由于它的重量太重及制造工艺极其复杂，长期以来只能作为雷达无源目标探测、机场跑道盲降等8GHz以上频段少量应用，难以进入民用领域。
为了减轻龙伯球的重量，研究人员进行了几十年的努力。最近在市场上见到应用于移动通信的龙伯球透镜多波束天线，但过于庞大。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种WiFi天线，将它用于室外WiFi基站天线时具有优于现有的电子多波束天线及球形龙伯透镜多波束天线的不同特色。
为了达到上述目的，本实用新型提供了一种双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，其中，所述的天线包含一个外形为圆柱体的超宽频人造介质透镜，以及安装在透镜上的若干个天线单元；所述的天线单元包含安装在透镜上的10个2.4GHz的相同的独立的第一天线单元，每个所述的第一天线单元为带有金属地板的偶极子或微带振子；还有安装在透镜上的10个5GHz的相同的独立的第二天线单元，每个所述的第二天线单元为带有金属地板的垂直极化振子或微带振子。微带天线一般是由导体薄片粘贴在背面附有金属薄层作为接地板的介质基片上而形成的天线，通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与金属接地板之间激励高频电磁场，并通过贴片四周与金属接地板之间的缝隙向外辐射，金属导体贴片也可以是窄长条形的薄片振子即偶极子，称为微带振子天线。
上述的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，其中，所述的透镜，其圆柱体的直径为600±40mm，高度为400±10mm。该人造介质圆柱透镜具有多层同心圆结构，包含n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，各同心层被装配成一个多层圆柱体，n个同心层由低介电常数的基材添加高介电常数、低比重的材料制成，n个同心层所含高介电常数、低比重的材料从第1层至第n层逐渐减少。n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05 - 1.05间渐变。低介电常数的基材为密度0.02 - 0.03 g/cm3的轻型发泡介质材料，优选为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯等；高介电常数、低比重的材料优选为陶瓷粉、铝银粉、金属丝等。
上述的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，其中，所述的天线，其波束数包括2.4G频段波束数10个以及5G频段波束数10个，共20个，与天线单元数相等；波束增益为20dBi，天线的标称增益即为波束增益。
上述的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，其中，所述的天线单元，其每个的增益>8dBi，驻波比<1.4，隔离度>28dB；第一天线单元的频率为2412-2483MHz，第二天线单元的频率为5150-5350 MHz或5725-5825 MHz。
上述的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，其中，所述的第一天线单元，其排列在透镜的圆柱体外围中环线以上10mm的等高线上；所述的第二天线单元排列在透镜的圆柱体外围中环线以下10mm的等高线上。
上述的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，其中，所述的天线单元，其最大辐射方向均通过透镜圆柱体的轴线；调整天线单元表面与透镜圆柱面之间距离为40±20mm时可得到最大天线增益。
上述的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，其中，所述的天线，其中间频率波束交叉值设为-10dB，根据其决定天线单元沿人造介质透镜的圆柱体外圆排列的间隔和顺序。
上述的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，其中，所述的天线，其底部设有安装底座，每个天线单元分别连接一根同轴头馈线，10个第一天线单元的10个同轴头和10个第二天线单元的10个同轴头均连接在所述的安装底座上。
上述的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，其中，所述的天线，其还设有安装架和天线支架，通过安装架将天线单元与透镜固定，再通过天线支架将天线与抱杆固定。安装架的截面优选为半矩形框状，其顶面和底面平行且与侧壁垂直，顶面设有一个矩形框和一个三角形框，矩形框的一条长边和三角形框的底边重合，三角形的顶点与透镜的圆柱体上表面的圆心固定。安装架顶面矩形框的另一条长边作为侧壁的顶边。安装架的底面与顶面相同。将透镜的圆柱体通过上表面和下表面固定在安装架的顶面和底面之间，天线单元固定在安装架的侧壁与透镜的圆柱体之间。安装架的固定天线单元的侧壁的背面设有向外的天线支架，将整个天线装置安装在需要安装天线处的抱杆上。透镜的圆柱体外设有相适配的扣置的圆筒形介质体外罩，介质体外罩的边缘到安装架侧壁的距离为780±40mm。天线单元外也设有扣置的天线单元外罩，天线单元外罩的外侧面是设有多个连续的相同矩形平面的折面，天线单元外罩的内侧面是与透镜的圆柱体适配的覆盖180°的半圆柱面，内侧面的两端和外侧面的两端之间分别通过端面连接。天线单元外罩底部设有底盖，底盖上在各天线单元的同轴头馈线处分别设有相应的圆孔，底盖两端之间的最大距离为770±10mm。
上述的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，其中，所述的天线，其形成20个波束；水平面波束为锐形波束，与传统电子多波束及龙伯球多波束相同；垂直面波束为赋形扇形宽波束，其波束宽度是传统电子多波束天线或龙伯球多波束天线的三倍。该天线可在一根抱杆上设置成两个背靠背对称安装，人工介质透镜设有天线单元的一侧分别向内，未设天线单元的一侧向外，组成双面天线，共形成12个波束覆盖360°全向。优选地，两个天线的安装架共用天线支架，即两个安装架的天线支架合成一组。
本实用新型提供的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线具有以下优点：
本实用新型可以形成20个波束。水平（方位）面波束为锐形波束，这与传统电子多波束及龙伯球多波束相同。而本实用新型的垂直（俯仰）面波束为赋形扇形宽波束，其波束宽度是相同增益传统电子多波束及龙伯球多波束的三倍，服务面积更宽。这是本实用新型的核心技术指标。
本实用新型以人工介质圆柱透镜为载体，制成一种双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，覆盖180°扇区，增益20dBi。适用于室外WiFi基站天线。由于比室内路由器天线增益高17dB左右，比现有的室外型全向天线增益高10dB左右，信号既能覆盖室外环境，又具有一定的穿墙能力，覆盖室内。20个波束覆盖180°，用本实用新型两面天线共40个波束，可做到360°全向覆盖，比现有的室外型全向3波束（扇区）多37个波束，相当于建设36个现有的室外型WiFi基站，WiFi系统容量提高数十倍。本实用新型特别适用于大数据量传输的密集用户区。不仅在室内，也能在室外步速移动的视频应用。
附图说明
图1为本实用新型的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线的结构示意图。
图2为本实用新型的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线的安装架示意图。
图3为本实用新型的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线的1920 MHz实测水平面方向图。
图4为本实用新型的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线的1920 MHz实测垂直面方向图。
图5为本实用新型的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线的2575 MHz实测水平面方向图。
图6为本实用新型的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线的2575 MHz实测垂直面方向图。
图7为本实用新型的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线与相同增益的电下倾电调天线的比较实测图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步地说明。
如图1所示，本实用新型提供的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，包含一个外形为圆柱体的超宽频人造介质透镜1，以及安装在透镜1上的若干个天线单元2；天线单元2包含安装在透镜1上的10个2.4GHz的相同的独立的第一天线单元，每个第一天线单元为带有金属地板的偶极子或微带振子；还有安装在透镜1上的10个5GHz的相同的独立的第二天线单元，每个第二天线单元为带有金属地板的垂直极化振子或微带振子。微带天线一般是由导体薄片粘贴在背面附有金属薄层作为接地板的介质基片上而形成的天线，通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与金属接地板之间激励高频电磁场，并通过贴片四周与金属接地板之间的缝隙向外辐射，金属导体贴片也可以是窄长条形的薄片振子即偶极子，称为微带振子天线。
透镜1圆柱体的直径为600±40mm，高度为400±10mm。该人造介质圆柱透镜1具有多层同心圆结构，包含n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，各同心层被装配成一个多层圆柱体，n个同心层由低介电常数的基材添加高介电常数、低比重的材料制成，n个同心层所含高介电常数、低比重的材料从第1层至第n层逐渐减少。n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05 - 1.05间渐变。低介电常数的基材为密度0.02 - 0.03 g/cm3的轻型发泡介质材料，优选为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯等；高介电常数、低比重的材料优选为陶瓷粉、铝银粉、金属丝等。
天线的波束数包括2.4G频段波束数10个以及5G频段波束数10个，共20个，与天线单元2数相等；波束增益为20dBi，天线的标称增益即为波束增益。
每个天线单元2增益>8dBi，驻波比<1.4，隔离度>28dB；第一天线单元的频率为2412-2483MHz，第二天线单元的频率为5150-5350 MHz或5725-5825 MHz。
第一天线单元排列在透镜1的圆柱体外围中环线以上10mm的等高线上；第二天线单元排列在透镜1的圆柱体外围中环线以下10mm的等高线上。
天线单元2的最大辐射方向均通过透镜1圆柱体的轴线；调整天线单元2表面与透镜1圆柱面之间距离为40±20mm时可得到最大天线增益。
该天线的中间频率波束交叉值设为-10dB，根据其决定天线单元2沿人造介质透镜1的圆柱体外圆排列的间隔和顺序。
该天线的底部设有安装底座，每个天线单元2分别连接一根同轴头馈线，10个第一天线单元的10个同轴头6和10个第二天线单元的10个同轴头6均连接在安装底座上。
该天线还设有安装架5和天线支架4，通过安装架5将天线单元2与透镜1固定，再通过天线支架4将天线与抱杆3固定。
如图2所示，安装架5的截面优选为半矩形框状，其顶面和底面平行且与侧壁垂直，顶面设有一个矩形框和一个三角形框，矩形框的一条长边和三角形框的底边重合，三角形的顶点与透镜1的圆柱体上表面的圆心固定。安装架5顶面矩形框的另一条长边作为侧壁的顶边。安装架5的底面与顶面相同。将透镜1的圆柱体通过上表面和下表面固定在安装架5的顶面和底面之间，天线单元2固定在安装架5的侧壁与透镜1的圆柱体之间。安装架5的固定天线单元2的侧壁的背面设有向外的天线支架4，将整个天线装置安装在需要安装天线处的抱杆3上。透镜1的圆柱体外设有相适配的扣置的圆筒形介质体外罩7，介质体外罩7的边缘到安装架5侧壁的距离为780±40mm。天线单元2外也设有扣置的天线单元外罩8，天线单元外罩8的外侧面是设有多个连续的相同矩形平面的折面，天线单元外罩8的内侧面是与透镜1的圆柱体适配的覆盖180°的半圆柱面，内侧面的两端和外侧面的两端之间分别通过端面连接。天线单元外罩8底部设有底盖，底盖上在各天线单元2的同轴头馈线处分别设有相应的圆孔，底盖两端之间的最大距离为770±10mm。
该天线形成20个波束；水平面波束为锐形波束，与传统电子多波束及龙伯球多波束相同；垂直面波束为赋形扇形宽波束，其波束宽度是传统电子多波束天线或龙伯球多波束天线的三倍。该天线可在一根抱杆3上设置成两个背靠背对称安装，人工介质透镜1设有天线单元2的一侧分别向内，未设天线单元的一侧向外，组成双面天线，共形成12个波束覆盖360°全向。优选地，两个天线的安装架5共用天线支架4，即两个安装架5的天线支架4合成一组。
下面结合实施例对本实用新型提供的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线做更进一步描述。
实施例1
一种双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，包含一个外形为圆柱体的超宽频人造介质透镜1，以及安装在透镜1上的20个天线单元2。天线单元2包括10个第一天线单元和10个第二天线单元。
根据天线要求的频率范围选择带反射板的一元2.4G频段垂直极化振子单元10个作为第一天线单元，再根据天线要求的频率范围选择带反射板的一元5G频段垂直极化振子单元10个作为第二天线单元。
每个单元振子分别连接一根同轴头馈线。
根据天线要求2.4G频段振子单元频率为2412-2483MHz。根据天线要求5G频段振子单元频率为5150-5350MHz或5725-5825MHz。
根据天线要求全部振子单元驻波比小于1.4。根据天线要求全部振子单元，各自增益为大于8.0dBi。根据天线要求各单元振子之间隔离度大于28dB。
选择人造介质圆柱体作为透镜1。所选人造介质圆柱体透镜1的直径为600mm、高度为400mm。
在所选人造介质圆柱体透镜1的1/2高度处标记一周圆弧线作为基准线。
将10个2.4G振子单元沿介质透镜1圆柱体外中线以上10mm的等高环线，依次排列，每个单元之间的间隙为70mm±5mm；将10个5G振子单元沿介质透镜1圆柱体外中线以下10mm的等高环线，依次排列，每个单元之间的间隙为70mm±mm。2.4G与5G两排振子间距10±2mm。各振子单元辐射最大方向通过介质圆柱体中轴线。调节各单元辐射体平面距离透镜1圆柱体外表面为5-15mm。
将10个2.4G振子单元，共计10个同轴头6连接在安装底座上，将10个5G振子单元，共计10个同轴头6连接在安装底座上。
将天线单元2与透镜1圆柱体用安装架5和天线支架4固定成一体，构成双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，安装在需要安装天线处的抱杆3上。
本实施例的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，实测水平平面及垂直平面方向如图3~6所示。其与相同增益的电下倾电调天线的比较实测如图7所示，A是本实施例的天线实测V面方向图，B是普通常规电调天线V面方向实测图2、7、12度下倾角。
本实用新型提供的双频WiFi室外型人工介质圆柱透镜20波束天线，覆盖180°扇区，增益20dBi，适用于室外WiFi基站天线。该天线可以形成20个波束。水平（方位）面波束为锐形波束，这与传统电子多波束及龙伯球多波束相同。而本实用新型的垂直（俯仰）面波束为赋形扇形宽波束，其波束宽度是相同增益传统电子多波束及龙伯球多波束的三倍，服务面积更宽。由于比室内路由器天线增益高17dB左右，比现有的室外型全向天线增益高10dB左右，信号既能覆盖室外环境，又具有一定的穿墙能力，覆盖室内。20个波束覆盖180°，用本实用新型两面天线共40个波束，可做到360°全向覆盖，比现有的室外型全向3波束（扇区）多37个波束，相当于建设36个现有的室外型WiFi基站，WiFi系统容量提高数十倍。本实用新型特别适用于大数据量传输的密集用户区。不仅在室内，也能在室外步速移动的视频应用。
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。