透镜天线及介质透镜的制备方法与流程

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种透镜天线及介质透镜的制备方法。


背景技术：

2.随着通信业务的发展，用户数据流量高速增长，这对通信的系统容量、传输速率等提出了更高的要求。随着用户量的大幅度增长，现有通信系统面临系统容量有限导致通信质量不佳的问题。
3.利用几何光学法设计的透镜天线，在移动通信和卫星通信等领域得到应用。以移动通信领域为例，在透镜天线的焦点位置放置多个馈源，便可实现多波束，且每个波束的辐射特性相同，这样即可扩展小区通信系统容量。其具有网络简单，结构简化的特点，且辐射效能高。
4.现有的龙伯透镜的制备方法主要包括三大类：第一类，采用有限个离散壳体，通过工艺方法调整材料属性，控制不同壳体具有一定规律分布的介电常数，对壳体间粘合后，进而实现龙伯透镜具有由内之外渐变的介电常数；第二类，主要是通过在介质材料上按一定规则打孔，通过开孔大小不一引起的材质密度不同，来实现不同的位置具有不同的介电常数；第三类，基于3d打印技术，对于不同层选用不同的原材料，按照设计的形状分层打印成型。上述方法存在原材料不易获得、工艺复杂、生产效率低、生产成本高等问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种透镜天线及介质透镜的制备方法，用以解决现有天线因通信容量有限导致通信性能不佳，以及透镜的制作工艺复杂、生产成本高的缺陷。
6.第一方面，本发明提供一种透镜天线，包括：介质透镜和多个辐射单元，所述多个辐射单元环绕所述介质透镜的外侧面设置；
7.所述介质透镜包括多个介质单元，所述多个介质单元依次同心套设，由内至外依次排布的所述多个介质单元的介电常数依次减小。
8.根据本发明提供的一种透镜天线，所述介质单元的数量为六个，由内至外依次排布的所述六个介质单元的介电常数分别为ε1＝1.9～2.1，ε2＝1.6～1.8，ε3＝1.4～1.6，ε4＝1.23～1.43，ε5＝1.05～1.25，ε6＝0.9～1.1。
9.根据本发明提供的一种透镜天线，所述ε1＝2，所述ε2＝1.7，所述ε3＝1.5，所述ε4＝1.33，所述ε5＝1.15，所述ε6＝1。
10.根据本发明提供的一种透镜天线，由内至外依次排布的所述六个介质单元依次为第一介质单元、第二介质单元、第三介质单元、第四介质单元、第五介质单元以及第六介质单元；
11.所述第二介质单元的内径为1r1，所述第二介质单元的外径为1.3r1，所述第三介质单元的内径为1.3r1，所述第三介质单元的外径为1.6r1，所述第四介质单元的内径为1.6r1，所述第四介质单元的外径为1.9r1，所述第五介质单元的内径为1.9r1，所述第五介
质单元的外径为2.2r1，所述第六介质单元的内径为2.2r1，所述第六介质单元的外径为2.5r1；
12.其中，所述r1为所述第一介质单元的外径。
13.根据本发明提供的一种透镜天线，所述介质透镜为圆球状或圆柱状。
14.根据本发明提供的一种透镜天线，所述透镜天线还包括介质罩，所述介质罩罩设于所述介质透镜。
15.第二方面，本发明还提供一种介质透镜的制备方法，包括：制备多个介质单元；
16.将所述多个介质单元依次同心套设以组成介质透镜；
17.其中，由内至外依次排布的所述多个介质单元的介电常数依次减小。
18.根据本发明提供的一种介质透镜的制备方法，在所述介质透镜为圆球状的情况下，所述制备多个介质单元，包括：
19.制备顶盖、底盖、多张平板以及多张环形板；
20.其中，所述顶盖、所述底盖、所述多张平板以及所述多张环形板可装配成一个呈球形的所述介质单元。
21.根据本发明提供的一种介质透镜的制备方法，所述将所述多个介质单元依次同心套设以组成介质透镜，包括：
22.将所述多个介质单元的所述顶盖、所述底盖、所述多张平板以及所述多张环形板装配成多张介质板；
23.将所述多张介质板堆叠以形成所述介质透镜。
24.根据本发明提供的一种介质透镜的制备方法，每张所述介质板的厚度为4～6mm。
25.本发明提供的透镜天线及介质透镜的制备方法，介质透镜包括多个介质单元，多个介质单元依次同心套设，由内至外依次排布的多个介质单元的介电常数依次减小，多个辐射单元环绕介质透镜的外侧面设置，利用多个介质单元的折射特性将多个辐射单元发出的非平面波转换为平面波，有利于提高通信质量，且介质透镜由多个介质板堆砌形成，易于获取原材料，工艺简单，生产成本低，有利于大规模批量生产。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明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获得其他的附图。
27.图1是本发明提供的透镜天线的结构示意图；
28.图2是本发明提供的介质透镜的分层示意图之一；
29.图3是本发明提供的介质透镜的上半球的分层示意图；
30.图4是本发明提供的第n个介质板的结构示意图；
31.图5是本发明提供的介质透镜的分层示意图之二；
32.附图标记：
33.1：介质透镜；
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2：介质罩；
34.3：辐射单元；
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4：第一介质单元；
35.5：第二介质单元；
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6：第三介质单元；
36.7：第四介质单元；
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8：第五介质单元；
37.9：第六介质单元；
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10：第n个介质板；
38.11：第一个介质板；
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12：第二个介质板；
39.13：平板；
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14：第一张环形板；
40.15：第二张环形板；
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16：第三张环形板；
41.17：第四张环形板；
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18：第五张环形板。
具体实施方式
42.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。
43.下面结合图1至图5描述本发明实施例的透镜天线。
44.如图1所示，本发明实施例提供的透镜天线，包括：介质透镜1和多个辐射单元3，多个辐射单元3环绕介质透镜1的外侧面设置；
45.介质透镜1包括多个介质单元，多个介质单元依次同心套设，由内至外依次排布的多个介质单元的介电常数依次减小。
46.具体地，介质透镜1包括多个介质单元，介质单元的数量大于或等于六个，介质透镜1可以为圆球状或者圆柱状。
47.以下以介质透镜1为圆球状时介质透镜1的构成进行说明。
48.介质透镜1为一个球体，介质透镜1包括多个介质单元，位于球心处的介质单元为实心球体，另外多个介质单元均为具有容纳腔的球体，即另外多个介质单元均具有内壁和外壁。
49.每个介质单元的内壁与相邻的介质单元的外壁贴合设置，每个介质单元的外壁与相邻的介质单元的内壁贴合设置。可以理解的是，位于最外侧的一个介质单元只需其内壁和相邻的介质单元的外壁贴合设置即可。由此，多个介质单元依次同心套设形成圆球状的介质透镜1。
50.以下以介质透镜1为圆柱状时介质透镜1的构成进行说明。
51.位于介质透镜1中心处的一个介质单元为实心圆柱体，另外多个介质单元均为中空圆柱体，即另外多个介质单元均具有内壁和外壁。
52.另外多个中空圆柱体依次嵌套于实心圆柱体的外侧，每个中空圆柱体的内壁与相邻的中空圆柱体的外壁贴合设置，每个中空圆柱体的外壁与相邻的中空圆柱体的内壁贴合设置。可以理解的是，位于最外侧的一个中空圆柱体只需其内壁和相邻的中空圆柱体的外壁贴合设置即可。由此，多个介质单元依次同心套设形成圆柱状的介质透镜1。
53.多个介质单元的介电常数均不相同，具体地，从介质透镜1的体心至外侧面依次排布的多个介质单元的介电常数依次减小。
54.多个辐射单元3环绕介质透镜1的外侧面设置，可以利用多个介质单元的折射特性将多个辐射单元3发出的非平面波转换为平面波，有利于提高透镜天线的通信质量。
55.在本发明实施例中，介质透镜1包括多个介质单元，多个介质单元依次同心套设，由内至外依次排布的多个介质单元的介电常数依次减小，多个辐射单元3环绕介质透镜1的外侧面设置，利用多个介质单元的折射特性将多个辐射单元3发出的非平面波转换为平面波，有利于提高透镜天线的通信质量。
56.在可选的实施例中，介质单元的数量为六个，由内至外依次排布的六个介质单元的介电常数分别为ε1＝1.9～2.1，ε2＝1.6～1.8，ε3＝1.4～1.6，ε4＝1.23～1.43，ε5＝1.05～1.25，ε6＝0.9～1.1。
57.进一步地，ε1＝2，ε2＝1.7，ε3＝1.5，ε4＝1.33，ε5＝1.15，ε6＝1。介电常数可以是基于费马原理及斯奈尔定律数值拟合得出的。
58.一般而言，由内至外依次排布的介质单元的数量越多，介质透镜1的性能越好，但是，数量的增加会相应增大制作难度、材料成本以及制作周期，本发明实施例中介质单元的数量为六个。
59.六个介质单元的厚度可以相同也可以不同，例如，六个介质单元的厚度可以是不同的，部分相同的或者全部相同的。
60.在可选的实施例中，由内至外依次排布的六个介质单元依次定义为第一介质单元4、第二介质单元5、第三介质单元6、第四介质单元7、第五介质单元8以及第六介质单元9。
61.第一介质单元4的外径为r1，r1的数值不做具体限制。
62.第二介质单元5的内径与外径、第三介质单元6的内径与外径、第四介质单元7的内径与外径、第五介质单元8的内径与外径以及第六介质单元9的内径与外径均与第一介质单元4的外径呈倍数关系，具体如下所示。
63.第二介质单元5的内径为1r1，第二介质单元5的外径为1.3r1；第三介质单元6的内径为1.3r1，第三介质单元6的外径为1.6r1；第四介质单元7的内径为1.6r1，第四介质单元7的外径为1.9r1；第五介质单元8的内径为1.9r1，第五介质单元8的外径为2.2r1；第六介质单元9的内径为2.2r1，第六介质单元9的外径为2.5r1。
64.在第一介质单元4、第二介质单元5、第三介质单元6、第四介质单元7、第五介质单元8以及第六介质单元9的尺寸为上述倍数关系的情况下，且第一介质单元4的介电常数为2，第二介质单元5的介电常数为1.7，第三介质单元6的介电常数为1.5，第四介质单元7的介电常数为1.33，第五介质单元8的介电常数为1.15，第六介质单元9的介电常数为1的情况下，对介质透镜1建立模型进行电磁仿真。获取两种状态下透镜天线的水平面方向图。
65.表1为两种状态下的波束效果对比表，如下所示。
66.表1波束效果参数表
[0067][0068]
第一种状态为辐射单元3的信号不经过介质透镜1，第二种状态为辐射单元3的信号经过介质透镜1，通过两种状态下的波束效果对比，可以看出介质透镜1对波束有很强的收敛作用，可将沿圆直径方向的非平面波经介质透镜1变为平面波，随着水平面和垂直面的波束收窄，透镜天线的增益有10～11dbi的提升。
[0069]
在可选的实施例中，透镜天线还包括介质罩2，介质罩2罩设于介质透镜1。
[0070]
介质罩2采用玻璃钢、pp材料或者pc材料制作。介质罩2的内壁与介质透镜1的外壁相适配，介质罩2罩设于介质透镜1。
[0071]
在介质透镜1为圆球状的情况下，介质罩2可以均分为两个罩壳制作，便于制作，也便于安装。
[0072]
本发明实施例还提供一种介质透镜1的制备方法，包括：制备多个介质单元；将多个介质单元依次同心套设以组成介质透镜1；
[0073]
其中，由内至外依次排布的多个介质单元的介电常数依次减小。
[0074]
具体地，每个介质单元的介电常数不同，每个介质单元可以采用普通的发泡材料制备而成。
[0075]
在介质单元为多个的情况下，采用多个介电常数不同的发泡材料来制备多个介质单元。
[0076]
将多个介质单元依次同心套设以组成介质透镜1，由内至外依次排布的多个介质单元的介电常数依次减小。
[0077]
在可选的实施例中，在介质透镜1为圆球状的情况下，制备多个介质单元，包括：制备顶盖、底盖、多张平板以及多张环形板；
[0078]
其中，顶盖、底盖、多张平板以及多张环形板可装配成一个呈球形的介质单元。
[0079]
具体地，顶盖和底盖指形成球形的介质单元的两端的部分，顶盖和底盖关于介质单元的中心平面对称分布，顶盖和底盖的形状相同。多张平板关于介质单元的中心平面对称分布，多张环形板关于介质单元的中心平面对称分布。
[0080]
将底盖、多张平板、多张环形板以及顶盖按照相应的位置堆砌形成球形的介质单元，组装过程简单。
[0081]
将同一个介质单元划分成包括顶盖、底盖、多张平板以及多张环形板的多个装配单元，顶盖、底盖、多张平板以及多张环形板可以从介电常数为实际需求的发泡板上获取，介质单元的材料来源丰富，且组装过程简单。
[0082]
可以理解的是，位于介质透镜1球心处的介质单元是由顶盖、底盖以及多张平板装配而成。
[0083]
在可选的实施例中，将多个介质单元依次同心套设以组成介质透镜1，包括：
[0084]
将多个介质单元的顶盖、底盖、多张平板以及多张环形板装配成多张介质板；
[0085]
将多张介质板堆叠以形成介质透镜1。
[0086]
以下以介质透镜1由六个依次同心套设的介质单元组成为例来说明介质透镜1的制备及组装过程。
[0087]
由内至外依次排布的六个介质单元依次定义为第一介质单元4、第二介质单元5、第三介质单元6、第四介质单元7、第五介质单元8以及第六介质单元9。
[0088]
第一介质单元4的介电常数为ε1，第二介质单元5的介电常数为ε2，第三介质单元6的介电常数为ε3，第四介质单元7的介电常数为ε4，第五介质单元8的介电常数为ε5，第六介质单元9的介电常数为ε6。
[0089]
如图2所示，具体地，将介质透镜1由其中心平面划分为每层厚度为d的2n
‑
1个介质板，从介质透镜1的最顶端到介质透镜1的中心平面处依次为第一个介质板11、第二个介质板12至第n个介质板10，第n个介质板10位于介质透镜1的中心平面处且关于介质透镜1的中心平面对称设置，第n个介质板10的外径尺寸最大。
[0090]
每张介质板的厚度为4～6mm。
[0091]
如图3所示，以下以第n个介质板10的装配为例来说明其装配过程。第n个介质板10由内至外依次由一张平板13以及五张环形板组成。一张平板13以及五张环形板构成第n个介质板10的组成单元，平板13以及五张环形板的厚度均为d。
[0092]
位于最内侧的平板13的介电常数为ε1，由内之外依次排布的第一张环形板14的介电常数为ε2，第二张环形板15的介电常数为ε3，第三张环形板16的介电常数为ε4，第四张环形板17的介电常数为ε5，第五张环形板18的介电常数为ε6。
[0093]
预先制备介电常数分别为ε1、ε2、ε3、ε4、ε5以及ε6的六种发泡板，每种发泡板的厚度为d，发泡板可以由发泡工艺制取。
[0094]
一张平板13以及五张环形板可以分别由介电常数为ε1、ε2、ε3、ε4、ε5以及ε6的发泡板上获取。
[0095]
具体地，可以从介电常数为ε1的发泡板上切割获取一张平板13，可以从介电常数
为ε2的发泡板上切割获取第一张环形板14，可以从介电常数为ε3的发泡板上切割获取第二张环形板15，可以从介电常数为ε4的发泡板上切割获取第三张环形板16，可以从介电常数为ε5的发泡板上切割获取第四张环形板17，可以从介电常数为ε6的发泡板上切割获取第五张环形板18。
[0096]
将第一张环形板14套设于平板13，第二张环形板15套设于第一张环形板14，第三张环形板16套设于第二张环形板15，第四张环形板17套设于第三张环形板16，第五张环形板18套设于第四张环形板17，由此组装成第n个介质板10。
[0097]
第n个介质板10的介电常数由内之外依次为ε1、ε2、ε3、ε4、ε5以及ε6。
[0098]
每个介质板包含的顶盖、底盖、平板以及环形板均可以按照第n个介质板10的组成单元的获取方式来获取，每个介质板的组装均可以参照第n个介质板10的组装方式来组装，在此不再赘述。
[0099]
可以理解的是位于最顶端的第一个介质板11，可以为包含一种介电常数为ε6的顶盖。
[0100]
如图4所示，可以理解的是，为了方便堆砌，从外径最大的第n个介质板10依次往上堆砌至第一个介质板11，第n个介质板10至第一个介质板11依次堆砌后构成介质透镜1的上半球，另外n
‑
1个介质板依次堆砌后构成介质透镜1的下半球。
[0101]
介质罩2由均分的两个罩壳组成，分别定义为下罩壳和上罩壳。介质罩2的内壁和介质透镜1的外壁相适配，介质透镜1放置于介质罩2中，介质透镜1的外壁和介质罩2的内壁相贴合，便于实现介质透镜1的固定。
[0102]
将n
‑
1个介质板依次堆砌后构成的下半球放置于下罩壳，将第n个介质板10至第一个介质板11依次堆砌后构成的上半球放置于下半球上，上半球和下半球的分界面处完全贴合，此时将上罩壳罩设于上半球上，下罩壳和上罩壳可以通过螺接或卡接的方式固定，由此实现介质透镜1与介质罩2的固定。
[0103]
如图5所示，在介质透镜1为圆柱状的情况下，将介质透镜1沿其高度方向划分为每层厚度为d的多个介质板，每个介质板的结构组成与第n个介质板10的结构组成相同。
[0104]
在本发明实施例中，每个介质单元由顶盖、底盖、多张平板以及多张环形板组成，原材料易获取，将位于介质透镜1同一位置处的不同介质单元的顶盖、底盖、平板或环形板依次同心嵌套组装成每张介质板，再将多张介质板依次堆叠以形成介质透镜1，工艺简单，生产成本低，有利于大规模批量化生产。
[0105]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。